Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Автономная электрокотельная

Автономная электрокотельная

Рассмотрение характеристик и преимуществ автономной модульной электрокотельной. Виды и способы подключения и эксплуатации. Разработка системы автоматического регулирования для электрокотельной. Требования к качеству процесса работы.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 04.02.2014
Размер файла 1,6 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ведение

1. Описание технологического процесса

1.1 Назначение и устройство электрических котлов

2. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

2.1 Анализ технологического процесса как объекта регулирования

2.2 Идентификация объекта управления

2.2.1 Идентификация объекта апериодическим звеном I порядка

2.2.2 Метод интегральных площадей

2.3 Выбор регулятора

2.3.1 Выбор канала регулирования

2.3.2 Выбор типа регулятора

2.3.3 Выбор закона регулирования

2.4 Определение настроечных параметров регулятора

2.4.1 Метод определения настроечных параметров регулятора с помощью номограмм

2.4.2 Метод РАФЧХ

2.5 Определение качества регулирования

3. Выбор технических средств автоматизации

3.1 Выбор оборудования для регулирования температуры воды на выходе из котельной

3.1.1 Обзор существующих моделей программируемых контроллеров

3.1.2 Программируемый логический контроллер РС-265D

3.1.3 Датчики температуры

3.1.4 Датчик давления

3.1.5 Исполнительный механизм

3.5 Выбор оборудования для регулирования циркуляции и подпитки воды в тепловой сети

3.5.1 Логический контроллер ОВЕН САУ-МП

3.5.2 Датчик давления

3.6 Работа системы автоматики

4. Программное обеспечение

4.1 Система программирования «РелКон»

4.2 Описание АРМ диспетчера

5. Расчет экономической эффективности в результате внедрения дополнительного оборудования

5.1 Расчет дополнительных капитальных вложений

5.2 Расчет заработной платы на текущее обслуживание.

5.3 Расчет расходов на годовое содержание и эксплуатацию оборудования

5.4 Расчет технико-экономических показателей

6. Обеспечение электробезопасности при обслуживании электрокотельной

6.1 Влияние электрического тока на человеческий организм

6.2 Меры по обеспечению электробезопасности

6.3 Расчет заземления

7. Экологичность альтернативных технологий получения тепловой энергии

7.1 Вредные выбросы теплоэнергетики и их влияние на человека и окружающую среду

7.2 Экологические преимущества использования альтернативного способа получения тепловой энергии

Введение

Автоматизация - процесс внедрение автоматических устройств, применяющих энергии неживой природы, для освобождения человека от участия в операциях контроля, регулирования и управления. Современный производственный процесс невозможен без автоматизации, так как она существенным образом улучшает условия труда и технико-экономические показатели производства: обеспечивает рост производительности труда, интенсификацию технологических процессов, снижение расходов сырья, материалов, улучшает качество продукции, повышает культуру производства в целом. Автоматизация - основа для перехода на наиболее современный уровень организации производственно-технологических процессов с широким использованием ЭВМ, микропроцессорных средств, робототехнических систем.

Требования к качеству процессов и производств с каждым годом увеличиваются все больше и больше, что приводит к невозможности человека выполнить работу, соответствующую таким требованиям, а, следовательно, это означает, что потребность в автоматизации будет возрастать все сильнее и сильнее. Таким образом, автоматизация уже в ближайшем будущем будет занимать первое место во всех технологических процессах и производствах, а это означает, что необходимо разрабатывать все новые и новые автоматические системы для любых отраслей промышленности.

В данной работе будет рассмотрена автономная модульная электрокотельная. Надо сказать, что в отличие от всех прочих котельных, наиболее важное значение в скором будущем, возможно, будут иметь именно электрокотельные, так как, в отличие от остальных, работают на относительно неистощимом виде энергии - электричестве, в то время как количество топлива для остальных котельных ограничено и его становиться все меньше и меньше. Ко всему прочему электрокотельные имеют наиболее простую систему автоматического управления, и для них нет необходимости в сооружении систем подачи топлива, потому что питание осуществляется через электрическую сеть, а это значительно упрощает конструкцию самой котельной.

При определенных конструктивных решениях электрокотельную можно сделать мобильной, а если подобрать подходящие средства автоматики, то ещё и автономной. В результате таких преобразований, можно получить электрокотельную, возможности которой позволят доставлять её практически в любое место, где требуется отопление, и устанавливать непосредственно вблизи отапливаемых объектов. При этом после запуска котельная будет работать автономно без какого-либо вмешательства человека в процесс подогрева и передачи воды в тепловую сеть, что приведет к сокращению количества обслуживающего персонала, а значит и экономии денежных средств.

Представленные выше преимущества позволяют утверждать, что применение модульных электрокотельных является перспективным направлением в теплоэнергетике и, в связи с этим, в данном дипломном проекте будет рассмотрена разработка система автоматического регулирования для данной котельной.

1. Описание технологического процесса

автономная модкльная электрокотельная

Автономная модульная электрокотельная - это готовое сооружение, представляющее собой отдельностоящее здание, предназначенное для отопления по закрытой системе теплоснабжения жилых и производственных зданий и сооружений. Может эксплуатироваться в макроклиматических районах с умеренным и холодным климатом. Режим работы котельной - автоматизированный, без постоянного присутствия дежурного персонала. Контроль работы дистанционный, посредством выносного диспетчерского пульта.

