Разработка системы автоматического контроля и регулирования температуры, давления и расхода воды на электрокотельной п. Осиновка

ВВЕДЕНИЕ

1.1 Назначение КЭВ-6-10кВ

1.2 Устройство и работа КЭВ-6-10кВ

Рис.1.2.1. Общий вид электрокотла КЭВ - 6 - 10

Таблица 2.1

Точка замера и контроля основных параметров технологической схемы.

3. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

Определение передаточной функции объекта различными методами аппроксимации (3 метода).

Рис.3.1 Переходная характеристика объекта h(t).

Для проведения аппроксимации будет использован график на рис.3.2

Рис.3.2 Переходная характеристика h(t).

3.1 Аппроксимация звеном первого порядка с элементом запаздывания

Определение величины запаздывания:

Полное запаздывание объекта находится графически и соответствует расстоянию от начала координат до пересечения касательной (в точке перегиба) с осью абсцисс.

Рис.3.3 Определение запаздывания.

Определение постоянной времени Т (2 способа):

1 - й способ (по графику):

Рис.3.4 Определение постоянной времени Т.

T=17

2 - й способ

Т=t*-

Где t* - время, при котором h(t*)=0.63*hуст.

h(t*)=0.47

T=18-1.8=16.2

Определение коэффициента усиления:

Поскольку найденные значения Т в двух методах близки по значению, ошибка аппроксимации будет высчитываться только при Т=17.

Теоретическая ПФ примет вид:

Определение ошибки аппроксимации:

В таблицу заносятся ряды значений теоретической и экспериментальной переходной характеристики, а также значения разницы между ними. На рис.5 изображены экспериментальная и теоретическая переходные характеристики.

Таблица 3.1.1

Рис.3.5 Теоретическая и экспериментальная переходная характеристики.

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность не превосходит допустимую погрешность в 5%. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации вполне подходит для данной передаточной функции.

3.2 Аппроксимация звеном второго порядка с элементом запаздывания

Определение точки перегиба: Составляем таблицу и нормируем переходную характеристику:

Таблица 3.2.1.

Точка перегиба при t=7

Определение коэффициентов теоретической ПФ.

Значения а и b (по рис.6) равны:

а=5;

b=20

m=a/b=5/20=0,25.

Рис.3.2.1. Определение параметров а и b

Из номограммы (рис.7) определяем параметры А и В:

Рис.3.2.2. Номограмма

А=B=0,38

T1=B*b=0.38*20=7.6;

T2=A*a=0.38*5=1.9;

Определение расчетной точки перегиба:

Теоретическая передаточная функция имеет следующий вид:

Определение ошибки аппроксимации:

В таблицу заносятся ряды значений теоретической и экспериментальной переходной характеристики, а также значения разницы между ними. На рис.8 изображены экспериментальная и теоретическая переходные характеристики.

Таблица 3.2.2

Рис.3.2.3 Теоретическая и экспериментальная переходная характеристика.

Из таблицы видно, что максимальная ошибка аппроксимации не превышает допустимое значение 5% и поэтому может использоваться для аппроксимации данной функции.

3.3 Аппроксимация методом интегральных площадей

Выделение участка чистого запаздывания (по графику).

ф=1

Передаточная функция объекта рассматривается как произведение двух передаточных функций :

и W2(p)

Для обеспечения допустимой точности выбираем интервал Дt так, что на интервале 2Дt функция мало отличается от прямой.

Дt=0,2.

Строим нормированную переходную характеристику (рис.3.3.1) у(t)=h(Дt)/hmax.

Рис 3.3.1. Нормированная ПХ

Заполняем Excel таблицу 3.3.1. по соответствующим формулам.

Табл. 3.3.1.

Рассчитываем F1:

Заполняем Excel таблицу 3.3.2. по соответствующим формулам:

Табл. 3.3.2.

Определяем площади F2 и F3

=-306 с

Площадь F3 отрицательная, значит выбираем значение только F1.

Теоретическая передаточная функция имеет следующий вид:

Определение ошибки аппроксимации:

Рис.3.3.2.

Из таблицы видно, что максимальная погрешность превышает 5 % , поэтому нельзя применять этот метод для аппроксимации данной передаточной функции.

3.4 Выбор закона регулирования

Закон регулирования (П, ПИ, И, ПИД) будет выбираться согласно расчету, в котором будет проверяться пригодность регулятора для данного процесса.

Накладываются следующие ограничения:

1. Переходный процесс должен быть апериодическим или с перерегулированием менее 3%.

2. К0 = 1 мм на 1% хода регулирующего органа.

3. Хв = 8.5 (10% хода регулирующего органа.)

4. tp = 85 мин. (максимальное время регулирования)

5. Y ст. доп. = 3% (=2.55 `С)

6. Tо = 17

7.

Проверка И - закона:

Проверка допустимого отклонения:

По рис.2.4. (в методичке) находим

Значение отклонения больше допустимого, следовательно, И - регулятор не подходит.

Проверка П - закона.

