Назначение и требования к объекту автоматизации и системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Краткое описание систем автоматического управления

1.1 САР температуры топлива

1.2 ДВС как объект регулирования температуры в системах охлаждения

2. Описание выбранной системы управления

2.1 Назначение и требования к объекту автоматизации и системы

2.2 Описание и идентификация объекта автоматизации и его режимы

работы

2.3 Описание и анализ средств автоматизации объекта управления

2.4 Принцип действия и схемы чувствительных элементов, регулирующих блоков и исполнительных механизмов

2.5 Статика и динамика характеристики автоматической системы управления

2.6 Эксплуатация выбранной системы управления, охрана труда



1. Краткое описание систем автоматического управления

1.1 САР температуры топлива

Условия смесеобразования, время сжигания и объемы камер ДВС ставят жесткие требования к тонине и однородности распыла топлива. Увеличение размеров капель впрыскиваемого в цилиндр топлива приводит к увеличению дальнобойности струи, удлинению времени испарения и воспламенению капель топлива снаружи. При этом происходит крекингование топлива в капле, увеличивается нагар, занос окон и клапанов и т. п. Уменьшение размеров капель уменьшает дальнобойность струи, что приводит к ухудшению условий сгорания из-за местной недостачи воздуха. Как показывают исследования, на качество распыла, а следовательно, и на экономичное сжигание топлива весьма существенное влияние оказывает вязкость топлива. Между тониной распыла и вязкостью топлива существует определенная зависимость. Оптимальное значение вязкости, обеспсчп- вающее качественный распыл и сжигание топлива, находится в узких пределах изменения. Отклонение вязкости от оптимального» значения не только ухудшает процесс сгорания топлива, но и увеличивает износы цилиндро-поршневой группы и топливной аппаратуры.

При работе двигателей на дизельном топливе необходимости в специальном регулировании вязкости нет, так как пределы изменения вязкости дизельного топлива малы. Однако в настоящее время, с целью повышения экономичности, почти во всех судовых ДВС большой мощности предусматривается сжигание тяжелых, сортов топлива. Пределы же изменения вязкости тяжелых сортов топлива даже при неизменной температуре весьма широки. Существующие стандарты на топливо допускают варьирование вязкости в большом диапазоне. Так, например, для мазута М-40 допустимый диапазон вязкости при 10° С составляет от 20 до 40° Е. Вязкость одной и той же марки топлива может значительно отличаться в зависимости от условий хранения, месторождения сырья и т. п. Нередко в качестве топлива для двигателей используются смеси различных марок топлива, каждый компонент которых при одной и той же температуре имеет свою вязкость, которая с изменением температуры изменяется неодинаково. Поддержание оптимальной вязкости топлива имеет важное значение и при сжигании тяжелого топлива в котельных установках, где качество распыла существенно влияет на к.п.д.

В ряде случаев для регулирования вязкости топлива устанавливаются обычные автоматические регуляторы температуры подогрева. Однако поддержание заданной оптимальной вязкости обычным терморегулятором весьма затруднительно, так как вязкость и температура топлива не имеют однозначной зависимости. Особенно трудно подобрать температурный режим для смеси топлива. Очевидно, что наилучшим решением задачи поддержания оптимальной вязкости топлива является установка автоматического регулятора, непосредственно контролирующего вязкость. Сравнительный анализ работы двигателей с регуляторами температуры топлива и с регуляторами вязкости показывает, что расходы топлива при регулировании вязкости уменьшаются на 3--5% [1].

Регуляторы вязкости, устанавливаемые на судах, в качестве импульса используют разность давлений между входом и выходом на капиллярной трубке при постоянном расходе топлива через нее.

САР температуры топлива, принципиальная и функциональная схемы которой приведены на рис. 1, имеет регулятор с отрицательной силовой жесткой обратной связью (ЖОС). Объектом регулирования является подогреватель топлива 9, имеющий регулирующий орган -- паровой клапан 1. Регулятор состоит из следующих элементов: ЧЭ -- манометрического термометра 8, ЗЭ -- пружины 5 с РУ -- гайкой 4, ЭС -- рычага 7, УУ -- струйного типа 6, С -- сервомотора 2 и отрицательной силовой ЖОС--рычага 3 с пружиной 5, которая одновременно является и задающим элементом.

Силовая ЖОС преобразует входную величину -- перемещение поршня сервомотора в усилие, создаваемое пружиной 5, воздействующее на измерительное устройство.

Рис. 1. Схема САР температуры топлива: a-функциональная; б-принципиальная

В любом равновесном состоянии регулятора положение рычага 7 будет неизменным, а рычага 3 -- зависит от открытия клапана 1. Сумма моментов сил, создаваемых пружиной 5 и давлением наполнителя манометрического ЧЭ на донышко сильфона, действующих на рычаг 7, равна нулю. Поэтому, например, при большей нагрузке момент, создаваемый силой упругости пружины, будет меньше, а значит, уменьшится и температура топлива, определяющая уравновешивающий момент силы давления паров наполнителя ЧЭ. Это определяет статическую ошибку и влияние ЖОС на статику регулирования. Регуляторы с ЖОС являются статическими.