Технологический процесс электрокотельной заключается в следующем: сетевая вода при температуре 70С из теплосети по обратному трубопроводу Т2 , через грязевик (Г) поступает к сетевым насосам (СН1, СН2), которые подают ее в электрические котлы (ВК1, ВК2). В котлах происходит, нагрев воды под воздействием тока, протекающего между электродами электродных пакетов, собранных из плоских стальных пластин, которые электрически соединены в три группы. Вода подогревается до температуры 95С и по прямому трубопроводу (Т1) уходит в систему отопления. Далее по обратному трубопроводу вода возвращается к сетевым насосам и опять поступает в электрокотлы. По мере разбора горячей воды подпиточный насос подкачивают недостающее количество воды в систему. Статическое давление на всасе сетевых насосов поддерживается регулятором давления (РД).

Температура на выходе из котла является регулируемым параметром в данной системе отопления, а значит именно этот параметр выдерживается при эксплуатации котла. Основное влияние на изменение температуры, оказывает процесс поступления в котел воды, которую необходимо подогреть и выход уже нагретой воды. Следовательно, основным возмущающим воздействием является расход воды через котел.

Регулирование отпуска тепла - качественное, изменением температуры воды в подающем трубопроводе Т1. Данный процесс осуществляется автоматически по сигналам датчика температуры нагрева воды в котле и датчика температуры окружающего воздуха. Электрический сигнал, выработанный датчиками, по соединительным проводам поступает в микропроцессорный регулятор, куда специальными командами оператор задает все необходимые для регулирования параметры. В данном приборе происходит сравнение полученного от датчика сигнала и в зависимости от отклонения его от заданного значения вырабатывается управляющее воздействие в виде электрического импульса. Этот импульс передается на электродвигатель, расположенный на крышке котла, и преобразуется во вращение ротора двигателя, соединенного со шпинделем, который проходит через сальниковый узел, имеющийся в центре крышки котла. На шпиндель надет регулятор мощности в виде пакета из диэлектрических экранов, входящих в зазоры между электродными пластинами и перемещающихся вертикально относительно последних. В зависимости от угла, на который повернется ротор двигателя, регулятор мощности, перемещаясь по резьбе шпинделя, поднимется, либо опустится на определенную высоту, изменяя тем самым активную поверхность электродов, а значит, повысит, либо понизит мощность котла. Диапазон регулирования мощности находится в пределах от 25 до 100% от номинальной мощности котла.

Помимо изменения температуры в нормальном рабочем режиме, возможно изменение температуры, которое вызвано возникновением аварийной ситуации, при этом регулятор может не справиться с выведением температуры на нужный уровень. В этом случае в ход вступает аварийная защита. В качестве защитных аппаратов применяются автоматические выключатели, рубильники, предохранители, контакторы и магнитные пускатели. Смонтированы оборудование и аппараты электрических и технологических защит, действующих без выдержки времени. Данная защита обеспечивает отключение котла при повышении температуры нагрева воды до 100С, а также при многофазных и однофазных коротких замыканиях в линии, питающей котел электроэнергией, перегрузке по току выше номинального на 5%, несимметрии токов нагрузки выше 25% номинального тока, прекращении расхода воды через котел.

1.1 Назначение и устройство электрических котлов

Водогрейные электрические котлы предназначены для получения горячей воды за счет теплоты, выделяемой при протекании электрического тока непосредственно через нагреваемую воду. Применяются для отопления и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий в закрытых и открытых водяных системах теплоснабжения с принудительной циркуляцией. Вид климатического исполнения котлов-УХЛ4 по ГОСТ 15150 для работы в следующих условиях

- температура окружающей среды от 0 до40С

- относительная влажность воздуха при 20С не более 80

- окружающая среда невзрывоопасная, не содержащая агрессивных газов и паров, разрушающих металл и изоляцию, а также производственной пыли в количествах, разрушающих или нарушающих работу котлов

- высота над уровнем моря не более 2000 м.

Основные части котла представлены на рисунке 1. Корпус котла выполнен из стальной стандартной трубы, к которой в верхней и нижней частях приварены фланцы, служащие для крепления днища 4 котла и верхней крышки 2. В нижней части корпуса приварен патрубок 6 для входа нагреваемой воды. Нагретая вода выходит через патрубок 7, расположенный в верхней части корпуса. К наружной части корпуса котла приварены две опорные лапы 8 с отверстиями для крепления к несущим конструкциям. Электродный пакет 3 собран из плоских стальных пластин 9, которые электрически соединены в три группы. Каждая группа подключается к соответствующей фазе питающей электрической сети. Чтобы ограничить протекание тока между крайними электродами и корпусом котла, приводящее к неравномерному распределению токовых нагрузок между фазами, крайние электроды пакета, обращенные к корпусу котла, изолируются диэлектрическими экранами 10, изготовленными из стеклотекстолита. Электродные пластины каждой фазы привариваются к стальным перемычкам, к которым присоединены токоведущие шпильки 11. Токоведуще шпильки изолируются от днища котла с помощью стандартных составных фарфоровых проходных изоляторов 12.

1-корпус 2- крышка 3-электродный пакет 4-днище 5-регулятор мощности 6- патрубок для входа воды 7-патрубок для выхода воды 8-опорные лапы 9-стальные электродные пластины 10-диэлектрические экраны 11-токоведущая шпилька 12-проходные изоляторы 13-втулка 14-патрубок дренажный 15-электродвигатель 16-сальниковый узел 17-термобаллон показывающего сигнализирующего термометра 18-бобышка 19-штуцер для подключения манометра 20-штуцер воздушника 21- зажим зануления.

