Водоотливная установка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Подземный рудник «Молодёжный» Каратауского рудоуправления входит в состав ТОО Горхимкомбинат «Каратау» и осуществляет разработку месторождения фосфоритов Чулактау с июля 1964 года.

Средний приток по шахте с начала эксплуатации составляет 247,3 м³/ч. Средний водоприток за 10 месяцев 1981 года составляет 376,5 м³/ч.Основную опасность инфильтрации подземных вод представляет район главного ствола и рудопуска.

Величина водоотлива на рабочие горизонты рудника в летний период составляют 250 м³/ч, в зимний период 400 м³/час. Увеличение водопритока присходит в основном весной.

Максимальный водоприток наблюдался весной 1969 года и составил тогда 1200 м³/час. В соответствии с этим при проектировании водоотливной установки принят максимально возможный водоприток в количестве 1800 м³/ч.

В главной насосной горизонта 231 м установлено 7 насосов ЦНС-300/420. Для откачки воды на поверхность с горизонта 231 м проложены по главному стволу три става водоотливных труб диаметром 325мм. При нормальном водопритоке (до 400 м³/час) в работе находятся 2 насоса, в резерве - четыре, в ремонте один. В случая катастрофического водопритока предусматривается одновревременная работа шести насосов, по два на каждый став водоотливных труб.

К насосной примыкают 3 колодца - три всавывающих коллектора, сообщающиеся в тремя водосборниками. Общий полезный объем водосборников 450 м³: При таком уровне приточных вод остановку водоотлива недопустили по следующим причинам, может привести к затопление как одного, так и нескольких горизонтов, а следовалельно под водой может быть остаться горное аборудование, подстанции и другая аппаратура, приведение которой в рабочее состояние потребует больших капитальных затрат.

Целью разработки проекта являются повышение надежности и уровня автоматизации насосной станции, решение проблемы режима работы и открытие путей к наиболее экономическому и безопасному, а так же центролизованному режиму управления водоотливом.

1. Общая часть

1.1 Технико-экономическое обоснование необходимости проектной разработки

Водоотливная установка расположенная на горизонте 231 м, снабжена аппаратурой автоматического управления работой насосов, которой обеспечивает:

1. Пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборниках.

2. Очередность включения в водосборниках работе или отключении одного или нескольких агрегатов и сигнализационно о нарушениях в их работе непосредственно на пульт диспетчера шахты.

3. Контроль за режимом работы.

4. Остановку неисправного агрегата.

5. Гидравлическую и электрическую защиту.

6. Переключения с автоматического режима на ручное управления.

В ходе экспуатации аппаратуры КАВ с блоками УВО были выявлены сидующие недостатки.

1. Блоки УВО не эффективно работали совместно с насосами, временами наблюдались взаимные помехи при приеме передаче информации с диспетчерским пультом.

2. В недостаточной мере был рассчитан и сконструирован тракт фильтрации линии связи насосной станции с диспетчером, при переговоре с оператором насосной станции и диспетчером послушивалось высокочастотное периодическое потрескивание в телефонах от импульсов, вырабатываемых блоками УВО.

3. В процессе отработки определенного времени эксплуатации, собранная схема стала выдавать самопроизвольные команды и искаженные формы информации.

4. Громоздкость исполнения конструкции.

В диспетчерский пункт был проведен специальный кабель по стволу для осуществления сигнализаций и связи между диспетчером и насосными станциями.

В последные годы расходы на содержание водоотлива заметно возросли из-за использования старого оборудования, которое, как правило, часто выходит из строя.

Состояние плановых расходов рассмотрено в табл.1.

Результаты фактических затрат некоторых статьей расходов оказываются значительно выше плановых до 20%.

Показатели таблицы 1.1, а также ограниченность ресурсов финансирование ТОО Горхимкомбината, администрацией данного предприятия обсуждались вопросы по уменьшению затрат на водоотлив. В годе обсуждения этого вопроса были приняты следующие решения.

1. Расмотреть варианты или обновить полностью схему электрооборудования.

2. Найти возможность более эффективного использования трудовых ресурсов.

Таблица 1.1

	Статьи расходов	Тыс. тенге.
		Плановые	Фактические
1	Электроэнергия
2	Аммартизация
3	Основная зарплата
4	Дополнительная зарплата
5	Отчисление на соц.страховки а) пенсионный фонд б) соц. страхование
6	Мотор, топлива, электрооборудование и зап.части	330000	380580
7	Охрана труда и ТБ	120000	120000
8	Услуги сторонных оргониз.	189750	270360
9	Приобретение транспорта и средств оборуд	144600	149336
10	Затраты на кап. ремонт	150000	158394
11	Общезаводские расходы	35700	35085
12	Итого: без налога на добавочную стоимость (НДС) (без п2,3,4,5)	8400906	936610
13	НДС 90%	1500892	108351
14	С учётом НДС	9901798	1109600

Таблица.1.2

Наименование	разряд	кол-во	6 горизонт колич-во явки на смену	Средне месяч зарплата в тенге
			1 смена 12 чел	2 смена 12 чел
1. Оператор насосчик	4	5	1	1	16500
2. Дежурный электрик	4	5	1	1	16170
3. Электрослесарь	5	2	2	-	17680
4. Слесарь ремонтник	4	2	2	-	16160

Численность рабочих всего по водоотливу 14 человек.

Стоимость 1м³ воды без учёта зарплаты рабочих 11.00 тенге, с учётом НДС 12.54. Объём воды по притоку 32981410 м³/год.

Исходя из вышеуказанных пунктов, в протоколе расширенного технического Совета от 2007 года было принято решения: Получить работу над темой дипломного проекта: «Разработка системы автоматического управления электроприводом насосной станции главного водоотлива для условий рудника «Молодёжный » ГХТ «Каратау» г.Каратау. В протоколе оговаривается, что при проектировании САУ особо обратить внимание на надежность разработки.

Прежде чем производить расчёт экономического эффекта необходимо задать два основных параметра, обеспечение экономического эффекта от высвождения рабочей силы и др.показателей.