В рассматриваемом регуляторе влияние ЖОС может изменяться, например, перемещением подвесок пружины на рычагах сравнения и обратной связи -- влево или вправо. При этом статическая характеристика будет не только изменять крутизну, но и перемещаться вверх или вниз. При нарушении равновесного состояния САР, например уменьшением расхода топлива, его температура увеличится и рычаг 7 с заслонкой 6 повернется по часовой стрелке, обеспечивая перемещение поршня 2 сервомотора вверх. ЖОС -- рычаг 3 с пружиной 5 окажет воздействие на заслонку 6, пропорциональное перемещению поршня сервомотора, стремясь повернуть ее в противоположном направлении сравнительно с воздействием измерительного устройства. В конечном итоге обеспечивается возвращение заслонки 6 в среднее положение при перемещении поршня сервомотора и жестко соединенного с ним регулирующего органа в положение, соответствующее новой нагрузке. В этом и состоит назначение жесткой обратной связи -- движущийся под воздействием управляющего устройства поршень сервомотора через ЖОС воздействует на УУ, обеспечивая выключение его воздействия путем возвращения заслонки 6 в среднее положение. При этом достигается однозначная (жесткая) зависимость в установившихся процессах между отклонением регулируемой величины и перемещением поршня сервомотора. Таким образом влияние ЖОС проявляется в статике и динамике регулирования. Проанализировав систему можно сделать вывод что данная система регулируется с помощью П-закона регулирования.

Исполнительный механизм предназначен для преобразования вспомогательной энергии, подводимой к нему усилительным устройством из внешнего источника, в механическую, затрачиваемую на преодоление сопротивлений перемещению жестко связанного с ним регулирующего органа в соответствии с сигналом управления.

Наиболее распространенным типом гидравлических ИМ являются поршневые сервомоторы. Гидравлические поршневые сервомоторы обеспечивав ют большие перестановочные усилия при малых габаритных размерах, имеют высокие к. п. д. и надежность отличаются плавностью хода и могут иметь большую длину хода, чем мембранные.

Особое внимание уделяется уплотнению штока и поршня в цилиндре. Поршни ИМ, в которых в качестве рабочей жидкости используется вода с температурой до 60 °С, уплотняют манжетами из кожи, пропитанной касторовым маслом, либо из специальной резины. Поршни ИМ, рабочей жидкостью в которых является масло, притирают по цилиндрам с зазором 0,03--0,05 мм в зависимости от их диаметра. Уплотнение штоков поршней осуществляется асбестовой или пеньковой просаленной набивкой либо манжетами из специальной маслостойкой резины [3].

В процессе использования ТСА их характеристики с течением времени ухудшаются, поэтому для поддержания надежности ТСА на требуемом уровне выполняют их техническое обслуживание. Его подразделяют на плановое (профилактическое) и неплановое (вынужденное). Плановое ТО выполняется во время действия ТСА и направлено на предупреждение преждевременного изнашивания деталей, возникновения неисправностей и отказов. В него входят планово-предупредительные осмотры, планово-предупредительные ремонты и ТО во время длительного бездействия ТСА.

Обычно ТО принято выполнять через определенное календарное время или по достижении определенной наработки в соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя. В этом случае не учитывается фактическое состояние ТСА. Выполнение ТО по фактическому техническому состоянию требует использования переносных или встроенных средств технического диагностирования, позволяющих без разборки ТСА в любой момент времени получать полную информацию об их техническом состоянии.

При выполнении ППО и ППР руководствуются следующими общими правилами:

- без особой необходимости не подвергают разборке приборы и механизмы, находящиеся в исправном состоянии;

- при разборке и сборке приборов соблюдают максимальную чистоту;

- обеспечивают сохранность снятых деталей и принимают меры их защиты от повреждений.

К неплановому ТО и ремонту относятся все виды работ, выполняемых при отказах, неисправностях и аварийных повреждениях.



1.2 ДВС как объект регулирования температуры в системах охлаждения

Оптимальный температурный режим в системе охлаждения двигателя обусловливается рабочими и эксплуатационными показателями, характеризуемыми эффективной мощностью двигателя, его экономичностью и степенью износа.

При уменьшении количества тепла, отводимого системой охлаждения от цилиндров двигателя, увеличивается количество тепла, участвующего в полезной работе газов, т. е. повышается индикаторный к.п.д. Однако большая часть этого тепла идет на увеличение температуры выхлопных газов и передается маслу и только 10--15% дополнительного тепла участвует в полезной работе.

В то же время увеличивается температура стенок цилиндра, что приводит к уменьшению коэффициента наполнения и коэффициента избытка воздуха. В результате суммарное влияние некоторого увеличения индикаторного к.п.д., уменьшения коэффициента наполнения и коэффициента избытка воздуха на индикаторную мощность двигателя оказывается невелико, и в ряде случаев сопровождается даже некоторым уменьшением индикаторной работы.

С повышением температуры в системе охлаждения повышается температура цилиндровых втулок, что уменьшает вязкость масляного слоя между поршнями и втулками цилиндров двигателя. При температурах воды на выходе из системы охлаждения 70--85° С вязкость масла становится близкой к минимально допустимой, что обеспечивает увеличение механического к.п.д. Так как на преодоление сил трения в цилиндрах затрачивается около 80% всей мощности, идущей на преодоление трения в двигателе, то увеличение механического к.п.д. в этой части двигателя существенно влияет на его эффективную мощность и удельные расходы топлива. Особенно существенно снижается расход топлива с увеличением температуры в системе охлаждения при режимах частичной нагрузки. В зависимости от условий теплоотвода от стенок цилиндров и сорта применяемого масла повышение эффективной мощности и уменьшение удельных расходов топлива с изменением температуры в системе охлаждения для различных двигателей может быть неодинаково. Наиболее значительное повышение эффективной мощности наблюдается при повышении температуры воды на выходе из двигателя до 70--75° С. Дальнейшее повышение температуры не дает заметного увеличения эффективной мощности двигателя и создает условия для снижения вязкости масла ниже минимальной допустимой.