Рисунок 1 - Водогрейный электрический котел ЭКВ-160/0,4-Э

Для фиксации взаимного положения электродных пластин между ними установлены дистанционные фторопластовые втулки 13, которые одновременно изолируют электродные пластины от стяжных шпилек пакета.

В днище котла выполнены отверстия для установки проходных изоляторов 12, вварен дренажный патрубок 14. На днище расположен зажим зануления 21.

Регулятор мощности 5 конструктивно выполнен в виде многопластинчатого пакета из диэлектрических экранов, входящих в зазоры между электродными пластинами и перемещающихся вертикально относительно последних, изменяя активную поверхность электродов. Перемещение диэлектрических экранов производится электроприводом.

В центре крышки котла имеется сальниковый узел 16, через который проходит шпиндель регулятора мощности,

Для установки термобаллона показывающего сигнализирующего термометра в крышке предусмотрена бобышка, в которую вворачивается присоединительный штуцер термобаллона.

Для установки манометра и выпуска воздуха при заполнении котла водой на крышке расположены штуцеры 19,20.

В электрических котлах прямого нагрева для нагрева воды используется теплота, выделяемая при протекании электрического тока через водяные потоки в межэлектродном пространстве.

Электрический ток в котлах с пластинчатыми электродами протекает через воду от электродной пластины одной фазы к расположенным рядом электродным пластинам других фаз. Объемы воды в электродном пакете образуют активные сопротивления, собранные по схеме "треугольник".

Неэкранированные от корпуса токоведущие части электродной системы вызывают частичное протекание тока между электродами и корпусом, т.е. работу по схеме "звезда".

Полная электрическая мощность, развиваемая котлом

,

где: и - мощности, развиваемые котлом при работе, соответственно, по схеме "треугольник" и "звезда".

Каждый котел характеризуется "коэффициентом звездности"

.

"Коэффициент звездности" электрических котлов с пластинчатыми электродами не превышает 0,25 и зависит от параметров электродного пакета и удельного электросопротивления воды.

Электросопротивление воды зависит от ее физико-химических свойств и от температуры. Удельное электросопротивление природных вод изменяется в широких пределах в зависимости от атмосферных осадков, времени года и соотношения притока и расхода воды в открытых водоемах и грунтовых водах.

Для того чтобы учесть электросопротивление воды, при изготовлении котлов заранее определяют жесткость воды, которая будет использоваться в качестве теплоносителя в тепловой сети отапливаемого объекта. В зависимости от этих показателей, для котла подбирается подходящий регулятор мощности и пакет электродов, от величины удельного электросопротивления воды зависят размеры диэлектрических и электродных пластин, а также их количество. Более подробные данные о конструктивном исполнении электродного пакета и регулятора мощности приведены в приложении.

Управление работой котла на заданном режиме осуществляется автоматически в системах отопления по сигналам датчика температуры нагрева воды в котле и датчика температуры внутреннего воздуха в отапливаемом помещении, в системах горячего водоснабжения по сигналам датчика температуры нагрева воды в котле или по сигналам датчика температуры нагрева воды в баке-аккумуляторе.

В качестве коммутационных и защитных аппаратов применяются автоматические выключатели, рубильники, предохранители, контакторы и магнитные пускатели. В качестве командоаппаратов - переключатели универсальные и кнопки управления. Для измерения тока и напряжения применяются щитовые амперметр и вольтметр.

Оборудование и аппараты электрических и технологических защит, действующих без выдержки времени, обеспечивают отключение котла при

многофазных и однофазных коротких замыканиях в линии, питающей котел электроэнергией, на вводах и внутри котла

перегрузке по току выше номинального на 5%

повышении температуры нагрева воды до 100С

несимметрии токов нагрузки выше 25% номинального тока

прекращении расхода воды через котел.

Так же предусмотрена световая сигнализация, обеспечивающая визуальный контроль наличия напряжения в цепи управления, защиты и автоматики, режима работы и срабатывания защит

"Контроль напряжения"

"Цепи автоматики"

"Котел включен"

"Высокая температура"

"Перегрузка"

"Несимметрия токов нагрузки".

2. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

2.1 Анализ технологического процесса как объекта регулирования

В любой котельной существует несколько контуров регулирования и их как минимум три:

- регулирование температуры воды на выходе из котельной;

- регулирование циркуляции воды в тепловой сети;

- регулирование подпитки воды в систему.

Но, в первую очередь, задача котельной заключается в подогреве теплоносителя до необходимой температуры, поэтому далее будет рассматриваться контур регулирования температуры воды на выходе из котельной. Это значит, что основным параметром, которому необходимо уделять наибольшее внимание, будет температура воды на выходе из котельной. Значение данной температуры соответствует 95С.

Основное влияние на изменение температуры, оказывает процесс поступление в котел воды, которую необходимо подогреть и выход уже нагретой воды. Следовательно, основным возмущающим воздействием является расход воды (V) через котел. Для котла, рассматриваемого в данной работе (ЭКВ 160/0,4-Э) расход воды равен .

Поддержание температуры на заданном уровне осуществляется автоматически по сигналам датчика температуры нагрева воды в котле и датчика температуры окружающего воздуха. Сигналы с данных датчиков поступают в программируемый логический контроллер, который по законам ПИД-регулирования, через исполнительные механизмы (электроприводы) и регулирующие органы (диэлектрические экраны), осуществляет поддержание температуры нагрева воды в заданных пределах.

В связи с этим далее будет приведен расчет параметров ПИД-регулятора, позволяющих управлять работой котла в оптимальном режиме.