1. Уровень аватоматизации оборудования должно быть в пределах 90-100% работа оборудования при этом осуществляется самостоятельно при подаче питания.

2. Показатель надежности. Подробное описание приводится ниже.

Уровень автоматизации берем произвольно 100%. Произведём предварительный расчёт надежности, используя методику расчёта к нему в [4].

Под надежностью аппаратуры поднимается способность (или вероятность) безотказно выполнять заданные функции при установленных условиях эксплуатации в течении определённого времени.

В теории надежности различают два вида соединения элементов: последовательное и параллельное. Последовательным называют такое соеденение, при котором отказ в работе хотя бы одного элемента приводит к отказу всей аппаратуры. Параллельным соединением называют такое, при котором отказ в работе хотя бы одного, автоматическии резервирования осуществляется другим. В этом случае отказ аппаратуры наступает только при выходе из строя всех параллельно включённых элементов.

Как известно из теории вероятности, сумма вероятностей противоположных событий (безотказная работа и отказ) равна еденице, следовательно

P(t) + Q(t) = 1; (1.1)

где P(t) - вероятность исправной работы,

Q(t) -вероятность отказа.

Для предварительной оценки надежности проектируемой САУ зададимся следуюшими параметрами.

P_A - полная автоматизация системы (0,7 ч 0,8);

P_п - полуавтоматизированная система (0,8 ч 0,9);

P_p - ручное управление системы (0,9 ч 0,95).

Для проектируемой системы примем параллельную схему соединения, представленной на рисунке 1.



При этом вероятность безотказной работы аппаратуры при таком соединении элементов определится формулой:

В существующей системе действует следующая схема автоматизации, представленной на рисунке 1.2.

При этом вероятность безотказной работы определяется по формуле.

При сравнении показателей выходит

P_пар(t) > P_посл(t); (1.2)

0,998 > 0,72.

Внедрение надежной системы автоматического управления, как правило приводит к высвобождению рабочей силы. Для системы разрабативаемого проекта составим следующию таблицу 1.3, рассматривая таблицу 1.2.

Среднемесячный экономический эффект составит

Q_с/м = (N₁-N₁¹) C₁+(N₂-N₂¹) C₂+(N₃-N₃¹)C₃+(N₄-N₄¹) C₄ = (5-1)16560+(5-5)16170+(2-2) 17680+(2-2)16160 = 66240 тенге;

N_i - число работников до внедрения САУ.

N'_i -после внедрения САУ.

C -среднемесячная зарплата рабочего.

Предполагаемый среднегодовой экономический эффект

Q_с/г = 12 Q_с/м = 12 66240 = 794880 тенге.

Таблица 1.3

№	Наименование	разряд	количество	В горизонт кол. явки на смену	Средне-месячная зар. плата в тенге
				1 смена (12 час)	2 смена (12 час)
1	Оператор-насосчик	4	1	1	-	16560
2	Дежурный электрик	4	5	1	1	16170
3	Эл. слесарь ремонтник	5	2	2	-	17680
4	Слесарь-ремонтник	4	2	2	-	16160

В соответствии с этим при проектировании водоотливной устоновки принят максимально возможный водоприток в качестве 1800 м³/час.

Главная насосная горизонта 231 м. В насосной установлено 7 насосов ЦНС-300/420 Для откачки воды поверхность с горизонта 231 м проложены по главному стволу три става водоотливных труб диаметром 325 мм. При нормальном водопритоке (до 400 м³/час) в работе находятся два насоса в резерве - четыре, в ремонте один. В случае катострофического водопритока предуматривается одновременная работа шести насосов, по два на каждый став водоотливных труб.

К насосной примыкают три колодца - три всасывающих коллектора, сообщающиеся с тремя водосборниками.

Общий полуный объем водосборника 4500 м³.

1.2 Краткая характеристика предприятия

Рудник «Молодёжный» осуществляет разработку месторождения фосфоритов Чулактау и введен в эксплуатацию в июле 1964 года на мощность 800 тыс. тонн валовой фосфоритной руды в год.

В 1987, 1988 годах Жанатасской ГРЭ было произведено разведка глубоких горизонтов месторождения с целью обеспечения рудника ресурсами сырья для дальнейшей разработки. Протоколом ГКЗ №2395-к от 28 декабря 1989 года были утверждены запасы в объёме 44,1 млн.тонн.

Основной потребитель сырья объединение НОД ФОС г.Тараз.

Средний водоприток за 10 месяцев года составляет 376,5 м³/час. Основную опасность инфильтрации подземных вод представляет район главного ствола и рудоспуска. Средний приток по шахте с начала эксплуатации составляет 247,3 м³/час.

Величина водоотлива на рабочие горизонты рудника в летний и зимний периоды составляет 250 - 400м³/час.

Увеличение водопритока происходит в основном весной. Максимальный водоприток наблюдался весной 1969года и составил тогда 1200м³/час.

Электроснабжение.

Электроснабжение основных объектов рудника производится с главной горизонтальной подстанции ГПП-110/35/6кВ двумя кабельными линиями, питающими две секции системы шин поверхностей подстанции ТП-5, расположенной в районе вспомогательного ствола и ТП-2, расположенной в районе главного ствола.

С подстанции ТП-5питаются:

1. Вентиляторы главного проветривания шахты, мощность электродвигателей составляет 1000 кВт.

2. Подземная машина вспомогательного ствола 25м-3000-1530, мощность двигателя 240 кВт, 6кВ.

3. Вторая секция ЦПП гор 311м.

4. Конденсаторная установка на 450 кВт.

5. Участковые подстанции гор +371м.

6. Силовой трансформатор собственных нужд мощностью 180кВА.

С подстанции ТП-2 питаются:

1. Клетьевая подземная установка типа ЦР-1-4/-0,85 мощность двигателя-300кВт,6кВ.

2. Скиповая подземная машина 3ц-4 1,8,мощность двигателя 630кВт,6кВ.

3. Трансформаторы собственных нужд 1000кВА,630кВ.

4. ЦПП (первая секция)гор.311м.