Основной причиной износа цилиндро-поршневой группы двигателя является коррозионное действие на нее топлива и масла. В период задержки самовоспламенения в камере сгорания образуются химически активные пароксидные соединения, которые, распадаясь вблизи стенок цилиндра, вызывают интенсивный коррозионный процесс. С повышением температуры стенок-цилиндра зола наиболее интенсивных пароксидных образований отделяется от стенок. Исследования показывают, что износ цилиндро-поршневой группы заметно уменьшается при повышении температуры охлаждающей воды на выходе из двигателя до 75--80° С. Дальнейшее повышение температуры не приводит к заметному уменьшению износа. Таким образом, оптимальная температура охлаждающей воды на выходе из двигателя с точки зрения экономичности и износов находится в интервале 70--80° С.

На морских судах иногда для охлаждения двигателей используется забортная морская вода, что обусловливается простотой и дешевизной системы охлаждения. В таких случаях температура охлаждающей воды на выходе из двигателя должна поддерживаться на более низком уровне (45--55° С), чтобы избежать выпадения солей и образования накипи в зарубашечном пространстве [5].

Двигатель внутреннего сгорания как объект регулирования температуры охлаждающей воды на выходе из него является сложным многоаккумуляторным объектом с распределенными параметрами (предусматривают поддержание температуры на выходе из двигателя, а не на входе, так как при этом лучше стабилизируется температура по высоте цилиндра и обеспечивается оптимальный режим в наиболее теплонапряженных местах).

Дифференциальное уравнение двигателя как объекта регулирования температуры может быть получено в результате составления и совместного решения уравнений установившегося и неустановившегося режимов. Однако составление и решение этих уравнений связано с серьезными трудностями, так как в системе охлаждения двигателей имеют место весьма сложные сочетания физических процессов. В практике в большинстве случаев для выбора системы регулирования температуры в системе охлаждения двигателей и параметров настройки регуляторов используется упрощенное уравнение объекта. Коэффициенты упрощенного уравнения определяются по экспериментальным разгонным характеристикам объекта. В случаях, когда расчет ведется для вновь проектируемого двигателя, используются экспериментальные данные, полученные для близких прототипов. Экспериментальные разгонные характеристики по температуре охлаждающей воды на выходе из двигателей в начальной фазе имеют участок, характерный для сложных объектов (постепенное нарастание скорости изменения температуры), который затем переходит в кривую, очень близкую к экспоненте.

Регулятор температуры охлаждающей воды двигателя внутреннего сгорания, работающий по пропорциональному закону регулирования показан на рис. 2.

Процесс управления температурой выполняют два дилатометрических термометра. Один из которых 5 реагирует на изменение температуры, а второй 2 на температуру в охладителе пресной воды.

Отклонения выходных сигналов замеренные на трубопроводах поступают на селектор 8. Действия этих сигналов противоположны по знаку. Назначение селектора -- сравнение сигналов термометров и пропуск наибольшего по величине к позиционеру 9. Мембранный сервомотор 10 отдает предпочтение импульсу из того измерителя, который зафиксировал более низкое значение температуры охлаждающей воды. Такая схема регулирования не допускает переохлаждения поверхностей, охлаждение двигателя не зависимо от возникновения возмущающих воздействий. Регулирование протекает по выше описанной схеме, через изменение расхода охлаждающей воды на насосе 1. Очистку и редуцирование давления сжатого воздуха выполняют фильтры 6 и 7. Клапана 3 и 4 настраивают значения коэффициентов усиления, а клапан 11 позволяет изменить скорость мембранного сервомотора [6].

Устойчивость процесса температурного режима двигателя можно повысить переводом П-регулятора в ПИ-Закон регулирования. С этой целью между звеньями 8 и 9 необходимо встроить ПИ-регулятор.

Это позволит получить температуры охлаждающей воды на входе и выходе из ДВС, изменяющимися по астатическому Закону.

Регулятор 2, функционирующий по П-Закону регулирования, решает задачу поддержания температуры воды на входе и воспринимает отклонения ее значений от заданного при колебаниях нагрузки. Если в схемах регулирования ДВС температура забортной воды на входе поддерживается на охладителе постоянной, то достаточно постановки только регулятора 5, работающего по линии пресной воды.

Рис. 2. Схема регулирования охлаждающей воды ДВС

Рис. 3.Функциональная схема охлаждающей воды ДВС



2. Описание выбранной системы управления

2.1 Назначение и требования к объекту автоматизации и системы управления: точность и скорость системы

Температура охлаждающей воды, контролируемая с помощью термометров, установленных на отливных патрубках цилиндровых крышек, должна быть примерно одинаковой для всех цилиндров и соответствовать указаниям инструкции по обслуживанию двигателя. При охлаждении морской водой температура ее по выходе из системы должна быть не выше 50° С во избежание интенсивного отложения накипи. Если охлаждение производится пресной водой, то температура воды по выходе из двигателя поддерживается в пределах 70 -- 80° С. Разность температур воды, выходящей из крышек различных цилиндров, не должна превышать 5° С.