2.2 Идентификация объекта управления

Для идентификации объекта управления получена экспериментальная характеристика объекта, изображенная на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Экспериментальная характеристика объекта

В данной работе для упрощения вычислений будет использоваться характеристика, смещенная в начало координат, изображенная на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Экспериментальная переходная характеристика объекта

2.2.1 Идентификация объекта апериодическим звеном I порядка.

1. Для идентификации объекта апериодическим звеном I порядка необходимо провести касательную к характеристике через точку пересечения кривой с величиной . Из полученного построения, как показано на рисунке 2.3, определяются параметры передаточной функции.

Рисунок 2.3 - Определение параметров

Находятся основные параметры передаточной функции:

с; с;

с;

с.

Величина А соответствует абсциссе точки пересечения величины с характеристикой объекта и равна 23,9 с. Отсюда значение постоянной времени будет равно:

с.

Передаточная функция имеет вид:

.

2. Построение расчетной характеристики объекта с помощью программного обеспечения показано на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Расчетная и экспериментальная характеристики объекта.

3. Определение погрешности идентификации:

%

Результаты определения погрешности идентификации представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Определение ошибки идентификации

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

4,8

12,8

19,45

23

24,73

25

25

25

25

25

8,31

15,13

19,16

21,54

22,96

23,79

24,28

24,57

24,75

24,97

14,04

9,32

1,16

5,84

7,08

4,84

2,88

1,72

1

0,12

Так как , то данный метод не удовлетворяет условиям идентификации.

2.2.2 Метод интегральных площадей.

1. На экспериментальной кривой выделяется участок транспортного запаздывания и выбирается интервал разбиения кривой. Значение интервала разбиения определяется, исходя из условия, что на протяжении всего графика функции в пределах мало отличается от прямой.

2. Построение переходной характеристики в безразмерном виде (кривая разгона), где представлено на рисунке 5. Для этого значения в конце каждого интервала делится на . Результаты расчета представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Результаты расчета

t, c

t, c

0

0

1

0

28,3

0,748

0,252

1,357601

2,3

0

1

0,110335

30,3

0,786

0,214

1,453544

4,3

0,048

0,952

0,206279

32,3

0,822

0,178

1,549488

6,3

0,092

0,908

0,302222

34,3

0,8552

0,1448

1,645431

8,3

0,14

0,86

0,398166

36,3

0,88

0,12

1,741375

10,3

0,2

0,8

0,494109

38,3

0,9064

0,0936

1,837318

12,3

0,252

0,748

0,590053

40,3

0,928

0,072

1,933262

14,3

0,31

0,69

0,685996

42,3

0,948

0,052

2,029205

16,3

0,376

0,624

0,78194

44,3

0,9584

0,0416

2,125149

18,3

0,448

0,552

0,877883

46,3

0,9688

0,0312

2,221092

20,3

0,52

0,48

0,973827

48,3

0,9812

0,0188

2,317036

22,3

0,5816

0,4184

1,06977

50,3

0,9896

0,0104

2,412979

24,3

0,64

0,36

1,165714

52,3

0,998

0,002

2,508923

26,3

0,7

0,3

1,261657

54,3

1

0

2,604866

.

Построение переходной характеристики в безразмерном виде показано на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Переходная характеристика

3. Определение площади F1 по формуле:

.Для определения параметров передаточной функции необходимо для различных значений времени рассчитать вспомогательные величины. Расчет приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Расчет вспомогательных величин

0

1

1

1

1

1

0,110335

1

0,889665

0,889665

0,785417

0,785417

0,206279

0,952

0,793721

0,755623

0,608718

0,5795

0,302222

0,908

0,697778

0,633582

0,441225

0,400632

0,398166

0,86

0,601834

0,517578

0,282937

0,243326

0,494109

0,8

0,505891

0,404713

0,133854

0,107083

0,590053

0,748

0,409947

0,306641

-0,00602

-0,00451

0,685996

0,69

0,314004

0,216663

-0,1367

-0,09432

0,78194

0,624

0,21806

0,13607

-0,25816

-0,16109

0,877883

0,552

0,122117

0,067409

-0,37043

-0,20448

0,973827

0,48

0,026173

0,012563

-0,47348

-0,22727

1,06977

0,4184

-0,06977

-0,02919

-0,56734

-0,23737

1,165714

0,36

-0,16571

-0,05966

-0,65198

-0,23471

1,261657

0,3

-0,26166

-0,0785

-0,72742

-0,21823

1,357601

0,252

-0,3576

-0,09012

-0,79366

-0,2

1,453544

0,214

-0,45354

-0,09706

-0,85069

-0,18205

1,549488

0,178

-0,54949

-0,09781

-0,89852

-0,15994

1,645431

0,1448

-0,64543

-0,09346

-0,93714

-0,1357

1,741375

0,12

-0,74137

-0,08896

-0,96656

-0,11599

1,837318

0,0936

-0,83732

-0,07837

-0,98677

-0,09236

1,933262

0,072

-0,93326

-0,06719

-0,99777

-0,07184

2,029205

0,052

-1,02921

-0,05352

-0,99957

-0,05198

2,125149

0,0416

-1,12515

-0,04681

-0,99217

-0,04127

2,221092

0,0312

-1,22109

-0,0381

-0,97556

-0,03044

2,317036

0,0188

-1,31704

-0,02476

-0,94974

-0,01786

2,412979

0,0104

-1,41298

-0,01469

-0,91472

-0,00951

2,508923

0,002

-1,50892

-0,00302

-0,8705

-0,00174

2,604866

0

-1,60487

0

-0,81707

0

;

;

4. Определение интегральных площадей

;

;

где безразмерное время

5. Выбор структуры передаточной функции.