5. ЦПП (первая секция)гор.251м.

6. Участковая подстанция механических мастерских мощностью 150кВт.

Электроснабжение горных выработок осуществляется от:

1. Участковой передвижной подстанции ВПШ (19 заезд) гор. 371м, мощностью 250 кВА.

2. Тяговой подстанции ВПШ гор 371м (15 заезд) мощностью 200 кВт.

3. АТП-500-2шт, мощностью 400кВт.

4. Электроснабжение низковольтных потребителей главного (ствола) квершлага гор. 371м осуществляется с п/станции ЦПП гор. 311.

От подстанции ТП-2 по одному кабелю 6кВ,проложенному по главному стволу, подаётся питание в ЦПП гор.311м,по второму кабелю питание подается в ЦПП гор.251м. Кроме того на ЦПП гор. 311 м. имеется кабельный ввод 6 кВ через вспомогательный ствол п/станции ТП-5,а по ЦПП гор. 251 м. второй кабельный ввод 6кВ,с ЦПП гор. 311 м.

Системы шин на ЦПП гор. 311 м. и ЦПП гор. 251 м в случае выхода из строя одного из вводов могут секционироваться.

С ЦПП гор. 311 м.питаются:

1. Тяговые подстанции «Центр», «Запад»,мощностью 520 кВА.

2. Участковые подстанции «Восток», «Запад» и ВПШ-13 заезд, мощностью 720кВА.

3. Силовые трансформаторы собственных нужд, мощностью 360кВА.

С ЦПП гор. 251 м. питаются:

1. Две секции подстанции гор231м.

2. Участковые подстанции ВПШ и ЗПШ мощностью 320кВА.

3. Тяговые подстанции ВПШ и ЗПШ мощностью 320кВА.

4. АТП-500 мощностью 160кВА.

5. Трансформаторы собственных нужд мощностью 320кВА.

С подстанции гор.231м.питаются:

1) Насосы главного водоотлива типа НС-300-360,мощностью двигателя 3500 кВт (7шт по 500 кВт).

2) Силовые трансформаторы собственных нужд мощностью 350кВА.

По мере движения подвижных горных работ (отработки блоков)участковые подстанции на флангах гор.311м. и 251м. передвигаются через каждые 600-700м.

Мощность ГПП-110/35/6кВ в полые обеспечивает работу установленной мощности цехов промплощадки, в том числе и рудника «Молодёжный». Согласно расчётов и удельных норм по видам продукции годовая потребность в электроэнергии составляет 17606823 кВт/час.

Расчёт потребности электроэнергии по руднику «Молодёжный» на 2007 год.

Таблица 1.4

Вид работ	Един измер	Объём	Удельная норма расхода на.ед объёма	Потребность эл.энергии вкВт/час
Добыча руды Проходящие работы	Тонн	396000	42-56	16856161
ГПР РНР ЭРР Всего	м3 м3 м3	7946 3677 2642	16,7 24,6 14,8	132507,1 90425,7 39209,3 17118303,1

Для питания электроприёмников приняты следующие существующие на руднике напряжения:

- 6000 В - для подвода электроэнергии к ЦПП, распределительным пунктам и подстанциям и для питания двигателей насосов главного водоотлива.

- 380 В - для питания силовых электроприёмников и собственных нужд центральной подземной подстанции.

- 275 В постоянного тока - для питания контактной сети электровозного транспорта.

- 220В - для питания стационарного люминицентного освещения.

- 127 В - для питания стационарного освещения лампами накаливания.

- 36 В - для питания переносного освещения на офисных и подготовительных работах.

От ЦПП по радиальным, кабельным линиям 6 кВ получают питание высоковольтные электрические двигатели насосов главного водоотлива, трансформаторная подстанция ТП-1 дробильного комплекса и усредительных бункеров, три тяговые подстанции гор. 371м., а также линии с распределительным пунктом 6кВ,очистных и подготовительных работ-РП-1 и РП-2 от которых питаются передвижные трансформаторные подстанции Т-1,Т-2,и Т-3.

Релейная защита.

Защита в высоковольтных камерах ЦПП принята по типовым схемам вторичных соединений комплектных шкафов КРУ-2-6Э.

- на секционном выключателе предусматривается установка максимальной токовой защиты легновенного действия, которая вводится на время работы АВР.АВР работает при исчезновении напряжения на любой секции ищи, действия АВР однократное.

- на отходящих линиях и линиях трансформаторам предусматривается максимальная токовая защита от однофазных замыкании на землю с действием на отключения.

- на линиях к высоковольтным электродвигателям предусматривается токовая отсечка, защита от замыкании на землю, защита от перегрузки и защита максимального напряжения.

На всех ячейках РВД-6 предусматривается максимальная токовая защита без выдержки времени и защита максимального напряжения.

Контроль изоляции в сетях низкого напряжения предусматривается с помощью реле УАКИ.

На ячейках РВД-6 предусматривается (максимальная токовая защита без выдержки времени и защита)защита от включения в сеть, имеющую сопротивления изоляции относительно земли мени80 ком.

Автоматическое управление работой насосов.

Водоотливная установка, расположенная на горизонте 231 м, снабжена аппаратурой автоматического управления работой насосов, которая обеспечивает.

1. Пуск и остановку насосов в зависимости от уровня воды в водосборниках.

2. Очередность включения в работе или отключения одного или нескольких агрегатов и непосредственно на пульт диспетчера шахты.

3. Контроль за режимом работы.

4. Остановка неисправного агрегата.

5. Гидравлическую и электрическую защиты.

6. Переключение с автоматического режима на ручное управление.

Весь водоприток верхних горизонтов через водопропускные восстающее сбрасывается в водосборники горизонта 231 м.

Для защиты насосной камеры главного водоотлива от затопления в ней имеется зумпф, над которым установлены два дренажных насоса марки 3х9 производительностью 30м³/час и напором 24метра,качающие воду в водосборники.

Для автоматизации насосов главного водоотлива принято аппаратура автоматизации УАВ завода «Красный металлист».