Для регулирования температуры отходящей воды в каждом цилиндре имеются регулировочные краны, установленные на отливных патрубках цилиндровых крышек. автоматический механизм двигатель

Повышение, или понижение температуры воды у отдельных цилиндров при одинаковой величине открытия регулировочных кранов указывает либо на неравномерность распределения нагрузки по цилиндрам, либо на нарушение режима охлаждения из-за наличия отложений. При сильном повышении температуры отходящей воды из какой-либо крышки цилиндра увеличивают охлаждение соответствующего цилиндра, проверяют равномерность распределения нагрузки между цилиндрами, а также температуру отработавших газов.

Быстрое повышение или понижение температуры воды, охлаждающей двигатель, не допускается, так как это может привести к появлению температурных напряжений и деформаций деталей и, как следствие, задиров поршней или возникновению трещин в крышках цилиндра. Температура воды одновременно во всех цилиндрах регулируется количеством воды, поступающей в систему охлаждения.

Низкая температура охлаждающей воды может вызвать деформацию цилиндровых втулок и поршней, увеличивает тепловые потери и снижает экономичность двигателя. При температуре поступающей в дизель воды ниже 15° С ее подогревают до температуры не ниже 25° С. Для этого часть нагретой воды из сливного трубопровода через специальный трубопровод с регулировочным клапаном (последний открывают) перепускают в приемный трубопровод насоса и смешивают с холодной водой, в результате чего температура воды, поступающей в систему охлаждения двигателя, повышается.

Для снижения тепловых напряжений в охлаждаемых деталях двигателя, улучшения процесса горения топлива и уменьшения закоксования поршневых колец стремятся к тому, чтобы разность температур входящей и выходящей из двигателя воды была небольшой (7 -- 15° С для замкнутых систем и 10 -- 20° С для проточных систем). Интенсивность охлаждения повышается за счет увеличения скорости протекания воды в водяных рубашках двигателя. Если давление воды в системе охлаждения ниже 0,75 кгс/см², скорость протекания становится очень малой, что вызывает образование накипи и паровых подушек в застойных местах полостей охлаждения, а следовательно, и местные перегревы.

Повышенный нагрев охлаждающей воды при нормальной температуре отработавших газов и равномерной нагрузке по цилиндрам может происходить вследствие значительного отложения солей и осадков в водяных полостях. Если при полном открытии регулировочного крана температура воды не понижается до нормы, то нагрузка перегретого цилиндра должна быть снижена и при первой возможности должны быть очищены водяные полости дизеля.

Воздух, попадающий в систему охлаждения двигателя, ухудшает охлаждение, и его выпускают через воздушные краны, установленные в верхних частях трубопроводов водяного холодильника.

Вода или масло после охлаждения поршней должны стекать в смотровую воронку беспрерывными струями, без пузырей и с одинаковой температурой для всех поршней, которая измеряется в каждой сливной трубе при помощи термометра. При ухудшении условий охлаждения поршней двигатель останавливают, выясняют неисправность и устраняют ее. Давление в системе охлаждения поршней составляет 2,5 -- 4 кгс/см², в системе охлаждения цилиндров 0,75 -- 2 кгс/см²; контролируется оно по показаниям манометра и регулируется клапанами, установленными на трубопроводах системы охлаждения.

При замкнутой системе охлаждения двигателя перепад температуры пресной воды в водо-водяном холодильнике регулируется количеством забортной воды, прокачиваемой через него, и должен быть в пределах, указанных в заводской инструкции.

При выходе из строя водяного насоса охлаждение двигателя может быть обеспечено резервным насосом или переводом двигателя на аварийное охлаждение от пожарного насоса. Последний имеет большую производительность и сильный напор. Чтобы вода из пожарного насоса не повредила систему охлаждения двигателя, ее необходимо дросселировать разобщительным клапаном.

При заполнении системы охлаждения двигателей водой обращают особое внимание на ее химический состав, который играет важную роль в обеспечении нормальной работы двигателя. Вода хорошо растворяет соли, щелочи, кислоты и такие газы, как кислород, азот, углекислоту и др.

Соли кальция и магния, находящиеся в растворенном состоянии в воде, придают ей особое свойство, которое принято называть жесткостью. За единицу жесткости принят миллиграмм-эквивалент солей на 1 л воды. Один миллиграмм-эквивалент соответствует содержанию в 1 л воды 20,04 мг Са или 12,16 мг Mg.

Временная, или устранимая, жесткость зависит от содержания в воде бикарбоната кальция Са(НСО₃)₂ и бикарбоната магния Mg(HCO₃)₂. При кипячении воды эти соли распадаются на карбонаты, которые выпадают в осадок, и углекислый газ, уходящий в атмосферу. Таким образом, бикарбонаты кальция и магния находятся в воде в растворенном состоянии только до ее кипячения. Постоянная жесткость определяется присутствием в воде солей, которые при концентрации меньше предела насыщения не выпадают в осадок даже при нагревании. К таким солям можно отнести CaSO₄, СаСl₂, MgSO₄ и др. Общая жесткость воды складывается из временной и постоянной жесткости [5].