;

;

,

где ;

.

.

Полученная передаточная функция объекта:

6. Построение расчетной характеристики объекта с помощью программного обеспечения показано на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Расчетная и экспериментальная характеристики объекта.

7. Определение погрешности идентификации:

Результаты определения погрешности идентификации представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Определение ошибки идентификации.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

1,6

4,8

8,47

12,8

16,5

19,45

21,6

23

24,02

24,73

25

25

0,529

3,63

7,9

12,13

15,8

18,7

20,86

22,4

23,46

24,15

24,6

24,95

4,28

4,68

2,28

2,68

2,8

3

2,96

2,4

2,24

2,32

1,6

0,2

Так как , то данный метод удовлетворяет условиям идентификации, а полученная передаточная функция выбирается для дальнейшего синтеза локальной системы автоматического регулирования.

2.3 Выбор регулятора

2.3.1 Выбор канала регулирования.

В качестве канала регулирования выбирается контур, объектом в котором является электрокотел, а регулируемым параметром - температура на выходе из котла (). Под воздействием основного возмущающего параметра (расхода воды ) данная температура измеряется термопреобразователем, и электрический сигнал, соответствующий измеренному значению, подаётся в управляющее устройство, где происходит сравнение полученного сигнала с заданным и выработка необходимых управляющих воздействий (), изменяющих высоту поднятия диэлектрических экранов. Схематично канал регулирования показан на рисунке 2.7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.7 - Структурная схема канала регулирования

2.3.2 Выбор типа регулятора.

Тип автоматического регулятора выбирается с учетом свойств объекта регулирования и заданных параметров качества переходного процесса. К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса, имеющего присущие только ему особенности, предъявляются конкретные требования: в одних случаях оптимальным или заданным может служить процесс, обеспечивающий минимальное значение динамической ошибки регулирования, в других - минимальное значение времени регулирования, и т.д. Так как перерегулирование в 20% приведет к повышению температуры до 100С, а такая температура является аварийной и приведет к срабатыванию защиты, то исходя из этого в качестве заданного выбирается апериодический регулятор.

Ориентировочно характер действия регулятора определяется по величине:

.

где - максимальная постоянная времени передаточной функции объекта.

Так как , то выбирается регулятор непрерывного действия.

Из условия , тип регулятора ориентировочно выбирается, как непрерывный регулятор. Его применяют для объектов как обладающих, так и не обладающих самовыравниванием, для одно- и многоемкостных объектов, имеющих малое и значительное запаздывание при плавно меняющейся нагрузке.

Так как в электрических котлах развивается достаточно большая температура, и осуществляется токоподвод, то данные котельные установки пожароопасные, а относительно высокая температура окружающего котел воздуха, делает затруднительным наблюдение за котлом и управление его работой с близкого расстояния, поэтому панель управления должна располагаться на расстоянии от котла. Учитывая все эти особенности, в качестве регулятора выбирается электрический регулятор.

2.3.3 Выбор закона регулирования

В промышленности наиболее часто применяют регуляторы непрерывного действия (И -, П-, ПИ-, ПИД- регуляторы).

Для выбора закона регулирования необходимо воспользоваться номограммой, представленной на рисунке 8, для апериодического переходного процесса с желательным временем окончания переходного процесса .

Для этого необходимо определить следующие соотношения:

;

.

Рисунок 2.8 - Номограмма для переходной характеристики без перерегулирования

Точка, полученная на пересечении двух линий находится между И и ПИ- регуляторами, в качестве закона регулирования выбирается ПИ-закон регулирования.

2.4 Определение настроечных параметров регулятора

2.4.1 Метод определения настроечных параметров регулятора с помощью номограмм

Метод заключается в определении настроечных параметров регулятора по номограмме, в зависимости от величины .

.

Рисунок 2.9 - Номограмма для определения оптимальных параметров настройки ПИ-регулятора для статических объектов с апериодическим переходным процессом

Коэффициент передаточной функции регулятора :

;

.

Время интегрирования :

;

.

С учетом выбранных настроечных параметров регулятора, с помощью программного обеспечения получаем переходную характеристику замкнутой системы, которая представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Переходная характеристика замкнутой системы

2.4.2 Метод РАФЧХ

Данный метод базируются на:

- использовании критерия, определяющего качество переходного процесса регулирования- степени затухания ;

- определении расширенных амплитудно-фазовых характеристик объекта и регулятора;

- применении основного условия устойчивости системы.

Передаточная функция объекта:

Степень затухания - величина, характеризующая затухание переходного процесса регулирования, равная отношению разности двух соседних амплитуд колебания (направленных в одну сторону) к первой из них:

,

где и - соответственно амплитуды первого и второго полупериода наиболее слабозатухающей составляющей.

В расчетах используется другой показатель качества, функционально связанный со степенью затухания - степень колебательности - m. Он также характеризует затухание колебательных составляющих процесса регулирования и численно определяется как отношение абсолютного значения действительной части к коэффициенту при мнимой части корня характеристического уравнения с наименьшим абсолютным значением этого отношения.

Различным значениям степени затухания соответствуют значения степени колебательности m, представленные в таблице 2.5:

Таблица 2.5 - Значения и m

0

0.15

0.3

0.45

0.6

0.75

0.9

1

0

0.026

0.057

0.095

0.145

0.221

0.366

?

Расчет РАФЧХ

Передаточная функция объекта имеет вид:

.