Аппаратура УАВ выполнена по блокному принципу. В общем блоке насосов сосредоточены реле уровня. Сигналы верхнего повешенного и аварийного уровней поступают потрем проводам в блоки насосов.

От реле верхнего уровня получают импульс на включение те блоки насосов, которые при помощи универсального переключателя подключены к датчику верхнего уровня. В каждом блоке насоса основные функции выполняёт программное устройство.

Выключение насосного агрегата начинается после изчедновения сигнала нижнего уровня. Электрическая схема построена так, что сначала закрывается задвижка, затем отключается электродвигатель насоса.

В случае неисправности насосного агрегата (перегрев подшипников, потеря производительности) он автоматический отключается независимо от сигнала нижнего уровня. При этом диспетчеру передается сигнал неисправности и выключается резервный насос.

Сигнализация осуществляется по двум жилам телефонного кабеля. Метод разделения сигналов частотный (14, 20 и 26 кГц). В аппаратуре применено ручное программирование работы насосных агрегатов. Для автоматизации работы дреноменых насосов принято аппаратура АВО-3.

1.3 Обоснование технического задания и постановка задачи проектирования

Итак необходимость разработки системы автоматической стабилизации уровня приточных вод для условии рудника «Молодёжный» ТОО Горхимкомбинат «Каратау» объясняется потерями показателей надежности используемого на водоотливе электрооборудования, а также увеличением затрат на обслуживание и ремонт оборудования.

Предпосилкой к разработке указанного проекта послужила так же незаменяемость элементов электрооборудования автоматизации насосной станций.

Проведенный анализ существующих схем автоматизации показал, что применение других систем автоматизации нецелесообразно по различным причинам.

Так как шахтный водоотлив относится к потребителям 1 категории, остановка которых может ковлечь за собой огромные экономические потери, повышение надежности и уровня автоматизации является основной целью данной разработки.

Исходя из вышеизложенного, а так же решением расширенного Технического Совета от 2007 г мне было поручена работа над темой дипломного проекта: Разработка системы автоматического управления электроприводом насосной станции главного водоотлива для условий рудника «Молодёжный» ГКХ «Каратау» г. Каратау.

2. Специальная часть

2.1 Проектирование и расчёт системы управления насосной станции

Чтобы проектируемая система была устойчивой, необходимо сначала произвести соответствующие расчёты по автоматизации. Для этого по блочно - функциональной схеме составляют структурно-динамическую схему автоматизации системы. Предварительно определяют всё необходимые коэффициенты и постоянные времени сигналов передачи от датчиков, преобразователей, усилителей цифровых устройств, релейной схемы, а так же исполнительных органов.

На месте представлена развернувшая структурно-динамическая схема системы автоматического управления насосной станцией из этой схемы было составлено структурная схема преобразованная для произведения расчёта САУ, которая представлено на 1 листе.

2.1.1 Статический расчёт системы

Из структорной схемы выведены следующие основные передаточные функций.

1. W _РУ (P) = F- _РУ = 1.05 - реле уровня. (2.1)

2. Часового таймера представленного в виде реального интегррующего звена.

(2.2)

3. Кольцевого регистра, представленного в виде идеального интегрирующего звена.

W_кр (Р) = (2.3)

4. Системы управления исполнительными механизмами, представляющее собой пропорциональное звено.

W_сумм (Р) = r_сумм = 1,15; (2.4)

5. Реле управления исполнительным механизмом, представляющим собой апериодическое звено:

W_руим (Р) = (2.5)

6. Исполнительного механизма, представляющую собой апериодическое звено (в кол.7 штук)

(2.6)

7. Схемы управления системой автоматического пуска.

W_су1 (Р) и W_су2 (Р)

W_су1 (Р) = r_су1 = 3,25;

(2.7)

8. Схемы управления насосным агрегатом, представленной в виде

W_суна (Р) = r_суна ( Т_суна р - 1 ) = 1,22 ( 0,5 р - 1 ) (2.8)

9. Реле управления насосом представленного в виде апериодического звено.

(2.9)

10. Электродвигателей насосов в количестве 7 штук.

(2.10)

11. Насосных агрегатов, в количестве 7 штук.

; (2.11)

12. Датчиков расхода воды в трубопроводе

; (2.12)

13. Датчиков температуры в количестве 7 штук, используемые для измерения температуры статорной обмотки двигателя.

(2.13)

Определим общую передаточную функцую разомкнутой системы;

W _раз(P) = W _ру (P) · {W_чт(P) · W_кр(P) · W_суим (Р) · W_руим (Р) (2.14)

[W_ам101(Р)+W_{ам 102}(Р) +..... +W_им107 (Р)] +W_су1 (Р) W_су2 (Р) W_рун (Р) [W_м1 (Р)+W_м2(Р)+....+W_м +(Р)]} [W_м1(Р)+W_м2(P)+W_м2 (Р)+.....W_м+(P)] (2.15)

(2.16)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Передаточная функция замкнутой системы имеет вид:

(2.21)

Вся данные, вычисленные из формулы W_з(g щ), заносим в таблицу, где указываются вещественные и мнимые точки от передаточной функции.

Таблица 2.1

щ	0	5	10	15	20	30	50	80	100
Р(щ)	48	47,7	46,3	43,4	33,1	-16	-14	-8	-6
Q(щ)	0	0,45	18,6	22,7	26,8	0,27	-9,7	22,7	-25

C₁= (2.22)

К= (2.23)

W₁ = =7.1 сек^-1 (2.24)

W₂ = = 2 сек^-1 (2.25)

W₃= = 25 сек^-1 (2.26)

Lg W₁ = Lg 7,1 = 0,85дек

Lg W₂ = Lg 2 = 0,3дек

Lg W₃ = Lg 25 = 1,3дек (2.27)

(2.28)

при 5м =30% Р_max = 1,4 (2.29)

Р_min = 1-P_max = 1 - 1,4 = -0,4 (2.30)

L ₁= 10 gi, L ₂ = -10.5дб (2.31)

(2.32)

где постоянные времени Т₁ и Т₂

Т₁ = = = 0,14 с; (2.33)