2.2 Описание и идентификация объекта автоматизации и его режимы работы

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) -- это тепловая машина, внутри цилиндра которой происходит сгорание топлива. При сгорании выделяется теплота, идущая на расширение, газов. Под давлением расширяющихся газов движется поршень. Таким образом в ДВС тепловая энергия превращается в механическую.

Судовые ДВС классифицируются по ряду признаков. Для работы двигателя необходимо обеспечить определенную последовательность процессов: наполнение цилиндра воздухом, сжатие его, подачу топлива и горение, расширение продуктов сгорания и удаление отработавших газов. Этот ряд последовательно протекающих в цилиндре процессов, обеспечивающих непрерывную работу двигателя, называется рабочим циклом. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

Таким образом, по осуществлению рабочего цикла двигатели подразделяются на четырехтактные, у которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала, и двухтактные, у которых рабочий цикл осуществляется за два хода поршня или один оборот коленчатого вала.

По конструктивному выполнению двигатели подразделяются на тронковые, крейцкопфные и с противоположно движущимися поршнями (ПДП) в одном цилиндре.

По назначению двигатели бывают главными, которые обеспечивают ход судна, приводят в движение гребные винты, и вспомогательными, служащими для привода электрогенераторов, компрессоров и других вспомогательных механизмов.

По способу изменения направления вращения вала двигатели подразделяют на реверсивные и нереверсивные. Передний и задний ход при гребном винте фиксированного шага может быть достигнут изменением направления вращения гребного винта. Для обеспечения заднего хода гребному винту можно придать вращение в обратную сторону двумя способами: либо изменить направление вращения коленчатого вала двигателя, либо только гребного.

В реверсивных двигателях можно изменить направление вращения коленчатого вала. Мощность этих двигателей, как правило, большая.

Коленчатые валы нереверсивных двигателей вращаются только в одном направлении. У быстроходных и маломощных нереверсивных двигателей направление вращения гребного винта изменяют с помощью реверсивной передачи, устанавливаемой между двигателем и валопроводом.

Дизели, эксплуатируемые в составе судовых энергетических установок (СЭУ) судов, значительную часть времени работают на неустановившихся и переменных режимах. Наиболее характерными являются переходные режимы, связанные с многочисленными реверсами и маневрированием, для двигателей судов, работающих в ледовых условиях, судов внутреннего плавания при прохождении сложных участков, гидроузлов и каналов, а также судов портового флота. Во время неустановившихся режимов работы и переходных процессов температура наиболее теплонагруженных деталей цилинропоршневой группы претерпевает значительные изменения, а температура охлаждающей жидкости остается при этом практически неизменной. Имеет место так называемая тепловая инерционность. Рабочие процессы при неустановившихся и переходных режимах протекают при температуре стенок камеры сгорания, существенно отличающейся от значений, характерных для установившеюся режима номинальной мощности, который является расчетным. При резких изменениях режимов работы дизеля локальная температура его деталей может превышать температуру, характерную для режима номинальной мощности. Неустановившееся температурное состояние деталей сопровождается ростом разности температур на их поверхностях и увеличением температурных напряжений. Данная проблема особенно актуальна для современных и перспективных судовых дизелей, имеющих высокий уровень форсированности , в которых тепловые нагрузки и температурные напряжения становятся сопоставимыми с механическими. во многих случаях лимитируя надежность двигателей.

Для решения указанной проблемы необходимо обеспечить оптимальный температурный уровень судовою дизеля не только на установившихся режимах работы, но и на переходных, неустановившихся режимах. Оптимальным следует считать такой температурный уровень, при котором материалы деталей сохраняют свои прочностные свойства, моторные масла сохраняют высокую смазывающую и несущую способность, а потери теплоты через систему охлаждения минимальны. На работе двигателя отрицательно сказывается как недостаточное, так и излишнее охлаждение. Перегрев двигателя выбывает ухудшение наполнения цилиндров воздушным зарядом, неполное сгорание топлива и его повышенный расход, нарушение условий жидкостного трения, возникновение повышенных изноосов и задиров трущихся поверхностей в узлах трения, повышенный расход масла на угар, снижение прочностных свойств материалов и появление термоуста- лостных разрушений. Переохлаждение двигателя приводит к чрезмерному повышению вязкости масла и, соответственно, к возрастанию механических потерь, снижению эффективного КПД двигателя. а также к ухудшению смесеобразования и воспламенения, переносу процесса сгорания на линию расширения и повышенным расходам топлива. Жидкостные системы охлаждения призваны обеспечивать надежную работу двигателей в течение продолжительною времени при максимальной температуре рабочего цикла, достигающей в современных двигателях 1700 - 2700 °С.

Конструкция систем охлаждения и их отдельных элементов должна обеспечивать возможность гибкого регулирования теплоотвода и минимальные затраты энергии, необходимые для циркуляции теплоносителя. Очевидно, что для современных н перспективных судовых дизелей, к которым предъявляются достаточно высокие требования как по экономическим, так и по ресурсным показателям, обеспечение оптимальною температурного уровня возможно лишь путем качественного автоматического регулирования теплонапряженного состояний двигателя и режимов охлаждения.

2.3 Описание и анализ средств автоматизации объекта управления

Преимущества, которые могут быть получены от внедрения систем автоматического регулирования охлаждения в судовых дизельных установках, сводятся к следующему.