По рис.2.4. (в методичке) находим

Значение отклонения больше допустимого, следовательно, П - регулятор не подходит.

Проверка ПИ закона

По рис.2.4. (в методичке) находим

Значение отклонения меньше допустимого, следовательно, ПИ - регулятор подходит для регулирования данного процесса.

На этом этапе можно закончить расчет по выбору регулятора.

В качестве закона регулирования выбран ПИ - закон.

3.5 Расчет настроечных параметров

Расчет настроечных параметров методом расширенных АФЧХ.

Исходным условием является выражение:

Путем замены р= (j­m)w определяют РАФЧХ объекта W(m,jw), разлагая ее на мнимую и реальную части:

W (m,jw) = Reоб(m,w)+jImоб(m,w)

где Reоб(m,w)=Pоб(m,w,ф,k1,k2,…,T1,T2,…) - расширенная действительная часть;

Imоб(m,w)=Qоб(m,w,ф,k1,k2,…,T1,T2,…) - расширенная мнимая часть.

Wp(p) = -(C0 + C1p)p

Заменим p = (j-m)w;

Т.к. используется ПИ - регулятор:

имеем:

Проводя соответствующие преобразования, получаем систему уравнений:

Решаем систему уравнений относительно Rep(m,w) и Imp(m,w)

Примем 2, тогда m=0.4, и получим выражения для Reоб(w) и Imоб(w);

Строим в Excel зависимость С0 от С1.

Рис. 3.5.1.Линия равной степени затухания

1. C1=0.05;

C0=0.0021

2. Кр = С1;

С0 = Кр/Ти

Оптимальные настройки регулятора:

3. Кр = 0.05 Tи = 0.05/0.0021 = 23

Рис. 3.5.2. Переходная характеристика замкнутой системы

3.6 Оценка качества переходного процесса

Качество переходного процеса оценивается по переходному процессу с оптимальными параметрами регулятора. Кр = 0.05 Tи = 23

время регулирования tр = 55 мин

перерегулирование отсутствует

частота колебаний w - отсутствует

число колебаний N = 0

время достижения первого максимума tmax =55 с

время нарастания tн = 55 с

интегральная оценка качества подсчитывалась программой на языке Pascal, при нормированной переходной характеристике.

4. ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

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 необходимо следующие составляющие элементы:

· регулятор (микро-ЭВМ или микропроцессорный контроллер);

· первичные измерительные преобразователи (датчики давления, температуры, расхода воды);

· средства отображения информации;

· исполнительные механизмы.

4.1 Выбор микропроцессорного контроллера

4.1.1 Анализ существующих моделей

Появление и быстрое совершенствование вычислительной техники привело к широкому использованию ее в различных областях народного хозяйства. Большие возможности вычислительных устройств, выполненных на основе схем малой и средней интеграции, в сравнении с аппаратными открыли перспективу построения контролирующих, регулирующих и управляющих систем, реализующих более сложные функции управления при высокой степени надежности.

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 системы автоматического контроля, регулирования и управления, построенные на основе микропроцессорных контроллеров и микро ЭВМ.

Внедрение микро ЭВМ в систему управления технологическими процессами наряду с простотой элементной базы и некоторым расширением функций аппаратуры создает принципиально новые возможность в построении децентрализованных или распределенных комплексов. При этом децентрализация предполагает не только рассредоточение аппаратуры, но и распределение функций обработки информации и управления между автономными микро ЭВМ.

Для дистанционного сбора информации используются дистанционные измерительные станции. Такие станции могут обрабатывать входные сигналы от аналоговых датчиков и передавать выходные цифровые сигналы по линии связи (в виде скрученной пары проводов) в центральный процессорный блок. Вынесенные измерительные станции имеют свой собственный микропроцессор, мультиплексор, аналогово-цифровой преобразователь и позволяет также разгрузить центральный процессорный блок от дополнительных операций, связанных с реализацией локальных функций управления в одноконтурных регуляторах. Одноконтурные регуляторы могут быть реализованы с помощью различных принципов построения. Наибольшее распространение получили принципы, положенные в основу организации регулирующего микропроцессорного контроллера “Ремиконт”.

Микропроцессор “Ремиконт”.

Входные цепи “Ремиконтов” рассчитаны на подключение аналоговых и дискретных датчиков, а выходные цепи формируют аналоговые и цифровые сигналы для управления исполнительными устройствами. Поступающая в “Ремиконт” аналоговая и дискретная информация преобразуется в цифровую форму, обрабатывается в микро ЭМВ, после чего при необходимости осуществляется процесс обратного преобразования. Программируется “Ремиконт” с помощью специализированной клавишной панели. Основой аппаратного обеспечения “Ремиконта” являются средства аналогового ввода-вывода, микро ЭВМ и пульт оператора. Все это входит в структурную схему “Ремиконта”.