Т₂ = = 0.5 с; (2.34)

Таблица 2.2

щ

1

5

10

15

20

30

50

80

100

120

150

200

г1(щ)

3709/

3409/

5404/

6403/

70034/

7606/

8108/

8408/

8509/

8605/

8702/

87095/

г2(щ)

2605/

6801/

7809/

8204/

84028/

86018/

8707/

88085/

8900/

8902/

8902/

8904/

г3(щ)

14086/

133015/

146093/

154080/

16207/

168056/

173045/

1850

1750

17601/

133015/

17702/

Таблица 2.3

щ	1	5	10	15	20	30	50	80	100	120	150	200
L4(щ)	320	1460	1330	1460	1540	1620	1680	1730	1850	1750	1760	1780
L(щ)	10,5	9	8	6	4	2	0	-2	-4	-6	-9	-10,5
i(щ)	0,8	1,3	1,25	1,45	1,35	2	0,8	-2	-1,6	-0,9	-0,6	-0,4

Таблица 2.4

V трапеции	щd, с-1	щ0, с-1		р(щ)
I	32	80	0,4	2
II	80	150	0,5	-2
III	130	210	0,6	-0,6

Трапеция 1.

y₁ (t) = L (ф) P (щ), где t = ; х₇=0,4; Р (щ): (2.35)

Таблица 2.5

ф	h(ф)	t	h(t)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25	0,0 0,432 1,013 1,107 1,122 1,068 1,023 0,995 0,992 0,993 0,998 0,985 1,005 1,008 1,006 1,005 1,004 1,003 1,002 1,000 1,004 1,002 1,093 1,002 1,000 1,000	0,0125 0,025 0,0375 0,050 0,625 0,075 0,875 0,100 0,1125 0,125 0,1625 0,1875 0,200 0,225 0,2375 0,2375 0,2500 0,2625 0,275 0,2875 0,3000 0,3125 0,3125 0,275 0,2875 0,3000	0,0 0,864 1,57 2,026 2,144 2,224 2,136 2,046 1,99 1,984 1,986 1,97 1,97 1,982 1,996 1,996 2,010 2,016 2,012 2,010 2,008 2,008 2,006 2,004 2,000 1,994

Трапеция II.

у₂ (t) = h (t) P (щ) (2.36)

t = ; x=05 P (щ) = -2

Таблица 2.6

ф	L t	t	y2(t)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25	0,461 0,833 1,061 1,142 1,118 1,051 0,993 0,996 0,970 0,982 0,993 0,997 0,997 1,000 1,005 1,011 1,012 1,008 1,001 0,996 0,995 0,998 1,000 1,000 1,000 1,000	0,006 0,013 0,2 0,026 0,033 0,04 0,046 0,053 0,06 0,066 0,073 0,08 0,086 0,093 0,1 0,106 0,113 0,120 0,126 0,113 0,140 0,146 0,153 0,160 0,160 0,146	-0,922 -1,666 -2,122 -2,284 -2,236 -2,102 -1,862 -1,932 -1,964 -1,866 -1,994 -2,00 -2,022 -2,024 -2,016 -2,002 -1,992 -1,99 -1,992 -1,99 -1,992 -1,996 -2,00 -2,00 -2,00 -2,00

Трапеция III.

у₃ (t) = r (t) P (щ) (2.36)

t = ; x = 0.6; P (щ) = -0.6 (2.37)

Таблица 2.7

ф	h(ф)	t	у2(t)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25	0,490 0,878 1,158 1,107 1,021 0,957 0,941 0,961 0,993 1,014 1,019 1,014 1,008 1,002 1,001 0,999 0,997 0,993 0,992 0,907 1,000 1,006 1,008 1,004 1,000 1,000	0,0125 0,025 0,0375 0,050 0,625 0,075 0,875 0,100 0,1125 0,125 0,1625 0,1875 0,200 0,225 0,2375 0,2375 0,2500 0,2625 0,275 0,2875 0,3000 0,3125 0,3125 0,275 0,2875 0,3000	0,294 0,526 0,660 0,694 0,664 0,012 0,577 0,576 0,595 0,6084 0,6114 0,6084 0,6048 0,6012 0,6006 0,5994 0,5982 0,5958 0,5982 0,5982 0,800 0,6036 0,6048 0,6024 0,6018 0,600

y (0.02) =1.57-2.12-0.66=0.11

y (0.03) =2.02-2.13-0.57 = 0.36

y (0.05) =2.21-1.93-0.60 = 0.9

y (0.06) =2.22-1.94-0.60 = 0.88

y (0.07) =2.13-1.86-0.60 = 0.87

y (0.08) =2-1.9-0.59 = 0.49

y (0.10) =1.99-2.02-0.60 = 0.57

y (0.12) =1.9-2.02-0.604 = 0.48

y (0.13) =1.98-2.02-0.6 = 0.56

ф_n < ф_M, t_n < t_M

t_M < t_n;

t_M = 0,3с, (по условию)

t_n = 0,12с (по графику)

0,3 > 0,12

(2.38)

По условию д_т = 40%,

д_т = 35%,

40% > 35%;

2.1.2 Проектирование и выбор основных узлов и элементов принимаемой электрической схемы разработываемой САУ

Прежде чем проектировать принципиальную электрическую схему, необходимо сначала иметь данные о входных параметрах и ввести необходимые параметры воздействия.В рассматриваемой системе используется следующие техническая средства управления:

1. Датчики - реле уровня, сигнализирующие и показывающие уровень воды в водосборнике, работающий по принципу электродной системы (нестандартный узел).

2. Датчики расхода (давления) воды имеющимся по месту установки на трубопроводе нагнетания и коллектора насосной станций, выходной сигнал стандартного значения 0ч5 мА.и 0ч10В.

3. Датчики температуры двигателя насоса ТДП, выходной сигнал токового значения 4ч20 мА.