1 Обслуживающий персонал освобождается от непосредственного наблюдения за режимными и водно-химическими параметрами в системах дизеля и от труда, связанного с ручным управлением.

2. Автоматизированное управление способно обеспечить работу судового дизеля при оптимальных (квазиоптимальных) параметрах охлаждения.

Таким образом, проблемами автоматического регулирования температурного состояния ДВС являются задачи повышения точности и качества процесса регулирования. При этом следует отметить, что при синтезе систем требуется добиться не просто заданных показателей качества, таких как точность, запас устойчивости, быстродействие, приемлемый характер переходных процессов и соответствия параметров охлаждения режиму работы двигателя.

Синтез структуры управляющего устройства следует выполнять в два этапа. На первом этапе определяется оптимальный алгоритм регулирования, на втором - осуществляется его техническая реализация. Эти системы будут отличаться от оптимальной, т. с. будут близкими к оптимальной или квазиоптимальной. При этом, отказавшись от построения «идеальной» оптимальной системы и поставив более скромную задачу осуществить только квазиоптимальное регулирование, можно значительно упростить техническое выполнение системы.

С помощью специальных настроечных органов задания, которыми оборудуются терморегуляторы, можно установить то или иное значение температуры задания. В соответствии с этим параметром определиться и значение регулируемого параметра, которое будет поддерживаться ТРГ При помощи возмущающего воздействия . объект меняет заданный режим. Возмущающими воздействиями принято называть воздействия, стремящиеся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой температурой. При эгом под задающим воздействием понимается воздействие на систему, определяющее необходимый закон изменения регулируемой температуры. Действие ТРГ на объект, в результате которого последний возвращается в равновесный режим при обеспечении необходимого значения параметра, назовем регулирующим воздействием . ТРГ осуществляет воздействие на дизель через РО. который преобразует изменение получаемой на выходе из ТРГ температуры воды, поступающей на вход в дизель. Требования к точности подержания регулируемой температуры в статике и динамике допускают здесь применение простейших конструкций статических ТРГ и регулирование только по отклонению регулируемой температуры. ТРГ. а также дизель с его системой охлаждения являются составными частями системы регулирования температуры охлаждающей воды. Отклонение регулируемой температуры охлаждающей воды от заданного значения зависит, с одной стороны, от свойств. ТРГ а с другой - от свойств самого дизеля с его системой охлаждения.

Таким образом, операция регулирования температуры .дизеля включает пять основных этапов:

-измерение регулируемой температуры;

-сравнение измеренной величины со значением, заданным уставкой;

-обработку этой разности (ошибки) в ТРГ;

-переработку управляющего сигнала в регулирующее воздействие;

-возвращение регулируемой температуры к заданному значению.

2.4 Принцип действия и схемы чувствительных элементов, регулирующих блоков и исполнительных механизмов

Регулятор "Плайгер" (рис. 4) состоит из элемента, контролирующего изменение температуры охлаждающей воды на выходе из ДВС и пневматического усилителя, в котором вспомогательной энергией служит сжатый воздух.

Рис. 4. Регулятор типа «Плайгер»

Рис. 5 Функциональная схема регулятора непрямого действия

Регулирующий клапан регулятора управляет количеством воды, от двигателя, подаваемой на охлаждение в холодильник. Сжатый воздух с давлением р после очистки на фильтре 20 поступает к стабилизатору 21, обеспечивающему давление p_n = 1500 -- 2000 КПа. Затем воздух подается на позиционер 19 и вторичный стабилизатор 22 дилатометра, настроенный на режим в 1080 КПа и недопускающий его отклонений перед дроссельной шайбой 23 при изменении нагрузки по воздуху на позиционере. После шайбы воздух направляется на сопло 24 измерителя температуры и в камеру Г первого каскада усиления позиционера. Сопло и заслонка 25 выполняют функцию пневмосопротивления, с помощью которого изменяется расход воздуха в атмосферу и поддерживается соответствующее нагрузке давление в камере Г.

Для равновесного заданного режима температура дилатометра постоянна и заслонка пружиной 26 упирается в винт 27 находится в неподвижном состоянии, что соответствует низменному давлению воздуха р₁ на выходе из измерителя температуры. Давление воздуха от измерителя подается в камеру Г и через заслонку 14 с удерживающей пружиной 13 фиксирует степень открытия сопла 17, воздух к которому идет через дроссель 18. Эта линия воздуха связана с камерой А усилителем 15 второго каскада усиления. Статическое состояние усилителя обеспечивается равенством давлений р₂ и р₃ в камерах А и Б усилителя, образуемых перемычкой. При этом двухсидельный клапан закрыт и воздух из камеры 5 через шайбу 16 направляется к мембранному сервомотору. Давление этого воздуха через накладку 6 уравновешивается пружиной 5. Через шток сервомотора усилие передается трехходовому золотнику 1, управляющему смещением рабочей среды из холодильника в обход золотника.

Нагрузка двигателя вызывает изменение температуры охлаждающей воды, что приводит в действие измеритель и отклонение от нормы его трубки 29 и стержня 28 и винта 27.

Изменение степени отклонения заслонки 25, давления в камере Г и перемещение заслонки 14, скажется на давлении воздуха в камере А усилителя 15. Перемещение перемычки относительно клапана вызовет стравливание воздуха в атмосферу из ИМ, через камеру Б. Это действие приведет в движение золотник 1 и изменит подачу воды от холодильника.