Путем замены определяется РАФЧХ объекта:

,

где - расширенная действительная частотная характеристика объекта;

- расширенная мнимая частотная характеристика объекта.

Параметры настройки регулятора определяя ются из выражений:

где и определяются из выражений:

Для колебательности m=0,221 и строится зависимость - кривая равной степени затухания, представленная на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Кривая равной степени затухания для m=0,221

Оптимальные параметры настройки регулятора лежат правее максимального значения кривой, в связи с этим выбираем несколько точек на кривой.

При и , т.е. и переходный процесс имеет вид, представленный на рисунке 2.12:

Рисунок 2.12 - Переходная характеристика

При и т.е. и переходный процесс имеет вид, представленный на рисунке 2.13:

Рисунок 2.13 - Переходная характеристика

При и т.е. и переходный процесс имеет вид, представленный на рисунке 2.14:

Рисунок 2.14 - Переходная характеристика

Из полученных переходных процессов выбирается процесс с параметрами и , т.к. он имеет перерегулирование удовлетворяющее условиям и наименьшее время регулирования.

2.5 Определение качества регулирования

1) Определение качества регулирования переходного процесса, полученного методом номограмм представлено на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15 - Определение показателей качества регулирования переходного процесса полученного методом номограмм.

1. Время переходного процесса характеризует быстродействие системы и определяется как интервал времени от начала переходного процесса и до момента, когда отклонение выходной величины от ее установившегося значения становится <

2. Перерегулирование - это максимальное отклонение в переходный период.

3. Число колебаний равно числу минимумов (максимумов) кривой переходного процесса за время регулирования.

Для данного переходного процесса число колебаний равно 3.

4. Колебательность переходного процесса:

5. Частота колебаний:

Период колебаний:

,

6. Время достижения первого максимума tmax.

tmax = 20с

7. Время нарастания переходного процесса - это абсцисса первой точки пересечения переходной характеристики с установившимся значением tн.

tн = 11,5с

8. Степень затухания:

9. Интегральная оценка качества:

2) Определение качества регулирования переходного процесса полученного методом РАФЧХ представлено на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Определение показателей качества регулирования переходного процесса, полученного методом РАФЧХ.

1. Время переходного процесса характеризует быстродействие системы и определяется как интервал времени от начала переходного процесса и до момента, когда отклонение выходной величины от ее установившегося значения становится <

2. Перерегулирование - это максимальное отклонение в переходный период.

3. Число колебаний равно числу минимумов (максимумов) кривой переходного процесса за время регулирования.

Для данного переходного процесса число колебаний равно 1.

4. Время достижения первого максимума tmax.

tmax = 14,4 с

5. Время нарастания переходного процесса - это абсцисса первой точки пересечения переходной характеристики с установившимся значением tн.

tн = 9,1с

6. Степень затухания:

7. Интегральная оценка качества:

Исходя из анализа представленных переходных процессов, полученных методом номограмм и методом РАФЧХ, выбирается процесс с наилучшими показателями качества регулирования. В данном случае наилучшим является процесс, с настроечными параметрами и , полученными методом РАФЧХ, так как этот процесс имеет меньшее время регулирования, меньшее перерегулирование, оптимальное количество колебаний, а так же меньшее время достижения первого максимума, время нарастания и интегральную оценку.

3. Выбор технических средств автоматизации

Технические средства автоматики, включающие различные автоматические устройства, служат для получения, передачи, преобразования и хранения контрольной информации, формирования и передачи командной информации и использования ее для воздействия на управляемый процесс.

Для успешного решения поставленной задачи - организации системы автоматического контроля и регулирования технологических параметров на электрокотельной необходимо выбрать отдельные составляющие системы, на основе анализа и сопоставления как можно более широкого спектра существующих и доступных аналогов.

Для реализации системы регулирования необходимы следующие составляющие элементы:

- регулятор (программируемый логический контроллер);

- первичные измерительные преобразователи (датчики давления, температуры);

- средства отображения информации;

- исполнительные механизмы.

Так как котельная имеет несколько контуров регулирования, а именно: регулирование температуры воды на выходе из котельной, циркуляции воды в тепловой сети, подпитки воды в систему, то далее будет подобрано оборудование для каждого контура:

3.1 Выбор оборудования для регулирования температуры воды на выходе из котельной

3.1.1 Обзор существующих моделей программируемых контроллеров

Основными требованиями, которые предъявляются к системам автоматического контроля и регулирования, являются: простота и удобство использования, гибкость, живучесть и экономичность. Простота и удобство использования связаны с необходимостью освоения систем без привлечения дефицитных высококвалифицированных специалистов. Гибкость системы характеризуется ее способностью к модернизации. Живучесть связывают с сохранением работоспособности не только в нормальных условиях эксплуатации, но и при внешних аварийных возмущениях; при этом допускается появление ухудшения управления. Экономичность обуславливается малыми капитальными вложениями и эксплутационными расходами. Изложенными требованиям удовлетворяют программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Программируемый контроллер -- это программно управляе-мый дискретный автомат, имеющий некоторое множество вхо-дов, подключенных посредством датчиков к объекту управления, и множество выходов, подключенных к исполнительным устрой-ствам. ПЛК контролирует состояния входов и вырабатывает опре-деленные последовательности программно заданных действий, от-ражающихся в изменении выходов.

ПЛК предназначен для работы в режиме реального времени в условиях промышленной среды и должен быть доступен для про-граммирования неспециалистом в области информатики.