4. Исполнительные механизмы из серий МЭМ. В них встроены концевые выключатели конечных положений. Они находятся во всасивающих и нагнетательных, а также в трубопроводах. Линия передачи воды и в резервных промежуточных соединениях. Для контроля положения конечного хода вала исполнительного механизма используем встроенные в них концовке включатели как выходной параметр позиционного значения. Выходные сигналы, вырабатываемые проектируемой системой, идущие на воздействие (пуск, стоп, открыть, закрыть) принимаем позиционного значения импульсного характера производящее, дублирующие действие ручного управления.

Связь насосный станций с диспетчером пультом будет осуществляться по двухпроводной линий через коаксиальный кабель на высокой частоте.

2.1.3 Проектирование схемы микропроцессорного блока управления МБУ

Модуль МБУ укомплектован следующими основными узлами: реле уровня, часовым таймером, восьмиканальным АЦП, программным блоком управления. Реле уровня имеет три входных позиционных устройства электродных датчиков уровня. От них задействованы реле Р₁ - Р₃, каждый из которых контролирует свой уровень воды в водосборнике. Контакты реле коммутируют на вход ПЗУ (постоянного запоминающего устройства) АО-А_2.Для повышения надежности системы в этот узел встроена схема самоконтроля датчика-реле уровня. При неправильности действия одного из реле Р₁-Р₃ ПЗУ РР₁вырабатывает сигнал ошибки в косвенном порядке на выход, РО-Р₂не влияющий на САУ как аварий? Ноль режиме, ана выходам Д₄-Д₆ сигналы соответственно идут на триггеры ДД₂ - ДД₃,которые выдают на светодиоды НL1-HL3 сигналы о неисправности датчика.

Восьмиканальный АЦП (Аналогово-цифровой преобразователь) имеет восемь аналоговых входов. Выход с блока АЦП осуществляется восьмиразрядным кодом. В блоке АЦП типа КМ572 ПВ132.Опрос на каждый вход АО-А₇осуществляется отдельно мультиплексорам встроённым в ДД₁.Модуль опрашиваемого входа вырабатывается счётчиками - делителями частоты ДД₂-ДД₃. Часовой таймер служит для контроля значения действительного времени (узел стандартного значения). Электронными ключами КW1-KW6 имитируется программа запускающего таймер. Назначение таймера - определение времени режимов уровня воды в водосборнике. Дополнительно, он контролирует время перехода пусковых процессов и исполнительных механизмов. Программный блок управления состоит из микропроцессорного комплекта серии К1801, микросхемы которого изготовляются по n - МДП - технологии, предназначен для построения широкого класса микроконтроллеров, микро-ЭВМ, управляющих микропроцессорных систем. Высокая функциональная мощность, сравнительное высокое быстродействие при умеренной потребляемой мощности, совместимость по системе команд с самыми массовыми в стране микро ЭВМ семейства, электроника обеспечивает МПК серии К1801практический неограниченные области применения. В состав серии 1801 входят микросхемы однокристальных микропроцессоров, способных вести обработку 16 разрядных операндов, периферийных контроллеров, созданных на основе газового матричного кристалла серии К1801ВМ1К микросхемы ПЗУ. Общие для всех микросхем комплекта предельно- допустимые значения электрических параметров: Напряжение питания И_сс-4,75:5,25 В.Максимальное входное напряжение И_ч max=5.25В.Минимальное входное напряжение И_ч.min =(-0.5)В. Выходной ток низкого уровня I_ch=3.2мА. Выходной ток высокого уровня I_он=(-1.0)мА. Емкость нагрузки С₁=100пф. Температура окружающей среды I = (-10):+70⁰С. Микросхемы К1801 ВМ 1-однокристальный 16-разрядный микропроцессор ОМП предназначен для обработки цифровой информаций в системах управления технологическими процессами, в контрольно - измерительной аппаратуре и системах связи, а также решение в составе ЭВМ инженерно-технических и экономических задач.В состав микросхемы входят следующие основные функциональные блока, объединённые информационно - управляющими связями: 16разрядный операционный блок выполняющий операций формирования адресов команд и отрядов, логические и арифметические хранения результатов: - Блок микропрограммного управления, вырабативающий последовательность микрокоманд на основе кода принятой команды. В нём закодирован полный набор микрокоманд для всех типов команд: - блок прерываний, организующий приоритетную систему прерываний. ОМП выполняет приём и передачу внешних и внутренних запросов на прерывание впислительного процесса - интерфейсивный блок, выполняющий обмен информаций между ОМН и усройствами, расположенными на системной магистрали. Осуществляет арбитраж при операциях прямого доступа и памяти. В интерфейсном блоке формируется последовательность управляющих сигналов системной магистрали-Блок системной магистали связывающий внутренюю память ОМП с внешней - схемы тактирования, обеспечивающая синхронизацию внутренних блоков. Основные параметры К180ВМ1:Разрядность - 16двоиных разрядов. Представление чисел - дополнительный код с фиксированной запятой. Система команд - безадресная, двухадресная, одноадресная. Виды адресаций - регистрирован, косвеннорегистриван, автомикрементная: число регистров общего назначения (РОН)-8. Число линии запросов на прерывания - 4.Системная магистраль - типа КСПИ с совмещенными шинами для передачи. Адресное пространство-64 кБайт.Тактовая частота - от 100 кГц до 5 мГц. Максимальное быстродействие - до 500тыс.опер/с. Потребляемая мощность - до 1.2Вт. Сигналы АДО-АД 15 определяют адреса и данные, которые передаются по совмещенной линии системной магистрали. Группы сигналов SYNC, DIN, DOUT, WTBT, RPLY управляют передачей информаций по системной магистрали.

Сигнал SINS,вырабатываемой процессором означает, что адрес находится на выводах системной магистрали, Этот сигнал сохраняет активный уровень до окончания текущего обмена информаций.

Сигналы RPKY означает, что данные приняты или установились на информационных выводах. Этот сигнал вырабатывается пассивным устройствам в ответ на сигналы DIN и DOUN. Сигнал DIN предназначен для организаций двух процедур обмена информаций по магистрали.