При движении штока ИМ в работу включается элементы жесткой обратной связи. Прежде всего разворачивается рычаг 4 с закрепленным на нем профильным лекалом 11, которое перемещаясь относительно опоры 8 через серьгу 12 воздействует на пружину 13. Это вызовет противоположное действие главной связи, передвижению заслонки 14 и восстановлению равновесия действующих сил, что приводит к предотвращению стравливания воздуха в атмосферу и остановке исполнительного механизма[2].

Закон регулирования, достигаемый в этом регуляторе -- пропорциональный, статический, так как регулятор перемещает регулирующий орган на объекте регулирования пропорционально изменению температуры до полной стабилизации на ДВС.

Согласно функциональной схеме, в регулятор входят три укрупненных функциональных элемента: измеритель, преобразователь и передаточный механизм. К преобразователю подводится вспомогательная энергия от постоянного источника. Сам преобразователь регулятора состоит из двух элементов: исполнительного механизма ИМ и управляющего элемента преобразователя УЭ. Измеритель состоит из тех же трех элементов как и измеритель регулятора прямого действия. Передаточный механизм ПМ изменяет масштаб и знак выходной координаты преобразователя. Кроме отличительных основных элементов в состав регулятора непрямого действия входят еще дополнительные элементы -- обратные связи ОС.

Входная координата регулятора s является одновременно входной координатой чувствительного элемента. Она равна или в общем случае пропорциональна регулируемому параметру. Последовательность передачи воздействий в регуляторе: И -- ЭС -- УЭ -- ИМ -- ПМ. Координата задания х_зд характеризует внешнее воздействие на регулятор.

Измерительные устройства. В пневматических регулирующих устройствах преобразование перемещения в давление сжатого воздуха, т. е. в выходной пневматический сигнал, осуществляется с помощью управляющих элементов. Чаще всего управляющие элементы изготовляют с применением переменного пневматического сопротивления типа «сопло--заслонка»

Реже используют другие виды управляющих устройств: клапанные и золотниковые.

Исполнительные механизмы для преобразования входного давления, поступающего от регулирующего или командного прибора, в перемещение регулирующего органа, который изменяет количество подводимого или отводимого вещества (энергии) в объект управления, служат ИМ. По принципу действия пневматические ИМ поступательного движения делят на мембранные и поршневые.

Поршневые ИМ в отличие от мембранных позволяют получить большое перемещение штока, что в некоторых случаях определяет целесообразность их применения. В качестве ИМ в цепях управления конечными режимами работы дизеля используют позиционные ИМ (чаще всего пневматические позиционные сервомоторы, представляющие собой пневматические цилиндры с поршнями).

В позиционере, работающем по принципу компенсации перемещений (рис.6), сигнал Р подается в сильфон 1, связанный рычажным механизмом 2 со штоком 3. При изменении Р рычаг вращается относительно опоры О₁ и перемещает золотник 5, изменяя тем самым подачу воздуха в камеру . Мембрана занимает новое положение, и рычаг 2 начинает поворачиваться относительно оси О₂ т.е. начинает работать отрицательная обратная связь [4].

Рис. 6. Принципиальные схемы позиционера

2.5 Статика и динамика характеристики автоматической системы управления

Статическая характеристика строится по результатам замеров температуры охлаждающей воды на выходе из двигателя при последовательных фиксированных нагрузках двигателя в диапазоне от минимальной до максимальной нагрузок и от максимальной до минимальной. Кроме проверки нелинейности, следует обратить внимание и на зону нечувствительности статической характеристики, так как увеличенная зона нечувствительности также является причиной увеличения отклонений регулируемой температуры в переходных процессах, уменьшения точности ее поддержания и даже потери устойчивости процесса. Если зона нечувствительности больше паспортной, необходимо проверить, нет ли люфтов в соединениях, повышенных трений в сальниках и регулирующем органе, перекосов, заеданий и т. п. и устранить причины повышенной нечувствительности.

Установка и корректировка неравномерности статической характеристики осуществляется степенью обратной связи регулятора.

Динамическая настройка терморегулятора заключается в нахождении параметров настройки и их установке. (В ряде регуляторов прямого действия не предусматривается изменение параметров настройки, и их настройка заключается только в установлении задания и согласования штоков регулятора и регулирующего органа).

Выбор параметров настройки терморегулятора может быть произведен по результатам динамического расчета системы регулирования. Однако такой расчет связан с большой вычислительной работой, выполнить которую не всегда возможно. Поэтому предварительная установка параметров настройки регулятора производится либо в соответствии с рекомендациями инструкции, либо по графикам, составленным для типовых регуляторов.

На рис. 7 показан такой график для статического регулятора. Обозначения на графике: R -- коэффициент усиления объекта; Т -- постоянная времени объекта, сек t -- время запаздывания объекта (принимается как чистое), сек- б -- степень неравномерности регулятора; Tр -- постоянная времени регулятора (время регулятора).

Для пользования графиком необходимо знать коэффициенты, характеризующие свойства объекта Т, R₀, t, которые могут быть определены либо из экспериментальной разгонной характеристики, полученной при нанесении возмущения регулирующим органом, либо расчетным путем. На рис. 7 показана разгонная характеристика по температуре охлаждающей воды на выходе из двигателя, полученная при возмущении регулирующим органом на 30%.