Средства аналогового ввода-вывода содержат узлы гальванического разделения сигналов, узел мультиплексирования аналоговых входных сигналов и группу преобразователей: аналогово-цифровой преобразователь, дискретно-цифровой преобразователь, дискретно-цифровой и цифро-дискретный преобразователи. Узлы гальванического разделения сигналов подавляют помехи общего вида и обеспечивают работу с источниками информации, находящимися под различными потенциалами. Назначение мультиплексора и преобразователей является традиционным.

Особенность “Ремиконта” проявляется в том, что на его выходе не используется мультиплексирование, число ЦАП равно числу выходных цепей контроллера. Такое построение “Ремиконта” обусловлено необходимостью запоминать значение каждого выходного сигнала после прекращения вычислительного процесса. При необходимом небольшом числе выходных сигналов затраты на цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи оказываются сравнительно небольшими.

Перечисленные узлы ввода-вывода аналоговой и дискретной информации позволяют сопрягать “Ремиконт” с аналоговыми и дискретными датчиками с использованием механизмов пропорционального, позиционного и интегрального действия, а также с различными устройствами дискретного и логического управления.

Особенностью “Ремиконта” является то, что большая часть памяти программируется на заводе - изготовителе, отсутствуют обычные средства ввода и отладки программ. Эта особенность вычислителя позволяет упростить “Ремиконт” и сделать рентабельным его применение для обработки сравнительно небольших массивов информации.

Контроллер программируемый (КП) предназначен для построения систем управления производственными механизмами и технологическими процессами, требующими выполнение логических, временных и счетных функций. Управление осуществляется по программам, находящемся в запоминающем устройстве, и написанном на языке релейно-контактных сигналов (лестничных диаграмм) и уравнений алгебры Буля в соответствии с комбинацией сигналов, подаваемых на входы КП по записанной в него программе, и обеспечивает требуемую последовательность коммутации каналов и подключенных к ним внешних электрических цепей.

Контроллер может управлять объектом автономно и в составе сложных систем. Запуск КП осуществляется подачей напряжения питающей сети на предварительно включенные блоки питания всех его кассет. Процессор КП считывает и выключает записанные в память программы, принимает и обрабатывает сигналы, поступающие на входе и обеспечивает срабатывание соответствующих выходов контроллера.

Блок логического процессора используется для логической обработки входных и получения выходных сигналов, реализации счетных и временных функций, содержит память данных. Блок памяти программ служит для хранения программы, описывающей алгоритм управления оборудованием, а блоки ввода - для сопряжения входных сигналов с уровнем логических сигналов других блоков контроллера и выбора адресуемого входа. Блок вывода предназначен для усиления мощности выходных сигналов до уровня, необходимого для срабатывания исполнительных устройств.

Обмен информацией происходит по единой магистрали, которая включает в себя 16 - ти разрядную шину адреса, 8 - ми разрядную шину данных, шины для организации прерываний, прямого доступа к памяти, управления и питания.

С целью согласования различных по быстродействию блоков используется асинхронная связь. Отклик блока на обращение к нему является необходимым условием работы, позволяет вести функциональный контроль устройства.

Контроллер микроДАТ.

Новым поколением технических средств для локальных информационно - управляющих систем является микропроцессорные программируемые контроллеры диспетчеризации, автоматики, телемеханики, известные как микроДАТ.

Комплекс микроДАТ опирается на освоенную электронную базу, доступные материалы, оборудование и технологию, позволяет эффективно использовать разнообразные датчики, исполнительные устройства и другие средства автоматики, информационно - измерительной и управляющей вычислительной техники.

Использование подобных устройств обеспечивает:

· необходимый охват функций контроля, регулирования, управления, передачи и отображения информации, характерных для локальных систем,

· возможность сопряжения со всеми датчиками, исполнительными устройствами и другой периферийной аппаратурой, серийно выпускаемой промышленностью,

· значительную экономию средств коммуникации, благодаря территориальному расположению средств контроля и управления непосредственно вблизи технологического оборудования,

· большее, по сравнению с микроЭВМ, соответствие современным требованиям к быстродействию, точности, помехоустойчивости, безотказности систем и т.п.

· возможность проектной компоновки изделий для конкретных систем.

При проектировании, путем совмещения типовых функциональных структур (агрегатных модулей), возможна реализация следующих функций:

· обработка информации и управление,

· хранение информации,

· обмен информацией, сопряжение с другими агрегатными комплексами,

· ввод непрерывных и дискретных сигналов, сигналов постоянного тока и напряжения, сигналов, снимаемых с датчиков,

· ручной ввод, вывод и отображение технологической информации для местных пунктов контроля и управления,

· использование перфораторов, считывателей, печатающих устройств, накопителей на магнитных дисках, лентах, кассетах, специализированных средств для распределения цифровых систем регулирования.

Базовое программное обеспечение (ПО) МикроДАТ представляет собой совокупность взаимосвязанных программных средств, обеспечивающих автоматизацию разработки и отладки программ, а также автоматическое управление вычислительными и другими процессами в микропроцессорных системах реального времени. В состав ПО входит система ПО инструментальных средств программирования и отладки (САПР ПО) и исполнит...