-ввода данных - ОМП вырабатывает DIN во время действия сигнала, когда от готов принять данные от пассивного (интереса) устройства:

-ввода адресов вектора прерывания - сигнал DIN вырабатывается совместно с сигналом IAKO при пассивном сигнале SINC.

Сигнал DOUN означает, что данные выдаваемые ОМП, установлены на выводах системной магистрали. Сигнал WTBT предназначен для организаций двух процедур обмена информаций:

- вырабатывается в адресной части цикла для указаний о том, что далее следует вывод данных (слова или байта).

-формируется при выводе данных из ОМП для указания о выводе байта.

Сигнал VIRQ вырабатывается внешним устройством для информаций ОМП о том,что оно готово передавать адрес вектора прерывании.В ответ на этот сигнал (если прерывание разрешено) ОМП вырабатывает сигнал DIN и IAKO.

Сигнал IRQ 1 определяет положение внешнего переключателя «Программа - пульт».

Этот сигнал переводит ОМП в состояние,аналогичное состоянию после выполнение команды HALT.Сигналы IRQ 2 и IRQ 3 вызывают прерывание программы, выполняемой процессором по фиксированным адресом. Прерывание происходит при переходе сигналов из высокого уровня в низкий. Сигнал IAKO OMП вырабатывается в ответ на внешний сигнал VIRQ.Этот сигнал является выходным для ОМП и входным для первого устройства,подключенного к системой магистрали (электрический ближе распороженного к ОМП, и следовательно, имеющего более высокой приоритет. Если это устройства не требовала превовании / не установливало сигнал VIRO), то оно транслирует сигнал IAKO к следующему устройству. Устройства, требующее прерывание ОМП, запрещает распростронение этого сигнала. Сигнал IAKO обеспечивает их поочередный опрос различный приоритёт обслуживания. Сигнал DMR вырабатывает внешнее, активное устройства требующее передачи ему системной магистрали. Сигнал DMGO процессор устанавливает в ответ на внешний сигнал DMR.

2.2 Электротехнический расчёт

Подбор элементов принципиальной схемы как правило осуществляется исходя из расчётов. При расчёте и выборе элементов необходимо учитывать следующее правило: выбор элемента производится по расчётным данным с запасом, то есть параметры элемента должны быть больше расчётных значений.

2.2.1 Расчёт элементов микропроцессорного блока управления МБУ

Расчёт стабилизаторной схемы встроенного в схеме часового таймере.

Исходные данные к расчёту:

Ток наугрузки У_н = 180мА.

Напряжение нагрузки U_н = 9В.

Входное напряжение U_с=27В.

Допустимая нестабильность напяжения на нагрузке U_н= 0.1%:

Допустимое напряжение пульсаций (в размах)

U_нс = 0.2%.

Находим коэффицент стабилизаций.

K_ст= (2.39)

Находим входное соправтивление стабилизатора R_вых с учётом того, что так наугрузки может изменяться от I_н = 0 до максимального значения.

R_вых = (2.40)

Диапазон рабочих температур.

I _min= + 10⁰C; I _max= + 50⁰C;

I _ном= + 20⁰C;

Допустимое изменения выходного напряжение при изменений температурны на

 T = I_max- I_min;

T = 50 - 10 = 40⁰C (2.41)

По известным U_вхmax и Y_вхmax выбираем транзистор КТ 817 ГС параметрами

U_кэ=40B, P_А=30Bт, I_кmax=3A, B=30-60;

Учитывая, что максимальная рассеиваемая мощность меньше паспортной, необходимости применения радиатора не составляет.

По входному напряжению принимаем из [4] операционный усилитель ДА2К140УД8

В схеме ДА2 используется последовательная отрицательная связь по напряжению обратной связи U_ос, пропорциональному выходному одному напряжению U_вых, включено встречно усиливаемому сигналу Е_r:

Коэффициент усиления определим по формуле

K_у = (2.42)

Входное сопративление для схемы с последовательной ООС по напряжению R_вх

R_вх = R_вх.оа (1+К_ОА · ж),

где ж = (2.43)

Выходное сопративления.

R_вых = (2.44)

Выберем стабилитрон марки Д816 ГС параметрами U_ст = 1.31В,

I_{ст max}= 150мА:

I_cтmin = 3.0мА.

Определим сопротивление R₁₂.

R₁₂= (2.45)

Стандартное значения R₁₂=240 Ом.

Расчёт элементов схемы блока управления насосом. Расчёт усилителя сигналов УС7-УС8. В схеме операционного усилителя ДА 1 применена последовательная отрицательная обратная связь по току, напряжение обратной связи Uоб.с, пропорциональное выходному току I_вых, включено усиливаемому сигналу Е_n ;

Естественным усилительным параметром такой схемы является крутизна усиления.

S_у =

Однако более привычным и удобным является коэффициент усиления по напряжению

K_у = (2.46)

Коэффициент усиления по напряжению находится по формуле.

K = R₄/R₁ = =43; (2.47)

Входное соправление

R_вых = (R_вых A₁ + R₁) [1+K A₁+R₁/(R₄+R₁)] = (100+100)[1+50 10³ 100/(4300+100)]=2,30 кОм.

Выбираем ОУ типа к 1408 УД 1с папаметрами:

К_у=100000, U_см=5мВ, R_вх= 2,7

I_вх=0,02, U_выхmax=28B, R_нmin= 5 кОм.

Находим обратный ток диодов

VD7, VD8, используя выражения;

I₀= (2.48)

Чтобы определить дифференциальное сопротивление при U=0,2B, надо найти его проходной ток.

I=8.9 10^-6 ( ) = 17,886 мА

при этом r_диф = (2.49)

Выбираем диоды типа KD510 A с параметрами;

U_об=50B, I_пр=55мА.При напряжений U=+0.3B

Через диоды VD5 и VD6 течёт ток 60мА, следовательно его сопративление постоянному току равно:

R₀= = 5,0 Ом. (2.50)

В этот же точке ВАХ дифференциальное сопративление диодов определяется наклоном характеристики и может быть получено.

r_див = = 0,625 ОМ: (2.51)

при напряжений U = -10В получим

R₀= (2.52)

Средний наклон характеристики в области смещения определяется

r_обр = = 10⁶ Ом. (2.53)

Расчёт блока реле БР1, состоящих из ключевых реле КР1- КР10.