Рис. 7. График для выбора параметров настройки терморегулятора

Рис.8. Разгонная характеристика по температуре

Из разгонной характеристики определяем, что запаздывание t=100 сек, постоянная времени Т = 590 сек, коэффициент усиления

-номинальная температура воды на выходе из двигателя. Если точка, характеризующая работу системы регулирования при выбранных параметрах настройки, находится между кривыми 1 и 2 (рис. 8), то процесс регулирования будет колебательным затухающим. Чем ближе эта точка передвинута параметрами настройки T_р, б к кривой 2, тем больше степень затухания процесса регулирования. Если точка, характеризующая систему регулирования, находится ниже кривой 2, то процесс регулирования будет апериодическим. Если точка находится выше кривой 1, то система неустойчива и тогда для получения устойчивого процесса регулирования необходимо соответственно изменить параметры настройки. Из графика видно, что время регулятора Tp сравнительно мало влияет на процесс регулирования и практически может быть использовано для настройки только при.

Во всех остальных случаях следует изменять степень неравномерности б.

При определении коэффициентов объекта Т, R₀б, как по экспериментальной разгонной характеристике, так и расчетным путем всегда возможны ошибки. Поэтому выбранные по графику параметры настройки являются предварительными, которые при включении регулятора в работу должны быть скорректированы в соответствии с конкретными требованиями к процессу регулирования [1].

Для замкнутой АСР, состоящей из ОР и П - регулятора, характерно наличие остаточного отклонения регулируемой величины или ошибки, по окончанию процесса регулирования.

-коэффициент неравномерности или статизм регулирования для П - регулятора, определяет величину погрешности регулирования в установившихся процессах.

Рис. 9 Динамическая характеристика П-регулятора

Рис. 10 Переходные процессы в АСР с П-регулятором при управляющем (1) и возмущающем (2) воздействии

Настроечным параметром П - регулятора является - его коэффициент неравномерности. При настройке устанавливают допустимые отклонение регулируемого параметра от заданного значения в статике - погрешность регулирования. Достоинство П - регуляторов - динамичность; регулятор вступает в действие сразу после получения сигнала на его вход .Недостатком регулятора является наличие ошибки регулирования в статике. От ошибки не избавится, так как статическая характеристика П- регулятора имеет наклон, величина которого зависит от коэффициента неравномерности .

2.6 Эксплуатация выбранной системы управления, охрана труда

Перед настройкой терморегулятора необходимо убедиться в его исправности, проверить параметры энергии, питающей регулятор, и правильность согласования положений штока регулятора (или штока сервомотора, если регулятор непрямого действия) и штока регулирующего органа. Согласование положений штоков заключается в установке соответствия крайних положений штока регулятора и регулирующего органа и производится согласно инструкции по сборке и установке регулятора.

При первоначальной настройке терморегулятора необходимо убедиться в линейности статической характеристики.

;

Нелинейность статической характеристики регулятора существенно влияет на процесс регулирования, может быть причиной неустойчивой работы регулятора и обусловливает неоправданно большие значения неравномерности. Следует иметь в виду, что нелинейность статической характеристики регулятора может вноситься любой из составляющих статических характеристик звеньев регулятора. Если статическая характеристика регулятора нелинейная, необходимо проанализировать статические характеристики всех звеньев регулятора и принять соответствующие меры по устранению нелинейностей либо взаимной компенсации их (например, изменением характеристики регулирующего органа) с тем, чтобы общая характеристика регулятора была линейной.

Наиболее частыми причинами неудовлетворительной работы терморегуляторов и их отказов в эксплуатации являются неисправности термосистем, изменение характеристик пружин, увеличение сил трения в подвижных частях регулятора, перекосы и заедания регулирующих и управляющих золотников, нарушение плотности воздушных магистралей и д

Основная неисправность термосистем: нарушение ее герметичности. Герметичность может быть нарушена в результате неправильной эксплуатации, износов термочувствительного элемента, механических и гидравлических ударов, неправильной укладки импульсных капиллярных трубок и т. п. Нарушение герметичности приводит к быстрой потере термочувствительного вещества, давление в термосистеме падает, и регулятор переставляет регулирующий орган в крайнее положение, не реагируя на изменение регулируемой температуры. Если регулирующий орган в крайнем положении направляет всю охлаждающую воду через холодильник, то температура в системе охлаждения значительно снижается. Это обстоятельство не связано с аварийной ситуацией, однако удельные расходы топлива и износ двигателя при этом увеличиваются. Если же регулирующий орган направляет всю воду на перепуск помимо холодильника, двигатель перегревается и возможно возникновение аварийной ситуации. При обнаружении разгерметизирования термосистемы ее необходимо демонтировать и заменить, либо устранить пропуски и произвести заполнение термочувствительным веществом.

Увеличение сил трения может произойти из-за плохой смазки, пережатых сальников, перекосов рычажных передач, неудовлетворительной центровки штоков регулирующих органов, высадки солей на регулирующих золотниках, перекосов и т. п. Увеличение сил трения приводит к увеличению зоны чувствительности регулятора и является одной из причин колебательной и неустойчивой работы регулятора. В случаях, когда силы трения велики, регулятор вообще не реагирует на отклонения регулируемой температуры. Поэтому периодически и перед каждым включением в работу необходимо проверять подвижность деталей регулятора и зону его нечувствительности.

Размещено на Allbest.ru

...