Логика управ-ления технологическим процессом описывается программно на основе микрокомпьютерного ядра. Абсолютно одинаковые ПЛК могут выполнять совершенно разные функции. Причем для изменения алгоритма работы не требуется каких-либо переделок аппаратной части. Аппаратная реализация входов и выходов ПЛК ориентирована на сопряжение с унифицированными приборами и мало подвержена изменениям.

Задачей прикладного программирования ПЛК является только реализация алгоритма управления конкретной машиной. Опрос входов и выходов контроллер осуществляет автоматически, вне зависимости от способа физического соединения. Эту работу вы-полняет системное программное обеспечение.

На данный момент различными фирмами выпускается большое количество программируемых логических контроллеров, это многообразие контроллеров с различными конструктивными, функциональными и техническими характеристиками настолько велико, что приходится вставать перед выбором: какой контроллер наилучшим образом подойдет для решения той или иной задачи. В связи с этим далее будут рассмотрены несколько контроллеров различных производителей.

Контроллер SIMATIC

Программируемые контроллеры SIMATIC предназначены для построения относительно простых систем автоматического управления, отличающихся минимальными затратами на приобретение аппаратуры и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и узлов, поддерживающих интенсивный коммуникационный обмен данными через сети Industrial Ethernet, PROFIBUS-DP, MPI, AS-Interface, MPI, PPI, MODBUS, системы телеметрии, а также через модемы.

В SIMATIC используется 5 моделей центральных процессоров, отличающихся объемами встроенной памяти, количеством и видом встроенных входов и выходов, количеством встроенных интерфейсов RS 485, количеством потенциометров аналогового задания цифровых величин и другими показателями.

Все центральные процессоры оснащены встроенным блоком питания =24В для питания датчиков или другой нагрузки. Дискретные входы всех центральных процессоров рассчитаны на входное напряжение =24В.

Программируемые контроллеры SIMATIC характеризуются следующими показателями:

- Эффективное программирование на языках STL, LAD и FBD.

- Высокое быстродействие. Время выполнения 1К логических инструкций не превышает 0.22мс.

- Наличие конфигурируемых реманентных областей памяти для необслуживаемого сохранения данных при перебоях в питании контроллера.

- 3-уровневая парольная защита программы пользователя.

- Универсальность входов и выходов центральных процессоров: стандартные дискретные входы и выходы, входы скоростного счета, импульсные выходы.

- Наращивание количества обслуживаемых входов и выходов за счет использования модулей расширения и/или систем распределенного ввода-вывода на основе AS-Interface.

- Универсальность встроенного интерфейса центральных процессоров: поддержка протоколов PPI/ MPI/ USS/ MOD-BUS, свободно программируемый порт.

- Наличие съемных терминальных блоков для подключения внешних цепей, упрощающих выполнение операций монтажа и замены вышедших из строя модулей.

- Поддержка обработки рецептурных данных.

- Использование картриджа памяти для регистрации данных и сохранения электронных версий технической документации.

- Возможность редактирования программы без перевода центрального процессора в режим STOP.

- Использование страничной адресации блоков данных.

Контроллеры РС

Промышленные контроллеры РС фирмы «КОНТЭЛ» предназначены для автоматизации и диспетчеризации локальных и комплексных систем управления. С помощью ПЛК решается широкий круг задач:

- Управление оборудованием сбора информации;

- Создание информационно-измерительных комплексов;

- Создание систем диагностики и аварийной сигнализации и т.п.

Некоторые серии данного контроллера ориентированы специально под системы отопления или горячего водоснабжения и выполняют задачи автоматического регулирования температуры теплоносителя в системах отопления и температуры горячей воды в системе горячего водоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха с помощью встроенного ПИД-регулятора.

Одни и те же аппаратные средства могут быть оперативно переориентированы под разнообразные задачи системой программирования «РЕЛКОН».

Реализована возможность дистанционного считывания состояния входов и выходов по GSM модему с указанием возникающих аварий.

Контроллеры рассчитаны на работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Имеется возможность дистанционного управления регулятором с ПК по интерфейсу RS 485.

Программируемые логические контроллеры РС построены на базе 8-разрядного микропроцессора AT89C51ED2.Так же в своем составе имеет:

- ПЗУ пользователя - 54 кбайта;

- ОЗУ пользователя - 1800 байт;

- Внешняя энергонезависимая память пользователя FRAM - 2 кбайта;

- Часы реального времени;

- Интерфейс RS-485;

- Аналоговые и дискретные входы/выходы.

Контроллеры SoftPLC

Контроллеры класса SoftPLC представляют собой PC-совместимые контроллеры, отличающиеся от классических ПЛК тем, что в них большинство функций, которые у ПЛК решаются на аппаратном уровне, могут выполняться с помощью программного обеспечения. Возможность применения более дешевых, отработанных и быстрее развивающихся открытых архитектур на базе РС-совместимой платформы позволяет широко использовать такие решения для задач, где раньше применялись только обычные ПЛК.

Контроллеры данного класса включают в себя процессор (AMD-188/186-40МГц, Intel Strong ARM 206МГц), оперативную память (объёмы могут быть самыми разными) с возможностью питания от отдельной батареи, Flash-память, встроенные часы реального времени и сторожевой таймер. Встроенный сторожевой таймер представляет собой аппаратно реализованную схему сброса, контролирующую рабочее состояние контроллера. В случае непредвиденного «зависания» контроллера сторожевой таймер автоматически его перезапускает. Для связи с модулями расширения используется высокоскоростная параллельная локальная шина. Контроллеры имеют также встроенные аппаратные и программные средства самодиагностики. В ПЗУ встроена операционная система MiniOS7, аналогичная MS DOS.