Определим коэффициент усиления по напряжению ДА1.

K _у = K_и E_r = 430 · 0,2 = 28,6 В;

выходной ток I_вых = =2мА (2.54)

Выбираем операционный усилитель типа к 1408 УД1.Полагая, что при токе через диоды VD, VD2. I=40мА данный переход можно считать открытым. Тогда падения на базе диодов при этом составляет U=0.25, что соответствует объёмному сопротивлению базы.

r_б = 2Ом. (2.55)

Полное сопротивление диодов VD1 и VD2 переменному току при I=40мА представляет собой сумму найдённых сопротивлений.

r_диф = r_б+r_r = 5,5+2 =7,5Ом. (2.56)

Проверкой этих результатов служит включение r_диф с помощью отношения приращения U/ I на реальной ВАХ.

r_диф = = 7 Ом (2.57)

По получённым данным выбираем диоды типа КД 510А. Определим предварительно физические параметры транзисторов VT 2 VT 3 применительно к схемам ОЭ и ОК:

Коэффициент передачи

в = R_21б / (1-R_21б) = = 65,7 (2.58)

Сопротивление коллектора

r_к = (2.60)

Сопротивление базы.

r_б = R_21Б /R _22б = = 200 Ом. (2.61)

Сопротивление эмиттера

r_э = h_11Б-r_б (1-R_21б) = 25-200 (1-0.985) = 22 Ом. (2.62)

Входное сопротивление схемы СОК

r_вх = r_б+[(r_э+R_э)/R₄] (1+В) = 200+

+[22+3 10³ 100/(3 10³+100)] 66,7 = 8,07 кОМ; (2.63)

Коэффициент передачи по напряжению

K_и = (1+в) (R_э/R₄) / (R_r+R_вх) = 66,7 97 / (10³ + 8.07 10³) = 0,706

K = 0,706 (2.64)

Коэффициент усиления по току

K_i = (1+в) = (1+65,7) = 7,12; (2.65)

Коэффициент усиления по мощности

K_p = K_u K_i = 0,706 7,12 = 5,026 (2.66)

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя

R_вых = R _э (r _э + ) = 3 10³ /(22+ (2.67)

Выбираем транзисторы типа

КТ805 АМС параметрами I_кmax=5А;

U_кэ = 135; P_к = 30, I_б = 2A, h₂₁₇ = 30.

Найдём усилительные параметры схемы с одним транзистором VT1 входное сопротивление

R_вх=200+(22+3 10³/10)(1+65,7)=2,39кОм (2.68)

Коэффициенты передачи по напряжению

Найдем амплитуды напряжения и тока в нагрузке, U_нм = 2· R_н Р_А,

где Р-мощность в нагрузке,

U_нм =· 4· 5 =6В (2.69)

I_нм = = 1,2А.

Исходя из амплитуды напряжения U_АМ и пологая U_пос 3В, напряжения питания будет приемлемы в пределах 25ч 29В.

Граничная частота транзистора

f_в ? 16 10³/2²-1 = 16 кГц. (2.70)

Полученным требованиям в качестве элементов VT1 и VT2 удовлетворяет пара транзисторов КТ 940 А и КТ 961 А, параметры соответственно:

I_к=0,1А. I_к = 1,5А.

I_б=0,05А. I_б = 0,3А.

P_к=1,2Вт. P_к = 12,5Вт.

U_кэ=300В. U_кэ = 100В. (2.71)

Поскольку сопротивление нагрузки ДА2 должно быть не менее 2КОМ, выбираем R_А=2КОМ. Коэффициент усиления.

К₀ = = 20, m₀R= 20· R_н = 20· 2= 40КОМ; (2.72)

При этом находя частоту, вырабатываемую генератором высококачественного заполнения импульсов передачи сигнала f₁ = находим

C₁ = (2.73)

Так как частота передачи импульсов определяется по формуле f₂= , определим

C₂ = = =0,04 мкф: (2.74)

Выбираем конденсаторы KH-6 со стандартными значениями.

C₁ = 0,15мкф; C₂ = 0,039мкф;

(Выбираем конденсаторы КН-6со.) При идентичных транзисторах VT3 и VT4 и равных между собой R₃R ₄ потенциал точки по постоянному току всегда равен нулю, т е Е_п = 0, выходное напряжение равна «0» Коэффициент передачи по напряжению

K_u = ; (2.75)

где R_вых = r [1+в (R_u+r_э)] (R_u+r_э+r₁) (2.76)

Подставляя находим.

R_вых = (1+100 ) 0,414 10⁶ОМ; (2.77)

К_н = (2.78)

Коэффициент усиления по току.

K_у = (1+в); (2.79)

где R_вх = (r₆+(r_э+R₃+R_вых) / R₄)· (1+в) r_б+(r_э+R₃+R₄) (1+в ) =

= 200+(30+10³+10³)·101 203 кОм (2.80)

К_у = (1+100) = 4,64; (2.81)

Выбираем транзисторы типа VT3 - KT 210A, VT 4- KT 808A.

Пользуясь аналитической записью вольтамперной характеристики

I = I₀(L_n/ц_т-1), I₀ = 1 10^-2A; ц_т = 25 MB. (2.82)

Полагая, что U_g ? E, находим ток в схеме

I = 0,06A = 60MA. (2.83)

Решая уравнение ВАХ относительно h_у, находим падение напряжения на диодах VD4, VD5

U_g = (2.84)

Уточним теперь ток диодов VD4, VD5

I = (E-U_g)/R = (6-0,59)/100=54,1мА. (2.85)

Выбираем диоды типа КД 510А.

В схеме ОУ А 4 используется паралельная ООС по напряжению в точке сумирование токов в интегрирующем входе из входного тока I_вх вычитается ток обратной связи I_ос, пропорциальной входному напряжениюU_вых.В практической схематехника таком схеме называется инвертирующим усилителем. Так как входно...