Система автоматического регулирования (САР)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Краткие сведения о технологии объекта автоматизации

2. ПИСЬМЕННЫЙ АНАЛИЗ РАЗНОВИДНОСТЕЙ И ХАРАКТЕРИСТИК ЗАДАННОГО ЭЛЕМЕНТА САР

2.1 Виды датчиков температуры

2.1.1 Термопреобразователи Сопротивления.

2.1.2 Термоэлектрические Преобразователи (Термопары)

2.1.3 Пирометры

3. ВЫБОР КОНКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (САР) ПО УСЛОВИЮ ЗАДАНИЯ

3.1 Термопреобразователь Сопротивления

3.2 Исполнительный механизм ИМ 2/120

3.3 Электронный мост ЭМП-209

3.5 Программный ПИД-регулятор ТРМ251

4. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕОХОРДА

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ САР

Введение

Технологии современного производства достаточно сложны и скоротечны. Соответственно они требуют более совершенных средств автоматизации и квалифицированных специалистов. Совершенствование средств автоматизации достигается применением современной элементной базы систем автоматизации, а технический уровень развития производства определяется степенью автоматизации.

Техническим средством автоматизации называют простейшую конструкцию, способную выполнить одну конкретную операцию. Эти элементы разнообразны по конструкции, принципу действия, назначению, функциональным возможностям и т.д. Например, измерительный преобразователь (ИП) является первым элементом систем контроля и управления. Он способен проявить чувствительность к определенной физической величине, воспринять эту величину и преобразовать в другую величину, удобную для передачи по цепи управления. Соединение упомянутых элементов в определенную логическую структуру и подключение этой структуры к производственному агрегату образуют систему автоматизации. Тогда производственный агрегат называют объектом управления. Система автоматики - это совокупность элементов автоматики с объектом контроля или регулирования, в качестве которого обычно используют производственный аппарат для выполнения производственных операций с целью получения полуфабриката или готовой продукции. Наиболее эффективной является система автоматического регулирования (САР). Она состоит из элементов: объект регулирования (ОР), измерительный преобразователь (ИП), задатчик (ЗД), элемент сравнения (ЭС), усилительно-преобразующее устройство (УПУ), исполнительный механизм (ИМ), регулирующий орган (РО) / 1 - 6 /.

В САР автоматический регулятор (АР) воздействует на объект регулирования с целью достижения поставленной задачи управления. Это воздействие может осуществляться изменением подачи количества энергии или вещества, поступающих за счет дроселирования регулирующего потока или регулирования производительности агрегатов, подающих регулирующий поток. В зависимости от характеристик входящих в САР элементов, закономерность изменения регулирующего потока может быть разной и как следствие, разными оказываются показатели качества регулирования. В этой связи при проектировании систем управления необходимо осуществить правильный подбор структурных элементов САР путем соответствующего анализа и расчета. Для этого необходимо знать номенклатуру структурных элементов, их характеристики и технику практического использования.

Данный курсовой проект предусматривает изучение элементной базы и разработку конкретной системы автоматического регулирования (САР) с определением конкретных её структурных элементов и представлением принципиальной схемы САР, как конечный результат курсового проекта.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Краткие сведения о технологии объекта автоматизации

С целью формирования прочности железобетонных изделий (ЖБИ) их подвергают тепловлажностной обработке в пропарочных камерах. После формовки ЖБИ их выдерживают четыре часа при комнатной температуре, а затем загружают в пропарочную камеру.

Пропарочная камера представляет собой бетонированную яму объемом порядка 20м³ с крышкой. В камере смонирован паропровод для подачи пара в камеру и тепловлажностной обработки ЖБИ, загруженных в камеру. Происходит температурный прогрев по определенному графику: 2 часа подъём до 90^о С, затем прогрев при неизменной температуре 90^о С в течении 5-ти часов, далее снижение температуры до комнатной в течение 2-х часов. Выполняется программное изменение температуры пропарочной камеры путём дозирования подачи пара в камеру автоматическим регулятором (АР).

Такой процесс обработки формирует прочную межмолекулярную связь цементной массы и образует монолит ЖБИ.