Кроме всего прочего данные ПЛК могут иметь встроенный видеоконтроллер, разъемы USB, PS/2 для манипулятора и клавиатуры, а также возможность подключения накопителей стандарта Compact Flash. Все это дает возможность использовать этот контроллер как полноценный промышленный компьютер.

Разрабатывать программы для контроллера можно на обычном компьютере. Можно использовать обычные языки программирования, такие как Си, Pascal, BASIC, то есть все то, что используется для создания программ под DOS. Так же существуют специальные операционные системы реального времени, например, Windows CE.NET, позволяющие программировать ПЛК, используя Visual Basic .NET, Visual C#, Embedded Visual C++, а также современные SCADA-системы.

Неоспоримыми достоинствами данных контроллеров являются:

- использование открытых протоколов, которое позволяет интегрировать в одну систему устройства широкого спектра производителей;

- простота программирования и доступность широкого спектра программного обеспечения, что минимизирует затраты времени и средств на создание системы;

- простота интеграции с системами управления более высокого уровня, что позволяет упростить доступ к данным технологических процессов со стороны систем управления предприятием.

Контроллер Fatek

Логические контроллеры Fatek предназначены для использования в средствах автоматизации для измерения, контроля и управления технологическими процессами, как в автономном режиме, так и в составе распределенных систем.

ПЛК Fatek отличаются простотой конфигурирования оборудования и широкими возможностями при работе с интерфейсом (предусмотрена возможность программно реализовывать сторонние протоколы).

Интегральная микросхема контроллера - оригинальная собственная разработка компании Fatek. Благодаря этому архитектура контроллера постоянно совершенствуется, а функциональные возможности расширяются.

Интегральная микросхема контроллера Fatek включает:

- центральный процессор;

- аппаратный логический процессор;

- пять высокоскоростных портов связи;

- четыре высокоскоростных счетчик-таймера;

- четыре высокоскоростных импульсных выхода для управления осями с линейной интерполяцией.

В составе АСУ ТП ПЛК Fatek поддерживают связь с другими элементами системы по протоколу Modbus и по Fatek-протоколу, обеспечивают числовое позиционирование, высокоскоростное импульсное управление электроприводом с модуляцией сигнала, работу с внешним энкодером, подключенным напрямую к входам контроллера, и обрабатывают до 16 внешних прерываний.

Контроллеры поддерживают до 256 таймеров, до 4 высокоскоростных (920 кГц) счетчиков и ПИД-регулятор с функцией контроля температуры и последующим ПИД-регулированием. Также они поддерживают 256 дискретных входов и 256 дискретных выходов, 64 аналоговых входа и 64 аналоговых выхода, 10000 энергонезависимых регистров для хранения данных.

Контроллеры Fatek обеспечивают и функцию работы с температурными датчиками.

ПЛК Fatek идеально подходят для построения многоуровневых систем управления, в том числе с удаленным доступом (SCADA-системы).

В качестве программного обеспечения ПЛК Fatek используется пакет WinProladder (ОС Windows) на базе языка лестничной логики (Ladder diagram). Контроллеры могут дооснащаться периферийными устройствами - картами памяти, коммуникационными модулями (RS-232, RS-485, USB, Ethernet) и др.

Все модели ПЛК Fatek могут поставляться с транзисторными выходами (до 920 кГц, от 50 мА до 0,5 А), релейными выходами (2А на выход, 4А на группу) и тиристорными выходами (1 А).

На основе проведенного анализа существующих моделей котроллеров был сделан вывод, что решению поставленной задачи автоматического контроля и регулирования наиболее полно соответствует программируемый логический контроллер фирмы ООО «КОНТЭЛ» РС 265D. Так как отличается от других моделей контроллеров более низкой ценой и своей ориентированностью на автоматизацию систем отопления и ГВС.

3.1.2 Программируемый логический контроллер РС-265D

Программируемый логический контроллер РС-265D (далее контроллер) предназначен для автоматизации локальных и комплексных систем управления.

Одни и те же аппаратные средства могут быть оперативно переориентированы под разнообразные задачи системой программирования «РЕЛКОН».

Контроллер РС-265D на базе однокристального микропроцессора АТ89C51ED2 решает широкий круг задач:

- Управление оборудованием сбора информации;

- Создание информационно-измерительных комплексов;

- Создание систем диагностики и аварийной сигнализации и т.п.

Технические характеристики контроллера серии РС265D приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики контроллера серии РС265D

№

Наименование параметра

1

Аналоговые входы,

токовая петля 0-20 мА (4-20 мА) (ADC),

шт.

8

2

Аналоговые выходы 0-20 мА (4-20 мА) (DAC),

шт.

-

3

Универсальные входы выходы,

шт.

4

4

Дискретные входы

оптоизолированные, 24 В/10 мА (DIN),

шт.

8

5

Дискретные выходы, оптоизолированные электронные ключи, коммутируемое напряжение (постоянное) 0-60 В, рабочий ток 0,1 А (DOUT),

шт.

4

6

Силовые выходы, коммутируемое напряжение (постоянное и переменное) 220 В, рабочий ток 0,4 А, ток срабатывания защиты 0,75 А, защита от короткого замыкания (OUT),

шт.

10

7

Интерфейс RS 485 (протяженность до 1200 м),

число

каналов

1

8

Питание от сети переменного тока (47-63 Гц),

В

110-265

9

Потребляемая мощность от сети,

Вт

не более 2

10

Погрешность измерения,

%

+0,5

11

Диапазон температур измеряемой среды датчиками производства ООО ...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены