Автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ДГТУ)

Авиационный колледж

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

На тему: Автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Автор выпускной квалификационной работы

Колесников Максим Андреевич

Обозначение ВКР 150207920000000 Группа 4-13 АТП

Направление подготовки (специальность) 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) код наименование направления подготовки (специальности)

Руководитель работы

преподаватель Ю.А. Смирнов

Ростов-на-Дону, 2022

Cодержание

Введение

1. Технологическая часть: Разработка проекта автоматизации системы перекачки сточных вод

1.1 Краткая характеристика технологического процесса

1 2 Обоснование и выбор контролируемых и регулируемых параметров

1.3 Разработка систем контроля и автоматизации котлоагрегата ДЕ-4-14-ГМ

1.4 Расчет системы автоматического регулирования

1.5 Выбор приборов и средств автоматизации

1.6 Выбор монтажных материалов и изделий

1.7 Переходные процессы в котле при изменении нагрузки

1.8 Размещение приборов и средств автоматизации

2. Проект производства работ

2.1 Подготовка объекта под монтаж

2.2 Определение состава работ и подсчет объемов

2.3 Выбор метода производства монтажных работ

2.4 Монтажные указания

2.5 Определение трудоемкости работ и потребности в материалах, механизмах

2.6 Сетевое планирование монтажных работ

2.7 Расчет сетевого графика

2.8 График движения рабочей силы

3.Экономическая часть

3.1 Расчет проектно-сметной стоимости системы контроля и автоматизации

4 Техника безопасности и охрана труда котельной установки

4. Охрана труда. Экологическая безопасность

4.1 Техника безопасности при монтаже систем автоматического управления

4.2 Указания по испытанию смонтированной системы

4.3 Определение трудоемкости работ и потребности в материалах, механизмах

Заключение

Список использованных источников

Введение

Использование насосов для обеспечения подачи воды на место возникновения пожара, человечество стало применять с момента появления вначале ручных, а затем и механических, и в дальнейшем автоматических насосов подачи воды. Эволюция модификаций насосов естественно, постепенно наращивала скорости подачи воды и как следствие -- большего количества спасенных человеческих жизней и имущества.

Заложенная в генетике, человеческая осторожность и страх перед огненной стихией, а также инстинкт самосохранения подсознательно заставили человечество устанавливать стационарные насосы на случай возникновения пожара на каждом важном объекте, для возможности оказания первого сопротивления огню. Такие меры предосторожности стали прообразом современных мощных и автоматизированных насосных станций для осуществления пожаротушения.

Системы водяного пожаротушения остаются одними из наиболее используемых вариантов, которые применяются в составе комплексов пожарной безопасности различных объектов. Высокая популярность такого оборудования обусловлена тем, что вода является дешёвым огнетушащим веществом, позволяющим эффективно бороться с огнём. На сегодняшний день, практически 85…90% пожаров тушат с использованием систем водяного пожаротушения. Чтобы поддерживать безопасное функционирование комплексов различного назначения,а также,объектов с массовым пребыванием людей, в обязательном порядке устанавливается насосная станция пожаротушения.

Автоматические насосные станции пожаротушения обеспечивают требуемый уровень давления жидкости в магистралях, по которым вода подается к оросителям водяного пожаротушения. От правильной и корректной работы насосных станций зависит, насколько быстро будет потушен пожар, а от этого, в свою очередь, зависит безопасность жизни людей и сохранность хранимого на объекте имущества.

1. Технологическая часть: Разработка проекта автоматизации системы перекачки сточных вод

1.1 Краткая характеристика технологического процесса

автоматизация насосная станция водоснабжение

Объекты на территории предприятия обеспечены наружным противопожарным водоснабжением из резервуаров, объем которых рассчитан на трехчасовое тушение пожара.

- Степень огнестойкости здания - III.

- Класс конструктивной пожарной опасности - С0.

- Класс функциональной опасности - Ф 5.2

Здание отапливаемое, схема системы отопления - двухтрубная, с нижней разводкой подающего трубопровода.

В здании выполнена общеобменная приточно-вытяжная вентиляция с механическим побуждением. Для ограничения распространения и удаления продуктов горения при пожаре, предусмотрена система противодымнойвентиляции.

Цех оборудован внутренним противопожарным водопроводом, обеспечен первичными средствами пожаротушения.

В помещениях и на путях эвакуации предусматривается аварийное (эвакуационное), в том числе антипаническое освещение.

На рисунке .1.1. представлена скелетная схема автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Станция пожарного водоснабжения осуществляется от существующего газопровода с диаметром условного прохода d=150 мм и рабочим давлением природного газа P=0,6 МПа, к которому подключен трубопровод диаметром d=219х5 мм, трубопроводом диаметром d=25х2,5 мм и трубопроводом, отходящим от гребенки диаметром d=57х3 мм.



Скелетная схема автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Загазованность котельной контролируется газоанализаторами CO и CH на 3 котла. Характеристика природного газа представлена в табл.

Характеристика природного газа

№ п/п	Наименование показателя	Единица измерения	Среднемесячный показатель
1	Теплота сгорания низшая при 200С и	ккал/м3	8099
	101,325 кПа
2	Число Воббе высшее	ккал/м3	11866
3	Молярная доля кислорода	%	0,0051
4	Массовая концентрация сероводорода	г/м3	менее 0,010
5	Массовая концентрация	г/м3	менее 0,010
	меркоптановой серы
6	Масса механических примесей в 1 м3	г/м3	отсутствует
7	Температура точки росы газа по	0С	-22,6
	влаге при температуре газа 1,6 0С
8	Молярная доля азота	%	0,72
9	Молярная доля углекислого газа	%	0,085
10	Плотность при 200С и101,325 кПа	кг/м3	0,6897