Тепловлажностная обработка деталей производится в прапарочных камерах, туннельных камерах и кассетах. В некоторых случаях применяют электрический прогрев деталей, подключая напряжение к арматуре и форме и пропуская ток через бетонную массу. Для технологического процесса существенное значение имеет скорость подъема и понижения температуры. В настоящее время тепловую обработку железобетонных изделий в среде насыщенного водяного пара осуществляют в камерах твердения непрерывного и циклического действия. Камеры непрерывного действия подразделяются на напольные, проходные или тупиковые и вертикальные башенные. Тепловая обработка осуществляется в этих камерах при определенном значении температур среды в каждой зоне и перемещением изделия в этих температурных зонах. Наиболее распространенными камерами пропаривания являются ямные и тоннельные установки периодического (циклического действия). В отличие от ямных камер, где осуществляется тепловая обработка крупноразмерных изделий, а загрузка и выгрузка осуществляется в вертикальной плоскости, в камерах тоннельного типа пропариваются изделия небольших размеров и операции загрузки и выгрузки осуществляются в горизонтальной плоскости. На большинстве заводов и полигонах наибольшее применение нашли камеры тепловой обработки ямного типа. Регулирование температуры в камере происходит при изменении притока пара, что осуществляется закрытием или открытием паровых вентилей. Исследования характеристик ямной камеры как объекта автоматического регулирования по температуре показали, что переходный процесс повышения температуры камеры при полностью открытом паровом вентиле имеет экспоненциальный вид. При изучении пропарочной камеры как объекта регулирования установлено, что: тепловой процесс в камере обладает положительным коэффициентом самовыравнивания; процесс нарастания температуры среды при поступлении или сбросе пара происходит по экспоненциальному закону; постоянная времени этой экспоненты достаточно велика. Таким образом, пропарочная камера для системы авторегулирования является звеном инерционным с большой постоянной времени. В распространенных до последнего времени системах автоматического регулирования температуры программируется последовательность и длительность этапов процесса тепловой обработки с позиционным регулированием температуры изотермического прогрева. Для автоматического регулирования температуры в пропарочной камере широкое применение получили схемы с двухпозиционным элементом регулирования. Экспериментальные исследования показывают, что постоянная времени теплового процесса в камере во много раз больше, чем постоянные времени других структурных элементов системы автоматического регулирования температуры в пропарочной камере. Стабильность регулирования тепловой обработки системами автоматизации, использующими в качестве регулируемого параметра температуру конденсата, подтвердила правильность сделанного выбора. Вместе с тем, использование температуры конденсата в качестве регулируемого параметра вызывает необходимость устранения влияния на нее ряда внешних факторов, не связанных с ходом тепловой обработки в данной кассетной установке. Температура конденсата может колебаться при наличии пролетного пара в соседней кассетной установке и недостаточно надежной работе системы отвода паровоздушной смеси из бака сбора конденсата; необходимо обеспечить стабильную работу системы пароснабжения всех кассетных установок в данном цехе и интенсивный отвод паровоздушной смеси из бака сбора конденсата.

2. ПИСЬМЕННЫЙ АНАЛИЗ РАЗНОВИДНОСТЕЙ И ХАРАКТЕРИСТИК ЗАДАННОГО ЭЛЕМЕНТА САР

2.1 Виды датчиков температуры

Контроль над температурой составляют основу многих технологических процессов. Измерение температуры жидкости, газа, твердой поверхности или сыпучего порошка -- каждый случай имеет свою особенность, которую необходимо понимать, чтобы измерения максимально соответствовали поставленной задаче. Существует множество датчиков температуры, построенных с использованием различных физических законов. Одни из них прекрасно справляются с конкретной задачей по измерению температуры, другие предназначены для универсального использования. Практически все температурные датчики, применяемые в современном производстве, используют принцип преобразования измеряемой температуры в электрические сигналы. Такое преобразование основано на том, что электрический сигнал возможно передавать с высокой скоростью на большие расстояния, в электрические же сигналы могут быть преобразованы любые физические величины. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.

2.1.1 Термопреобразователи Сопротивления.

Рисунок 1 - Термопреобразователь сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (термо-резисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры. Материал, из которого изготавливается такой датчик, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени все муказанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей - медь. автоматизация температура термопреобразователь реохорд

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур впределах от -260 до 1100 0С. В диапазоне температур от 0 до 650 0С ихиспользуют в качестве образцовых и эталонных средств измерений, причемнестабильность градуировочной характеристики таких преобразователей непревышает 0,001 0С.

Платиновые терморезисторы обладают высокой стабильностью ивоспроизводимостью харакетристик. Их недостатками являются высокая стоимость и нелинейность функции преобразования. Поэтому они используются для точных измерений температур в соответствующем диапазоне.

Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 1800C. По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым.

2.1.2 Термоэлектрические Преобразователи (Термопары)

Рисунок 2 - Термопара

Принцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутом контуре, состоящем из двух разнородных проводников (или полупроводников), течет ток, если места спаев проводников имеют различные температуры. Если взять замкнутый контур, состоящий из разнородных проводников (термоэлектродов), то на их спаях возникнут термо-ЭДС E(t) и E(t0), зависящие от температур этих спаев t и t0. Так как эти термо-ЭДС оказываются включенными встречно, то результирующая термо-ЭДС ,действующая в контуре, равна E(t) - E(t0).

При равенстве температур обоих спаев результирующая термо-ЭДС равнанулю. Спай, погружаемый в контролируемую среду, называется рабочим концомтермопары, а второй спай - свободным. У любой пары однородных проводников значение результирующей термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температуры вдоль проводников.

2.1.3 Пирометры

Рисунок 3 - Пирометр

Серьезным недостатком рассмотренных выше термопреобразователей сопротивления и термоэлектрических преобразователей является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры - бесконтактные датчики, основанные на использовании излучения нагретых тел. Тепловое излучение любого тела можно характеризовать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени иприходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью (интенсивностью монохроматического излучения).

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов. Использующие энергию излучения нагретых тел пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения.

3. ВЫБОР КОНКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (САР) ПО УСЛОВИЮ ЗАДАНИЯ

3.1 Термопреобразователь Сопротивления

Рисунок 4 - Термопреобразователь сопротивления ТСМ - 0281

Измерение температуры с помощью термопреобразователя основано на свойстве меди изменять свое сопротивление с изменением температуры. Измерительным узлом термопреобразователя является помещенный в защитную арматуру чувствительный элемент, представляющий собой бифилярную намотку из медной проволки. Элемент включен в электрическую цепь термопреобразователя. Изменение сопротивления медного чувствительного элемента фиксируется вторичным прибором, имеющим шкалу, градуированную в градусах Цельсия. Предел измерения температуры является -50…+120 є С.

3.2 Исполнительный механизм ИМ 2/120

Рисунок 5 - Исполнительный механизм ИМ 2/120

Нагрев ямной камеры с деталями производится впуском пара через трубу, расположенную на дне камеры. Подачей пара управляет моторный исполнительный механизм ИМ 2/120, получающий импульсы от астатического программного регулятора. Исполнительный механизм типа ИМ-2/120 состоит из двухфазного асинхронного двигателя М с шестеренчатым редуктором Р, реостата обратной связи РО и узла конечных выключателей. На выходном валу редуктора установлен кривошип с. передвижной головкой для сочленения с регулирующим органом. К1 и К2 -- контакты регулятора. При замыкании контакта К1 напряжение на одну статорную обмотку подается непосредственно, а на другую -- через конденсатор С, служащий для сдвига фаз тока на 90° в обмотках. При этом двигатель вращается в одном направлении. Если замкнется контакт К2, то изменится направление вращения двигателя, так как другая обмотка будет подключена непосредственно к сети, а первая -- через конденсатор С. Назначение конечных выключателей такое же, как и в исполнительных механизмах ПР и ПР-1.

3.3 Электронный мост ЭМП-209

Рисунок 6 - Электронный мост ЭМП-209

ЭЛЕМЕНТ СРАВНЕНИЯ Датчиками температуры служат термометры сопротивления вторичными приборами для контроля и регулирования температуры-- электронные мостытипа ЭМП-209. ?Электронные мосты с термометрами сопротивления служат для измерения и дистанционной записи температуры воздуха, рассола, охлаждающе воды и др. При изменении температуры, вызывающем изменение сопротивления термометра, равновесное состояние моста нарушается и в диагонали его возникает некоторое напряжение. Электронный усилитель увеличивает это напряжение до величины, достаточной для включения уравновешивающего реверсивного двигателя, который перемещает движок по реохорду до тех пор, пока в схеме моста не наступит равновесия. Питание моста переменным током напряжением осуществляется от одной из обмотоксилового трансформатора электронного усилителя.