Эксплуатация средств автоматизации -- комплекс мероприятий, включающий подготовку и использование средств автоматизации по назначению, их техническое обслуживание, хранение и транспортирование. Подготовку приборов, средств и систем автоматизации к использованию следует начинать одновременно с монтажными работами по их установке на объекте. Основное в подготовке приборов -- пуско-наладочные работы по доведению их до состояния, при к-ром они могут быть использованы для эксплуатации. Для систем автоматизации, в т.ч. систем блокировок и защиты, отказы которых могут быть опасны, при наладке должна быть предусмотрена программа испытаний в режимах, имитирующих аварийные. Для регулирующих систем наладка состоит в статической и динамической настройке регуляторов. Первая заключается в задании регулятору параметров настройки, обеспечивающих требуемые данному потребителю отопит, график (регулятору системы отопления), температуру горячей воды (регулятору системы горячего водоснабжения), давлений, перепада давлений, расхода (регуляторам гидравлических режимов); вторая -- в задании регулятору параметров настройки для обеспечения оптимального переходного процесса в реальных условиях эксплуатации. Основными условиями надежности эксплуатации средств автоматизации, обеспечивающей их эффективность и долговечность, являются: строгое выполнение обслуживающим персоналом правил технической эксплуатации и техники безопасности; своевременное и квалифицированное выполнение технического обслуживания и планово-предупредит. ремонтов приборов и регуляторов. Техническое обслуживание состоит: в периодичности наблюдении за работой регуляторов, в частности в контроле температуры воды в системе отопления (горячего водоснабжения), сравнении ее с расчетной по заданному графику при данных значениях температуры наружного воздуха (или с заданной для горячего водоснабжения) и в периодичной проверке работы регулирующих клапанов в ручном режиме управления; в ежемесячном осмотре крепления приборов и их электрических соединений; в ежегодной ревизии, состоящей в проверке технического состояния всего комплекта регулятора или системы контроля и управления по сопроводит.документации, по которой устраняются все выявленные неисправности.

Требования по автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Функциональная схема автоматизации (ФСА) является однимиз основных проектных документов, определяющих функциональнуюструктуру и объем автоматизации технологических установок иотдельных агрегатов промышленного объекта. Она представляет собойчертеж, на котором схематически условными обозначениямиизображены: технологическое оборудование; коммуникации; органыуправления и средства автоматизации (приборы, регуляторы,вычислительные устройства) с указанием связей междутехнологическим оборудованием и элементами автоматики, а такжесвязей между отдельными элементами автоматики.

Вспомогательные устройства, такие, как редукторы, фильтры длявоздуха, источники питания, соединительные коробки и другиемонтажные элементы, на ФСА не показывают.ФСА выполняют на одном чертеже, на которомизображают аппаратуру всех систем контроля, регулирования,управления и сигнализации, относящуюся к данной технологическойустановке.

На основании ФСА выполняют остальные чертежи проекта исоставляют ведомости и заказные спецификации приборов и средствавтоматизации.

Для однотипных технологических объектов, не связанныхмежду собой и имеющих одинаковое оснащение приборами исредствами автоматизации, выполнение ФСА допускается лишь дляодного из них. На схеме даются пояснения. Например: ”Схемаразработана для агрегата 1, для агрегатов 2-5 схемы аналогичны”.

Функции контроля и управления на функциональных схемах автоматизации изображают в соответствии с ГОСТ 21.208-2013 и отраслевыми нормативными документами.

1.2 Обоснование и выбор контролируемых и регулируемых параметров

При разработке системы автоматизации технологического процесса получения горячей воды для теплоснабжения промышленных объектов необходим ряд измерительных преобразователей, исполнительных устройств, которые обуславливают необходимый контроль, своевременное управление и сигнализацию, как параметров технологического процесса, так и оборудования.

При выборе измерительных преобразователей технологических параметров следует учитывать технические характеристик средств контроля и управления:

- пределы измерения средств измерения;

- класс точности прибора, определяющий погрешность, допускаемую для систем управления;

- влияние внешних факторов (температуры, давления, влажности и так далее) на нормальную работу измерительных преобразователей;

- расстояние, на которое может быть передана информация, выданная измерительным преобразователем;

- предельное значение измеряемой величины и других параметров среды.

Датчики. Являются «нервной системой» котельной. От правильности их показаний зависит качество работы всей системы управления. Датчики подбираются в зависимости от физической природы измеряемой величины (давление, температура, уровня жидкости, разряжение в топке, поворот привода и т.д.), от ее диапазона измерений и от схемы подключения датчиков к устройствам обработки информации (контроллерам или персональным компьютерам) или исполнительным механизмам.

Особенно важным фактом при выборе измерительных преобразователей является пожаровзрывобезопасность производственного помещения, в котором протекает технологический процесс и степень его защиты. Все приборы, используемые для контроля и управления технологическим процессом, должны быть в пожаровзрывобезопасном исполнении.

Выбор первичных преобразователей и датчиков измеряемых величин был составлен на основании следующих требований:

Условия в точке установки прибора соответствуют условиям его эксплуатации, указанным заводом-изготовителем.

Номинальное значение измеряемой величины лежит в последней трети шкалы прибора. При этом диапазон измерения прибора выбирался из стандартного ряда, указанного заводом-изготовителем.

Прибор устойчив к повреждающим воздействиям измеряемой среды: абразивности, химической агрессивности и т.д.

Метрологические характеристики приборов должны обеспечивают измерения с требуемой для данного процесса точностью.

Для объекта вспомогательное оборудование водогрейной части котла все данные требования были соблюдены. Схема технологического контроля и автоматизации представлена в графическом материале.

Спецификация оборудования для нормального технологического режима приведена в п.1.4 данного дипломного проекта.

Выполнение функциональной схемы автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Функции контроля и управления на функциональной схемеавтоматизацииизображена в соответствии с ГОСТ 21.208-2013 и отраслевыминормативными документами. Схема автоматизации (рис. 1.2) представлена в графической части дипломного проекта на листе 1.

Описание функциональной схемы автоматизации насосной станции пожарного водоснабжения

Система автоматизации автоматизация насосной станции пожарного водоснабженияпредусматривает:

- контроль давления газа в коллекторе;

- контроль концентрации природного газа СН4 в помещении котельной;

- контроль концентрации угарного газа СОв помещении котельной;

- контроль наличия напряжения питания системы автоматизации

- контроль засорения фильтра;

- контроль расход газа к котлам.

При достижении контролируемых сигналов аварийного уровня происходит автоматическая отсечка подачи газа в помещение котельной, подается звуковая и световая сигнализация:

- при превышении давления газа в коллекторе > 37,5 КПа;

- при достижении концентрации природного газа СН4 в помещении 10% НКПР;

- при достижении концентрации угарного газа СОв помещении 95-100 мг/м3 (2-ой порог);

- при исчезновении напряжения питания в схеме защиты и сигнализации.

Автоматическая отсечка подачи газа в помещение производится с помощью электромагнитного клапана, установленного на вводе газопровода в помещение котельной.

Звуковая и световая сигнализация без отсечки газа в помещении котельной подается при достижении концентрации угарного газа СО 20±5 мг/м3 (1-ый порог).

Для обнаружения опасных концентраций природного газа СН4 и угарного газа СО используется система контроля загазованности природным газом четырехканальная RGY 000 MB4.

Светосигнальное устройство аварии находится в помещении котельной.

Электропитание сигнализаторов загазованности и других устройств системы автоматики подводится от существующего источника питания 220 В. В качестве источника бесперебойного питания системы контроля КСИТАЛ GSM-8T используется резервный аккумулятор с напряжением 12 В и емкостью до 7,2 А/ч, который подключается к контроллеру через специально предназначенное для этого гнездо. Соединение приборов системы автоматики безопасности выполняется кабелем с медными жилами сечением 1 мм2 в ПВХ коробах либо трубах, проложенными по стенам помещения теплогенераторов и на отм. -0,10 м ниже уровня пола (под заливку). Заземление оборудования выполняется медным проводом сечением 2,5 мм2 с присоединением к существующему контуру заземления.

ЭД выпускаются промышленностью в виде стандартных серий с определёнными номинальными данными: мощностью, частотой вращения, моментом, и т. д. Соотношение пускового момента и угловой скорости холостого хода у двигателей различных серий различно, поэтому ЭД выбирают не по моменту или скорости, а по максимальной мощности. Такой выбор ЭД является приближенным, т.к. из имеющихся серий выбирают тот, который с наименьшей погрешностью обеспечивает скорость и ускорение нагрузки. После такого выбора ЭД проверяют на перегрузку и нагрев.

Рассмотрим упрощённый выбор ЭД и оценку его пригодности с энергетической точки зрения, который проводится при допущении, что средняя мощность ЭД не превышает мощности, допустимой по нагреву.

Требуемая мощность в киловаттах равна:

, (1.1)

где МТр- требуемый момент, Н•м; определённый по формуле (1.1);

, (1.2)

Щн - заданная максимальная угловая скорость вращения нагрузки, рад/с;

з - КПД редуктора ();

Мст - статический момент нагрузки, Н•м;

Iн, Iд - моменты инерции нагрузки и двигателя, кг•м2;

i - передаточное число редуктора;

дн - ускорение выходного вала, рад/с2;

Для определения МТр необходимо выбрать вначале передаточное число редуктора. Зависимость МТр= МТр( i ) при постоянном д = const и график зависимости д = д( i ) при постоянном требуемом моменте (МТр = const) показаны на рис.1.3.

Рисунок

Очевидно, что существует некоторое оптимальное передаточное число редуктора при котором для создания ускорения требуется наименьший момент n, наоборот, при одном и том же моменте двигатель развивает на валу максимальное ускорение. Для определения необходимо взять производную поот функции (1.2) и, решив уравнение , найдём выражение для оптимального значения :

, (1.3)

При выборе оптимального передаточного числа редуктора, формула мощности (1.1) упрощается подстановкой значений из (1.3) в (1.2) и соответственно (1.2) в (1.4):

, (1.4)

где - выражена в кВт.

Теперь можно приступить к выбору ЭД в следующем порядке:

1. Рассчитать требуемую мощность по (1.4) и выбрать по каталогу ЭД. Если , то ЭД выбирают из числа маломощных асинхронных двигателей типа АДП, ДИД, ДГ или ЭД постоянного тока ДПР, МЯ, ПЯ, П.

2. При следует выбирать двигатели постоянного тока МИ, СЛ, ДПР, ДИ.

3. Мощность выбранного ЭД должна быть равна или больше рассчитанной требуемой мощности . По каталогу определяют и выписывают все основные номинальные данные ЭД, необходимые для расчёта ПФ и всех параметров привода:

- номинальную мощность, кВт; - номинальную частоту вращения ЭД, мин-1;

- номинальный момент вращения, Н•м; - момент инерции ЭД, кг•м2;

- напряжение управления, В; - ток якоря, А; Т - постоянную времени, с.

4. По полученному значению , подставляя его в (1.4), определяют оптимальное передаточное число редуктора .

5. Этим завершается предварительный выбор ЭД, после чего проводят проверку на обеспечение требований по ускорению и скорости. Смысл проверки состоит в том, что двигатели равной мощности могут обеспечить различные скорости и ускорения (рис. 1.4).



Рисунок

Учитывая, что в момент трогания, момент двигателя и ускорения связаны зависимостью , то об ускорении можно судить по значениям пускового момента МП, а скорости - по значению Щхх.

Проверку ЭД по скорости и моменту (ускорению) проводят из условия равенства номинальной и требуемой мощностей:

, (1.5)

где ; ,

или .

Полученное требование (1.5) может выполняться в трёх случаях:

а) ; , что маловероятно;

б) ; , характерный для ЭД постоянного тока, у которых , т.е. номинальный момент примерно в два раза меньшее пускового, а поэтому выбранный двигатель считается пригодным, если выполняются условия:

 (1.6)

Если условия (3.6) не выполняются, то следует выбрать более мощный ЭД;

; , (1.7)

который характерен для ЭД переменного тока, когда выполняется требование по ускорению (моменту), но может не выполняться требование по скорости.

В этом случае, изменяя передаточное число редуктора , можно согласовать соотношение между требуемой и располагаемой мощностями. Новое можно определить из соотношения:

(1.8)

Если при новом выполняется соотношение (1.8), то выбор ЭД можно считать законченным.

Выбрать ЭД привода и рассчитать его ПФ, если момент статической нагрузки момент инерции нагрузки требуемая скорость нагрузки требуемое ускорение нагрузки

Решение:

1.Принимая КПД редуктора определим требуемую мощность согласно (4):

и по справочнику выбираем ЭД МИ-41с с техническими данными:

; ;

2.Подсчитываем оптимальное передаточное число редуктора согласно (1.3):

.

3.Выполняем проверку выбранного ЭД по скорости согласно (1.5):

Так как то по скорости ЭД выбран правильно.

4.Проверяем ЭД по моменту (ускорению), для чего находим значение требуемого момента вращения в соответствии с (1.2) и сравним его с номинальным значением момента ЭД:

.

Проверка ЭД на перегрузку

не удовлетворяет условию (3.6), а поэтому выбираем более мощный ЭД МИ-42 с параметрами:

; ;

5.Определим для нового ЭД:

6.Проверяем выбор ЭД по скорости:

т.к. то ЭД по скорости подходит.

7. Проверяем на перегрузку:

.

Так как то выбранный ЭД подходит по перегрузке (ускорению);

8.Определим параметры ПФ электродвигателя:

Коэффициент противо-ЭДС определяем из (1.2) при номинальных значениях параметров и установившемся:

Коэффициент момента согласно (1.1):

Полный момент инерции нагрузки по формуле приведения момента к валу двигателя:

.

Механическая постоянная времени в соответствии с (3.7) равна:

Если известното определяем и постоянную якоря .

Пусть тогда

Определив коэффициент передачи ЭД по скорости

Получим ПФ электродвигателя по управлению:

Выбор параметров следящего привода

Закон движения выходного вала привода зависит от назначения объекта регулирования, которым управляет привод и задается предельными значениями угловой скорости Щн и ускорения нагрузки .

Параметры эквивалентного гармонического сигнала могут определяться из соотношений: где - параметры, соответствующие режиму работы СП с максимальными значениями скорости и ускорения. Эти параметры задаются в качестве исходных при выборе ЭД по мощности. После выбора ЭД проводится проверка обеспечения требуемого момента и требуемой скорости.

Выбор функциональной схемы и элементов СП начинается с анализа требований к предельным значениям угла поворота, угловой скорости Щн и ускорения исполнительного вала, а также оценки точности СП.

Ошибка отработки СП угла поворота зависит от управляющего и возмущающего воздействий , где - погрешность, обусловленная законом движения управляющего вала, или сигнала, пропорционального задаваемому углу;

- погрешность, обусловленная возмущающим воздействием.

В установившемся режиме погрешность имеет конечное значение, которое можно представить составляющими от угла поворота , и его производных - и : , где - коэффициенты ошибок соответственно по положению, скорости и ускорению. Коэффициенты ошибок зависят от параметров и структуры системы. Если структура привода не содержит интегрирующих звеньев, то он является статическим, , а поэтому он имеет позиционную (статическую) погрешность

возникающую при развороте управляющего вала на фиксированный угол .

Приводы, содержащие в структуре одно интегрирующее звено, являются астатическими первого порядка, для которых Си соответственно, ошибка характеризуется скоростной (динамической) составляющей погрешности

Для приводов с астатизмом второго порядка (содержат два интегрирующего звена) и, соответственноошибка определяется динамической ошибкой по ускорению

.

Иногда в практике используются понятие добротности по скорости

,

где D- добротность системы по скорости,

- коэффициент усиления разомкнутого привода по скорости (если привод астатический).

Аналогично можно выразить:

,

,

где - добротность по углу поворота для статической системы;

- круговой коэффициент статической системы;

- добротность по ускорению для астатической системы второго порядка;

- круговой коэффициент усиления по ускорению.

Составляющая погрешности , зависящая от момента и от закона изменения возмущающего момента М(t). В установившемся режиме при М (t) =Mн =const эта погрешность определяется выражением

Тогда можно определить допустимую ошибку () по формуле (1.9).

Действительная полная ошибка СП будет зависеть не только от ошибок системы и , но и от: - инструментальной погрешности датчика угла;

- погрешности, обусловленной дрейфами нулей усилителей системы;

- погрешности, обусловленной зазорами (люфтами) передач, т.е

.

Учет этих погрешностей позволяет определить рациональные требования к элементам системы.

Тогда расчет коэффициентов разомкнутого СП можно привести следующим образом:

определить передаточную функцию разомкнутого СП по ПФ звеньев:

,

где А(p) - операторный многочлен;

V- порядок астатизма;

- круговой коэффициент передачи системы.

Тогда, используя приведенные формулы можно рассчитать суммарную погрешность в зависимости от входных воздействий, возмущений и коэффициентов системы и правильно выбрать параметры ПФ регулятора по допустимым значениям ошибки.

Определить коэффициент усиления усилителем СП необходимый для обеспечения скоростной погрешности при и максимальной погрешности приесли заданы: чувствительность датчика угла , передаточное число редуктора i=70, двигатель постоянного тока типа ДПМ-32

Решение:

Определяем коэффициент демпфирования:

Определяем добротность СП при заданной моментной погрешности по

где - коэффициент демпфирования.

Коэффициент определяем из

где

Добротность СП при заданной скоростной погрешности по выражению:

Коэффициент усиления усилителя

Тогда из двух полученных выбираем

Схемы регулятора серии ECL Comfort 200 и соединений с картой Р30

Рисунок

Регулятор ECLComfort 200 может быть переключен на различные прикладные задачи с помощью кнопок в соответствии с инструкцией, прилагаемой к информационной ECL-карте.

Каждая ECL-карта обеспечивает функционирование регулятора ECLComfort 200 применительно к конкретной схеме теплоснабжения.

Выбор карты и специфических настроек регулятора определяется требованиями схемы теплоснабжения.

Могут быть реализованы следующие прикладные задачи (табл. 1.1):

Таблица

№ карты	Описание приложения	Функция регулирования	Тип регулирования
P16	Управлением клапаном и насосом в системе ГВС со скоростным водоподогревателем	Постоянная температура горячей воды	ПИ-регулирование
P17	Управление клапаном и насосами в системе ГВС со скоростным водоподогревателем и баком-аккумулятором	Постоянная температура горячей воды	ПИ-регулирование и ВКЛ./ВЫКЛ.
P20	Управлением горелочным устройством котла и насосом в системе отопления	Погодная компенсация температуры теплоносителя	ВКЛ./ВЫКЛ.
P30	Управление клапаном и насосом в системе управления	Погодная компенсация температуры теплоносителя	ПИ-регулирования

Рисунок



Общая схема электрических соединений на ~230 В, соответствующая карточке P30

Общая схема электрических соединений на ~24 В, соответствующая карточке P30

Рисунок .1.9.

Согласно этой схеме, происходит регулирование температуры (S3) теплоносителя поступающего в систему отопления в зависимости от температуры наружного воздуха (S1), с коррекцией по заданной температуре воздуха в помещении (S2) и с одновременным отслеживанием температуры первичного теплоносителя возвращающегося в теплосеть (S4).

Температура теплоносителя в системе отопления поддерживается с помощью клапана с электроприводом (М1) управляемым через тиристорный выход. Циркуляционный насос (Р1) в системе отопления включается и выключается по средствам релейного выхода.

Рисунок

Рисунок

ПИ-регулирование температуры теплоносителя S3, поступающего в систему отопления, в зависимости от температуры наружного воздуха S1 с коррекцией по температуре внутреннего воздуха S2 и отслеживанием температуры теплоносителя S4, возвращаемого в теплосеть. Температура теплоносителя поддерживается с помощью клапана с электроприводом М1 через тиристорный выход. Циркуляционный насос P1 управляется с помощью реле R 1. Температура в подающем трубопроводе подстраивается в соответствии с требованиями заказчика. Датчик температуры (S3) является основным.
Требуемая температура среды S3 рассчитывается в регуляторе ECL на основе температуры наружного воздуха (S1). Чем ниже наружная температура, тем выше требуемая температура в подающем трубопроводе. Если температура в подающем трубопроводе (S3) оказывается ниже требуемого значения, постепенно открывается клапан с электроприводом (М1) и наоборот.

Температура в обратном контуре (S4) для системы централизованного теплоснабжения не должна быть слишком высокой. Если это так, то температура может быть подстроена до требуемого значения (обычно более низкого), что вызывает постепенное закрывание клапана с электроприводом. В системах отопления с котлом температура обратного контура не должна быть слишком низкой. Если измеренная внешняя температура не равна требуемой внешней температуре, требуемая температура в подающем контуре может быть изменена. Циркуляционный насос Р1 включен, когда заданная температура в подающем трубопроводе свыше 20 °C или когда наружная температура ниже 2 °C.

Расчет и выборэлементов двухходовой автоматический регулирующий клапан для регулятора теплового потока (первый клапан на схеме) и определить перепад давления, автоматически поддерживаемый регулятором перепада давления.

Клапан регулятора теплового потока подбирают для обеспечения линейности регулирования тепловым потоком теплообменника. Поскольку теплообменник имеет искривленную характеристику, клапан должен иметь логарифмическую расходную характеристику, близкую к идеальной.

Потери давления на клапане регулятора теплового потока определяют по консолидированному распределению потерь давления - на этом клапане и на автоматическом регуляторе перепада давления, т. е. между двумя клапанами, что позволяет ограничить максимальный расход теплоносителя у абонента. Тогда

= (2,0 - 1,0)/2 = 0,5 бар.

С целью уменьшения капитальных затрат (выбор клапана меньшего диаметра) может быть задана иная пропорция распределения давлениямежду клапанами, если обеспечивается бескавитационная работа клапана с большим перепадом давления на нем.

Определяют расчетную пропускную способность клапана (плотность теплоносителя принимают р = 1000 кг/м3) по уравнению из табл. 1.2

Таблица

. (1.9)

По каталогу [62] выбирают регулирующий клапан с логарифмической расходной характеристикойVFS2 = 15 мм и ближайшей пропускной способностью kvs = 1,6 (м3/ч)/бар0,5.

По уравнению (3.10) уточняют потери давления на клапане

.

Этот же перепад давления следует поддерживать автоматическим регулятором перепада давления, т. е. .

Определяют требуемые потери давления на автоматическом регуляторе перепада давления

2,0 - (1,0 + 0,52) = 0,48 бар.

Проверяют клапаны на обеспечение бескавитационной и бесшумной работы.

Расчет и выбор перепускного клапана

Перепускной клапан открывается при превышении перепада давления между входным и выходным патрубком выше давления настройки. Расчёт перепускного клапана заключается в определении диапазона настройки и пропускной способности.

Перепускной клапан не может поддерживать постоянное давление между входным и выходным патрубком при изменяющемся расходе через него. Это означает, что клапан с давлением открытия в 0,2 бара - откроется при перепаде между входным и выходным патрубком в 0,2 бара, а при последующем увеличении давления и соответственно расхода - клапан откроется сильнее, но давление в месте его подключения уже превысит настроенное значение. Степень отклонения давления, при увеличении расхода, можно определить по графикам, приведенным в техническом описании перепускных клапанов.

Если по технологическому процессу необходимо точное подержание давления в месте установки перепускного клапана, следует применить регулятор перепада давления, открывающийся при увеличении давления настройки.

Выбор типоразмера осуществляется по диаграммам, приведенным в технических характеристиках перепускных клапанов, либо по их пропускной способности. Вышеприведенный алгоритм подбирает перепускной клапан по пропускной способности, но так, как производители некоторых моделей не указывают пропускную способность - её значение было получено расчётным путём. В любом случае подобранный типоразмер перепускного клапана следует проверить по диаграмме на соответствие исходным данным, при этом следует обратить внимание на давление открытия и давление соответствующее расчётному расходу.

Подбирая диапазон давлений перепускного клапана нет необходимости выбирать такой, при котором поддерживаемое давление будет находиться в средней трети, как это следовало бы сделать при подборе регулятора давления. Перепускные клапаны с одинаковой точностью поддерживают располагаемое давление независимо от близости давления настройки к краю регулируемого диапазона.

Выбор регулятора перепада температуры для установкинатрубопроводе

Регуляторы температуры прямого действия предназначены для поддержания температуры воды в бойлере или на выходе из теплообменника, либо температуры воздуха за калорифером на заданном уровне. Принцип их работы состоит в уменьшении проходного сечения клапана (закрывание) при повышении температуры.

Регуляторы АVTB и АVT применяют преимущественно в системах горячего водоснабжения. В зависимости от используемого датчика их могут устанавливать как на подающем, так и на обратном трубопроводе. Однако АVTВ 2060 °С необходимо всегда устанавливать только на обратном трубопроводе, чтобы температура датчика была выше температуры корпуса клапана.

Отличительная особенность АVT состоит в том, что термоэлемент является съемным и может быть установлен на любой регулирующий клапан VG2. Кроме того, посредством специальной соединительной детали, он может сочетаться в различных комбинациях для двухтемпературного регулирования, однотемпературного регулирования и обеспечения температурной безопасности термостатами STIL или STIW.

Рисунок

В основу работы регулятора температуры положен принцип объемного расширения. Например, при изменении температуры измеряемой среды регулятором АVTВ изменяется давление газа, которым заполнен чувствительный элемент 12 (датчик), и передается через капиллярную трубку в сильфонный узел 9. Сильфон в зависимости от давления газа в датчике либо удлиняется, либо укорачивается и, воздействуя на шток 5, перемещает затвор клапана 8. Затвор, в зависимости от положения, пропускает теплоноситель в большей, либо меньшей степени. Настройку регулятора на поддерживаемую температуру осуществляют вращением маховика 1, регулируя степень сжатия пружины 3. Силой давления пружины с одной стороны и давлением газа в сильфоне с другой стороны обеспечивают равновесное состояние затвора, соответствующее требуемой температуре. Диафрагмы 6 с обеих сторон штока разгружают клапан по давлению теплоносителя, облегчая регулирование объекта.

Датчик регулятора температуры 12 располагают в специальной гильзе. Гильзу устанавливают в трубопровод либо воздуховод навстречу потоку. Положение датчика как относительно вертикальной плоскости, так и относительно корпуса клапана следует принимать по рекомендациям производителя.

Датчик совместно с настроечным узлом образуют термоэлемент. Устанавливая жидкостные термоэлементы серии АFT на двухходовые и трехходовые регулирующие клапаны серии VFG, образовывают регуляторы температуры и ограничители температуры. При этом настроечный узел может быть как встроенным, так и выносным, а датчик - с погружной гильзой, либо без нее. В последнем случае значительно уменьшается инерционность отслеживания температуры (постоянная времени) - со 120 с до 20 с. Такой датчик выполнен с навив кой. Возможны также различные комбинации получаемых регуляторов с термостатами безопасности STFW и STFL для комплексного управления тепловыми процессами.

Некоторое конструктивное отличие имеет клапан ограничитель температуры возвращаемого теплоносителя FJV. Его устанавливают на обратном трубопроводе непосредственно в точке отслеживания температуры теплоносителя. Поэтому он выполнен без датчика 12. Теплота тепло носителя передается непосредственно на сильфонный узел и осуществляется регулирование. Применяют клапан ограничитель в системах централизованного теплоснабжения с постоянным температурным режимом после системы горячего водоснабжения и отопления для обеспечения оптимального температурного режима источника теплоты.



Рисунок

Поддержание требуемой температуры осуществляется в пределах зоны пропорциональности Хр. Если регулятор темпера туры настроен на 55 °С Хр = 9 °С, это означает, что клапан будет полностью от крыт при температуре ниже 55 - 9 = 46 °С, а полностью закрыт при 55 °С. В пределах Хр = 9 °С затвор переместится на полный ход штока. Для скоростных теплообменников регулятор в диапазоне 4 °С <Хр< 8 °С, для емкостных 6 °С <Хр< 14 °С.

Рисунок

Выбор регулятора перепада давления прямого действия

Автоматические регуляторы перепада давления - устройства, стабилизирующие располагаемое давление регулируемого участка на за данном уровне.

Регуляторы перепада давления имеют многообразное конструктивное исполнение, позволяющее применять их для любых проектных решений по стабилизации давления теплоносителя. Они могут быть с внутренней или наружной резьбой, с фланцами, с приварными патрубками. Выполнены с одной или несколькими импульсными трубками, присоединяемыми к корпусу регулятора или трубопроводу. Комплектуемые, при необходимости, охладителем импульса давления, устанавливаемым между штуцером отбора импульса давления и мембранной коробкой для охлаждения теплоносителя и уменьшения его деструктивного воздействия на мембрану. Со съемными приводами для увеличения разнообразных комбинаций с седельными клапанами либо со стационарными приводами. С вариантами подачи импульса давления в подмембранное либо надмембранное пространство в зависимости от конструктивных особенностей регулятора. С фиксированной настройкой перепада давления либо регулируемой. Применяемыми для поддержания перепада давления на регулируемом участке, регулирования давления до себя, либо после себя. И многое другое.

Каковы бы ни были конструктивные отличия регуляторов перепада давления все они основаны на одном принципе работы - начальном уравновешивании давления пружины настройки 10 и давления теплоносителя, передаваемого через гибкую диафрагму (мембрану) 7. Диафрагма - измерительный элемент. Она воспринимает импульсы давления с обеих сторон и сопоставляет их разницу с заданной величиной, устанавливаемой посредством соответствующего сжатия пружины рукояткой настройки 9. Каждому числу оборотов рукоятки настройки со ответствует автоматически поддерживаемый перепад давления. При наличии рассогласования образующаяся активация диафрагмы передается на шток 5 и перемещает затвор клапана 2 относительно регулирующего отверстия. Импульс давления попадает в подмембранное и надмембранное пространство, образуемое крышками 6 и 8, через перепускное отверстие 12 и штуцер 11.

«после себя»

Рисунок

Взаимодействие регулирующего клапана, например, регулятора теплового потока и автоматического регулятора перепада давления по казано на рис. 6.30. Основная суть их совместной работы заключается в том, что любые возмущения перепада давления в точках отбора импульса давления, создаваемые работой регулятора теплового потока, компенсируются создаваемым перепадом давления ДРv на клапане автоматического регулятора перепада давления. При этом заданный перепад давления на регуляторе остается постоянным и соответствует потерям давления на регулируемом участке ДР = const. Зона автоматически поддерживаемого перепада давления 5 заштрихована на графике в косую линию.

В пределах зоны 5 работает регулятор теплового потока. Сопротивление этой зоны равно сопротивлению регулируемого участка (кривая 7 без учета потерь давления в регуляторе температуры) и сопротивлению регулятора теплового потока, разложенного на активную и пассивную составляющие. Пассивную составляющую ДРvs определяют по максимальной пропускной способности kvs регулятора теплового потока и расчетному расходу теплоносителя VN. С учетом этой составляющей кривая 7 занимает положение кривой 8. Дальнейшее ее смещение может происходить только влево, например, в положение 9 за счет активной составляющей от перемещения штока регулятора теплового потока. Из верхнего графика следует, что через регулятор теплового потока ни при каких обстоятельствах не пройдет теплоноситель с бульшим расходом, чем VN, поскольку на регулируемом участке при максимально открытом регуляторе теплового потока кривая 8 никогда не сместится вправо.

Рисунок

Анализ устойчивости следящего привода

Блок-схема следящего привода приведена на следующем рисунке.

Проведем анализ устойчивости этой схемы.



Рисунок

Решение

Запишем передаточную функцию привода, которая будет иметь вид:

, (1.11)

где; ; .

Подставив значения в выражение (1.11), получим:

.

Откуда, путем математических преобразований, получаем передаточную функцию привода:

. (1.12)

1.2. Запишем передаточную функцию объекта регулирования, которая будет иметь вид:

, (1.13)

где ; .

Подставив значения и в выражение (1.13), получим:

.

Откуда, путем математических преобразований, получим передаточную функцию объекта регулирования:

. (1.14)

Построить частотные характеристики для привода, объекта регулирования и заданного ФАУ.

Построим АФЧХ привода.

Для этого в выражении (1.14) произведем замену и получим:

.

Разделим знаменатель на действительную и мнимую части, а числитель умножим на сопряженное знаменателю число:

.

Разделяя действительную и мнимую части , получим:

(1.15)

Подставим в формулу (1.15) и некоторые другие значения. Результаты заносим в табл.

Таблица

0 10 5 15	0,95 0 1,12 1 1,04	0 0 0,47 0,16 1,2	20 30 50 100 1	-0,2 -0,48 -0,16 -0,04 0,96	1,55 0,3 0,04 0,003 0,03

Используя табл.1.3. строим на комплексной плоскости АФЧХ привода



В логарифмическом масштабе строим ЛАЧХ и ЛФЧХ привода

Рисунок

Строим АФЧХ объекта регулирования

Все действия выполняются аналогично, как и для привода.

.

Путем математических преобразований получим:

. (1.16)

Подставляем в формулу (6) и некоторые другие значения. Результаты заносим в табл.1.4 .

Таблица

0 5 10	0,45 0 0,016 -0,004	0 0 0,123 0,02

Используя табл.1.4. строим на комплексной плоскости АФЧХ объекта управления:

Рисунок

Строим ЛАЧХ и ЛФЧХ объекта регулирования (см. следующую страницу).

Рисунок

Построим АФЧХ формирователя алгоритма управления (ФАУ)

.

Так как это звено является стандартным формирующим звеном первого порядка, то его АФЧХ имеет вид:



Рисунок

Строим ЛАЧХ и ЛФЧХ ФАУ

Рисунок

3. Для того, чтобы записать АФЧХ разомкнутой системы, необходимо перемножить передаточные функции ФАУ, привода и объекта регулирования, только без обратной связи:

.

Проведя математические преобразования, получим:

Производим замену в , в результате чего получим:

Произведя математические преобразования, получаем АФЧХ разомкнутой системы в виде действительной и комплексной частей:

Подставляем в эту формулу и некоторые другие значения. Результаты заносим в табл.1.5.

Таблица

0 1 4 10	0 0 0,02 0,7 2,28	0,1998 0 0,215 0,324 0,28

Строим АФЧХ разомкнутой системы на комплексной плоскости:

Строим ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы. Для этого достаточно графически просуммировать построенные ранее ЛАЧХ и ЛФЧХ привода, объекта регулирования и ФАУ. Результирующие ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы представлены после п.4 на следующей странице.



Рисунок

4. Запишем передаточную функцию замкнутой системы, которая будет выглядеть следующим образом:

.

Подставим из предыдущего пункта

Путем математических преобразований получаем передаточную функцию замкнутой системы

Рассмотрим систему при задающем воздействии и . Тогда исходная структурная схема примет вид, как показано на рис. 1,

а передаточная функция замкнутой системы по задающему воздействию, - в виде:

.

Определим выражение для передаточной функции замкнутой системы по ошибке. Поведение такой системы развивается только при задающем воздействии , а варьируемой величиной системы является ошибка (рис. 2). Тогда передаточная функция замкнутой системы по ошибке равна:

.



Рисунок

Характеристическое уравнение замкнутой системы привода А(р) в разомкнутом виде можно представить выражением:

,

.

Используя алгебраический критерий Гурвица, можно определить устойчивость системы по последнему

.

Так как а0>0, необходимо исследовать знак предпоследнего определителя

.

Подставив значения коэффициентов, можно получить условие устойчивости привода:

,

.

Для сохранения запаса устойчивости и надежности работы привода расчетные значения коэффициента Кр при проектировании уменьшают на 1 - 1,5%.

Синтез последовательного корректирующего устройстваследящего электропривода методом логарифмических частотных характеристик

Устройства, вводимые специально в контур регулирования для обеспечения требуемых динамических свойств следящего электропривода (СЭП), называют корректирующими устройствами (КУ). Широкое применение нашли разные методы коррекции: вязкое демпфирование, уменьшение нелинейности СЭП, изменение частотных характеристик СЭП. Для первого метода коррекции характерно введение в СЭП дополнительного момента вязкого трения, формируемого на валу двигателей специальными устройствами-демпферами (воздушными или электромагнитными). Основой второго метода является уменьшение нелинейности СЭП, связанной с наличием зазоров, момента трения в исполнительном механизме (ИМ), путем использования вибрации с большой частотой и малой амплитудой.

Коррекция приводов изменением частотных характеристик наиболее приемлема для СЭП. При этом методе сигнал управления содержит и погрешности сигналов, пропорциональных производным и интегралам от погрешности и возмущающих воздействий. Место включения КУ определяют в зависимости от формируемого закона управления. По этому признаку КУ подразделяют на последовательные, параллельные и корректирующие обратные связи (ОС), линейные и нелинейные. По виду частотных характеристик КУ делят на дифференцирующие, интегрирующие и интегро-дифференцирующие.

Если передаточную функцию, соответствующую желаемым характеристикам разомкнутой системы управления, обозначать Wж(p), передаточную функцию нескорректированной исходной части(располагаемой) -Wн(p), а регулятора последовательного типа -Wp(p), то можно записать уравнение:

, (1.17)

или, переходя к ЛАЧХ, можно получить:

. (1.18)

На основании (2) можно констатировать, что логарифмическая амплитудная характеристика (ЛАЧХ) регулятора может быть получена путем вычитания ЛАЧХ располагаемой части из ЛАЧХ желаемой. На основании вида Lm[Wp(j)] выбирают тип и параметры регулятора. Однако при построении ЛАЧХж следует учитывать исходные данные на проектирование СЭП. При единичном возмущении, если заданы показатели качества переходного процесса (время переходного процесса tп.п, перерегулирование ) построение ЛАЧХж осуществляется в следующем порядке:

Построение ЛАЧХж при единичном возмущении

1. На оси ординат(L()) определяют точку B с координатами 20lgKp и =1,с-1. Перемещают ЛАЧХн неизменяемой части по оси ординат до прохождения ее через точку B (рис. 1).

2. Выбирают тип среднечастотной части желаемой ЛАЧХж.

3. По заданным значениям tп.п и определяют частоту среза сжЛАЧХж.

4. Определяют частоты сопряжения 2 и 3. Через точку сж проводят асимптоту с наклоном -20дб/дек в частотном диапазоне 2 -3.

5. Построение высокочастотной части ЛАЧХж осуществляют в дальнейшем по аналогии с высокочастотной частью ЛАЧХн неизменяемой части СЭП.

6. Для сопряжения среднечастотной асимптоты ЛАЧХж с высокочастотной асимптотой из точки с ординатой, соответствующей частоте 3, проводят прямую с наклоном -40 дб/дек до пересечения с ЛАЧХн.

7. Сопряжение среднечастотной части асимптоты с низкочастотной ЛАЧХж выполняют построением прямой с наклоном -20, -40 или -60 дб/дек, выходящей из точки с ординатой на частоте 2 в соответствии с выбранным типом ЛАЧХж, и продолжают ее до пересечения с низкочастотной асимптотой при частоте 1.

8. В соответствии с ЛАЧХж затем строят желаемуюЛФЧХж.

9. По построеннымЛАЧХж и ЛФЧХж определяют запасы устойчивости СЭП.

При заданных гармоническом законе движения управляющего вала и частотных показателей качества желаемуюЛАЧХж строят в несколько ином порядке.

Построение ЛАЧХж при гармоническом воздействии

1. Выбирают тип ЛАЧХж.

2. Низкочастотную асимптоту сопряжения ЛАЧХж проводят через рабочую точку А (рис. 3.19) с координатами р и 20lg(0/г), где 0=н/р, р=н/н, р - рабочая частота изменения сигнала.

3. Если задано значение показателя колебательности М, то определяют границы среднечастотной асимптоты ЛАЧХж.

4. Определяют частоты сопряжения 2 по пересечению среднечастотной асимптоты (с наклоном -20дб/дек) и линии сопряжения ЛАЧХж с верхней границей зоны (т. А), 3 - с нижней границей зоны.

5. Перемещают ЛАЧХ неизменяемой части СЭП по оси ординат до сопряжения с типовой ЛАЧХж в точке, соответствующей частоте 1 и не ниже рабочей точки А. Последнее условие вытекает из необходимости обеспечения требуемой точности воспроизведения гармонического сигнала.

6. Для простоты технической реализации КУ за высокочастотную асимптоту ЛАЧХж принимают высокочастотную асимптоту ЛАЧХ неизменяемой части СЭП.

7. Строят ЛФЧХж привода и определяют запасы устойчивости.

Расчет номиналов RC-элементов реализуемого КУ производят исходя из вида полученной ЛАЧХ КУ, определения передаточной функции корректирующего контура в соответствии с рекомендациями по применению заранее известных контуров пассивного или активного типа на базе операционных усилителей(ОУ).

В дальнейшем спроектированный СЭП, кроме свойств устойчивости, должен быть проверен на соответствие и частотным показателям качества. Если в задании на проектирование нет особых указаний, то качество СЭП следует определить по виду переходного процесса, возникающего в системе при отработке возмущения по входу и нагрузке. Расчет переходных процессов производят с использованием программного пакета MаthCАD.

Моделирование следящего электропривода в MАTLАB

Для случая, когда постоянные времени сильно разняться целесообразно строить ПИ регулятор, который компенсировал бы большую постоянную времени объекта

(1.19)

Тогда передаточная функция разомкнутой системы будет равна:

(1.20)

Оптимум по модулю в такой системе достигается при , откуда находятся коэффициенты передачи пропорциональной и интегральной части регулятора.

(1.21)

Модель одноконтурной скоростной системы (файл DC_Mod_Reg1) показана на рис.1. Двигатель в модели представлен тремя звеньями (TrаnsferFcn, TrаnsferFcn1, кЕ). Момент нагрузки на двигатель моделируется двумя блоками (Step, 1/KM).Силовой регулятор представлен безинерционным звеном (Кср) с насыщением, которое определяется конечной величиной напряжения питания силового регулятора.



Модель одноконтурной скоростной системы постоянного тока

При параметры регулятора, рассчитанные по уравнению (5) будут равны , а переходные процессы в замкнутом скоростном контуре по току (моменту) и скорости при скачке входного сигнала в момент времени и скачке возмущающего сигнала (момента на валу ДПТ) в момент времени представлены характеристиками на рис.2.

В замкнутой системе процесс по возмущению апериодический при этом постоянная времени компенсации возмущающего сигнала приблизительно равна постоянной двигателя.

Для проверки правильности расчета параметров регулятора с реальным ШИП следует использовать модели силового регулятора, полученные ранее. На рис. 3 показаны переходные процессы по скорости в замкнутой системе с симметричным и несимметричным ШИП, коэффициент усиления которых приняты равными т.е. такими же, как в непрерывной модели.



Переходные процессы в одноконтурной скоростной системе постоянного тока при Т2>> Т1