3.4 Клапан ПРК-61

Рисунок 7 - Клапан ПРК-61

В данной системе в качестве исполнительного механизма применяется клапан ПРК-61 , который предназначен для регулирования подачи пара при автоматизации технологических процессов на базе электронного программного регулятора ЭРП-61. Клапан регулирующий относится к регулирующей трубопроводной арматуре, которая используется в качестве устройств регулирующих различные параметры рабочей среды в системе, путем изменения расхода среды через своё проходное сечение. Принцип работы заключается в следующем: усилие от привода с помощью штока передается на затвор, который, в свою очередь, перекрывает часть проходного сечения. Что приводит к уменьшению скорости потока среды, а статическое давление в трубе увеличивается. При полном закрытии, поток перекрывается, и, если затвор будет полностью герметичен, давление после клапана будет равно нулю. Когда требуется надежная герметичность клапана в закрытом положении, применяются односедельные клапаны. Регулирующие клапаны делятся на односедельные и двухседельные. Различают проходные, угловые, трехходовые регулирующие клапаны. Клапаны регулирующие выпускаются в соответствии с техническими условиями, и комплектуются всей необходимой сопроводительной документацией, такой как паспорт на изделие, сертификат качества, разрешение на применение. Регулирующие клапаны одни из наиболее используемых при процессе транспортировки различных сред, а область их применения очень широка. Данный вид изделия отличается разнообразием конструкций.

3.5 Программный ПИД-регулятор ТРМ251

Одноканальный программный ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ251 применяется для управления многоступенчатыми температурными режимами в системах управления электропечами (камерными, элеваторными, шахтными, плавильными и др.). ТРМ251 управляет технологическим процессом по программе, которая представляет собой последовательность шагов. Шаг включает в себя 2 стадии: нагрев (или охлаждение) до заданной температуры в течение заданного времени роста и поддержание температуры на уровне установки в течение заданного времени выдержки.

Рисунок 8 - Пример программы для ТРМ251

4. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕОХОРДА

В данном случае реохорд должен своим сопротивлением балансировать мостовую схему в диапазоне измеряемых температур 0100^оС, т.е. изменять своё сопротивление в ответ на изменение сопротивления датчика от воздействия на него измеряемой температуры.

Чтобы найти это сопротивление, составим уравнение баланса мостовой схемы для двух крайних положений движка реохорда R_р . Крайние положения получаются при величине термосопротивления R_t на краях диапазона измеряемой температуры. При R_tmax (при 100^оС) движок реохорда в левом крайнем положении, при R_tmin (при 0^оС) движок реохорда в правом крайнем положении. Тогда получим два уравнения баланса:

(R_t1+R_p)r=R₁r - для минимальной температуры;

R_t2r=(R₁+R_p)r - для максимальной температуры.

Рисунок 8 - Измерительная мостовая схема

Проводим сокращения и получим

R_t1+ R_p= R₁ (2.23)

R_t2= R₁+ R_p (2.24)

Подставим R₁ из уравнения (2.23) в уравнение (2.24)

R_t2= R_t1+ R_p+R_p

Решим это уравнение относительно R_p

R_t2 - R_t1=2 R_p; (2.25)

Таблица 2.3 - Градуировочные значения медного термосопротивления

= (142,6-100)/2 = 21,3

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ САР

После загрузки изделий и закрытия крышки с помощью переключателя 1--1 и вентиля 2--1 заполняют гидрозатворы системы вентиляции. Информацию об уровне воды подает сигнализатор 3--1. Затем включают программный регулятор температуры 4--1 типа ПРТЭ-2М В соответствии с изменением выходного сигнала задающего устройства (копир с изменяющимся профилем) регулятор при помощи исполнительного механизма 2--3 (электромагнитный вентиль типа СВВ) управляет расходом пара в камере. Давление в паропроводе поддерживает регулятор 5--2,

После окончания активного периода тепловлажностной обработки (прогрева и изотермического выдерживания) с помощью переключателя 1--2 и вентиля 2--2 выпускают воду из гидрозатворов системы вентиляции. Затем, используя дистанционное управление 1--3, включают вентилятор для охлаждения изделий.

Аналогична схема подключения и работы программного регулятора температуры ЭРП-61. Программу работы задают с помощью профилированного диска, кинематически связанного с движком потенциометрического задатчика. Информацию о температуре передает малоинерционный термодатчик ТДР-61. В качестве исполнительного механизма используют запорно-регулирующий паровой клапан ПРК-61 с диаметром условного прохода 50 мм. Регулятор снабжен двумя концевыми выключателями, обеспечивающими остановку программного диска по окончании цикла и сигнализацию в цех.

Размещено на Allbest.ru