Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Учебное пособие

Оптимизация автоматических систем регулирования теплоэнергетического оборудования

Аналоговые регулирующие устройства и реализация АСР

С.И. Новиков

Новосибирск - 2006

УДК 621.311.22.002.5+621.183](075.8)

Н 731

Рецензенты: вед. инженер ЗАО «СибКоТЭС» М. Н. Г. Мац, канд. техн. наук, доцент О.А. Вихман

Работа выполнена на кафедре тепловых электрических станций

Новиков, С.И.

Н 731 Оптимизация автоматических систем регулирования тепло-энергетического оборудования. Ч. 2. Аналоговые регулирую-щие устройства и реализация АСР : учеб. пособие / С.И. Нови-ков. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 84 с.

В работе приведены конструктивные схемы аналоговых регули-рующих устройств, используемые при создании АСР. Рассмотре-ны способы реализации АСР на аналоговых устройствах разных структур: РПИБ, Каскад, Контур, АКЭСР.

Пособие предназначено для студентов специальности «Автома-тизация теплоэнергетических установок» (220301) и может быть полезно наладочному и эксплуатационному персоналу малой и боль-шой энергетики.

УДК 621.311.22.002.5+621.183](075.8)

© С.И. Новиков, 2006

© Новосибирский государственный технический университет, 2006

Оглавление

Введение

1. Общие этапы наладки автоматических систем регулирования

2. Статическая настройка регулирующих устройств

2.1 Ликвидация пульсаций сигналов

2.2 Обеспечение статической точности регулирования

2.3 Настройка статического соотношения сигналов

2.4 Настройка диапазона действия задатчика

3. Аналоговые регулирующие устройства отечественного производства

3.1 Аппаратура «Каскад» (МЗТА)

3.1.1 Блок регулирующий аналоговый Р12

3.1.2 Блок регулирующий релейный Р21

3.1.3 Импульсатор Р33

3.1.4 Блок дифференцирования Д01

3.1.5 Блок динамического преобразования Д03

3.1.6 Аналого-релейный преобразователь Л02

3.1.7 Задающие устройства ЗУ11 и ЗУ05

3.1.8 Устройство защитное В01

3.1.9 Блок указателей В12

3.1.10 Блок согласующих приставок В21

3.2 Комплекс технических средств «Каскад-2» МЗТА

3.2.1 Регулирующий аналоговый блок с непрерывным выходным сигналом Р17

3.2.2 Регулирующий блок с импульсным выходом Р27

3.3 Аппаратура «Контур-1»

3.4 Аппаратный комплекс электрических средств регулирования АКЭСР

3.4.1 Регулирующие импульсные блоки РБИ

3.4.2 Блок динамических преобразований БДП

3.4.3 Блоки прецизионного интегрирования БПИ, БПИ-21

3.4.4 Блоки БРУ-1К, -2К, -3К, -У

4. Динамическая настройка типовых структур АСР

4.1 Экспериментальный способ поиска оптимальных динамических настроек

4.2 Экспериментальный способ поиска настроек двухконтактной АСР

5. Реализация ОПН РУ АСР

5.1 Реализация параметров статической настройки на блоке Р25

5.1.1 Реализация параметров статической настройки

5.1.2 Реализация параметров динамической настройки на блоке Р25

6. Реализация типовых структур теплоэнергетических АСР на аналоговых технических средствах

Введение

Автоматизация технологических процессов теплоэнергетических установок играет определяющую роль в обеспечении экономичной и безопасной работы и мощных энергоблоков, и небольших котельных установок. Почти полвека определяющую позицию занимали технические средства автоматизации, построенные на аналоговой элементной базе, прошедшей долгий путь развития от использования электронных ламп до введения больших интегральных схем. С помощью этих средств были реализованы высокоэффективные системы регулирования (АСР) отдельных параметров технологических процессов. Эти технические средства до сих пор не утратили своего значения. Но сами по себе даже совершенные устройства еще не могут обеспечить высокой эффективности процессов, они должны быть настроены. Эта настройка должна быть оптимальной, т.е. в каком-то смысле наилучшей. В качестве критерия оптимальности могут быть выбраны разные показатели. За критерии качества регулирования АСР в теплоэнергетике приняты следующие:

динамическая ошибка должна быть меньше заданной для данной АСР в определенном режиме;

квадратичная интегральная оценка переходного процесса должна быть минимальной;

степень затухания переходного процесса должна быть не менее заданной.

Настоящая работа посвящена принципам построения отечественных аналоговых регуляторов, реализации с помощью этих регуляторов типовых структур АСР, методам расчета параметров статической и динамической настройки аналоговых регуляторов, обеспечивающим необходимое качество регулирования. В работе приведены примеры расчета настроек регуляторов для реальных теплосиловых установок.

В основу работы положены лекции, читаемые студентам специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов» (220301) на факультете энергетики НГТУ, и 40-летний опыт работы автора по пуску и наладке тепловых электростанций в Сибирском отделении ОРГРЭС - Сибтехэнерго.

Автор выражает благодарность студентам группы АТЭ-11 и особенно А.Ю. Рейценштейн из группы АТЭ-21 за подготовку работы к изданию.

Автор заранее благодарит за все замечания и предложения и надеется, что работа окажется полезной не только студентам, но и инженерам, специализирующимся в области проектирования, наладки и эксплуатации автоматических систем регулирования теплоэнергетических процессов.

1. Общие этапы наладки автоматических систем регулирования

Процесс наладочных работ по вводу автоматических систем регулирования независимо от автоматизируемого технологического цикла, установки вводимой АСР может быть разделен на несколько этапов. Одним из важнейших этапов этого процесса является анализ проекта АСР, который проводится представителями наладочной организации по материалам проекта. Анализу подвергаются как стратегические цели создания АСР (принципиальная работоспособность, возможность реализации структуры АСР на выбранных технических средствах), так и тактические (отсутствие ошибок в соединениях, выбор датчиков и т.д.). Анализ проводится на базе опыта наладочной организации, «ноу-хау» специалистов. Чем грамотнее проведен анализ проекта, тем быстрее будет введена АСР, тем большей будет эффективность ее функционирования.

На рис. 1.1 приведен алгоритм наладки АСР. Анализ проекта составляет содержание предварительного этапа. Второй этап ввода АСР назван подготовительным, он содержит операции по проверке элементов АСР:

регулирующего и вспомогательных устройств;

заборных устройств, импульсных линий;

регистрирующего устройства (если предстоит определение динамических характеристик объекта регулирования).

В ходе этапа определяются характеристики первичных измерительных преобразователей (датчиков), регулирующих органов, продуваются импульсные линии, проверяется функционирование схемы дистанционного управления регулирующим органом, работа блокировок и ввод сигналов из схемы технологических защит и правильность монтажа схемы автоматического воздействия на регулирующий орган. Если неизвестны динамические характеристики объекта регулирования, принимается решение о необходимости определения динамических характеристик объекта.

Алгоритм наладки АСР

Рис. 1.1 (см. также с. 8)

Рис. 1.1. (окончание)

После обработки результатов испытания (кривых разгона объекта регулирования), с использованием данных предварительной проверки датчиков, регулирующего устройства, исполнительного механизма и регулирующего органа, проводятся расчеты параметров статической и динамической настройки регулирующего устройства (регулятора, контроллера). По данным расчета и проверки регулирующего устройства выполняется реализация параметров настройки (установка нужных величин настроечных параметров). После этого проводятся опыты пробного включения АСР в работу в автоматическом режиме. Эта операция выполняется в режиме работы основной технологической установки без каких-либо возмущений. Затем проводится проверка отработки небольших возмущений (чаще всего со стороны регулирующего органа): в состоянии баланса АСР она выводится в режим ручного управления, дистанционно перемещается регулирующий орган на выбранную величину (обычно 5...10 % по указателю положения), АСР переводится в режим автоматического управления, фиксируется (записывается) с помощью системы регистрации переходный процесс. Полученная запись переходного процесса обрабатывается с целью получения показателей этого процесса:

динамической ошибки ;

площади под кривой переходного процесса (квадратичной интегральной оценки) ;

степени колебательности переходного процесса .

Полученные результаты сравниваются с требованиями, предъявляемыми технологическим процессом. Описанные выше операции составляют содержание этапа оптимизации АСР. При неудовлетворительных результатах отработки возмущений анализируются причины, и процесс повторяется до получения желаемого результата.

После получения нужного результата при этом возмущении проверяется отработка АСР других возмущений (в частности, возмущения задатчиком).

Заключительным этапом работы по вводу АСР являются приемо-сдаточные испытания с участием заказчика.

В алгоритме не показаны работы по оформлению эксплуатационной документации (инструкции по эксплуатации, исполнительные принципиальные схемы, монтажные схемы и акт приемки-сдачи). Алгоритм может несколько изменяться, отдельные работы могут быть исключены.

В настоящем пособии рассмотрены вопросы расчета статических параметров настройки, реализации, проверки их на конкретных видах аналоговой аппаратуры АСР. Приведены примеры расчета и реализации параметров динамической настройки и их коррекции.

2. Статическая настройка регулирующих устройств

Под статической настройкой АСР принято понимать следующие операции:

настройку измерительных цепей используемых в АСР параметров технологического процесса;

обеспечение статической точности регулирования;

отстройку (ликвидацию) пульсаций сигналов;

определение соотношения сигналов;

настройку диапазона задатчика.

Все перечисленные операции не связаны с динамикой технологического процесса, кроме операций ликвидации пульсации сигналов измеряемых параметров, используемых в АСР. Эта операция отнесена к статической настройке АСР скорее условно, она может быть выделена в отдельный пункт подготовки АСР к включению. Следует отметить, что использование тех или иных средств ликвидации пульсации сигналов сказывается на динамических характеристиках совокупности «объект регулирования-первичный измерительный преобразователь», сигнал которого приведен ко входу регулирующего устройства (узлу сравнения сигналов, используемых в данном регулирующем устройстве). Рассмотрим методы подавления пульсаций сигналов.

2.1 Ликвидация пульсаций сигналов

Природа пульсаций сигналов параметров технологических процессов котло- и турбогенераторов может быть объяснена турбулентностью потоков рабочих сред, нестационарностью режимов на границе раздела рабочих сред, сложением колебаний потоков от вентиляторов (дутьевых, дымососов, мельниц-вентиляторов). Пульсация характеризует колебания параметра с некоторой амплитудой А и частотой (периодом Т) около среднего значения. Значения А и можно выявить, наблюдая по показаниям контрольно-измерительных приборов или самопишущих регистраторов.

Стремление ограничить пульсации связано с использованием электрического исполнительного механизма постоянной скорости. Электрический двигатель, используемый в исполнительном механизме, имеет определенную допустимую частоту включения (чаще всего повторность включения ПВ = 40 %, т.е. 40 % времени двигатель работает, а 60 % остывает от нагрева протекавшими токами нагрузки и пусковыми). Этим объясняется ограничение числа включений электродвигателя 6 раз в минуту в стационарных режимах (изменение нагрузки менее 2...3 %) работы оборудования. Пульсация сигналов отдельных параметров имеет различные амплитуду и период. Например, на котлоагрегате ТП-82 при измерении первичными измерительными преобразователями индукционного типа расходов пара, воды и уровня в барабане котла по вольтметру переменного тока получены следующие результаты: по расходу пара - амплитуда 7...10 мВ и период 3,5...4 с; по расходу воды - амплитуда 10...12 мВ и период 1,5...2 с; по уровню - амплитуда 12...15 мВ и период 2...3 с. Измерения проведены в стационарном режиме.

Достаточно часто пульсации сигналов превышают сигналы изменения параметров, что создает значительные трудности при автоматизации поддержания параметров технологического процесса стабильными.

На котле производительностью 560 т/ч при сжигании газа пульсация факела составляла 60...120 Гц; при сжигании мазута - 80...100 Гц; битуминозного угля - 20...60 Гц; бурого - 1...3 Гц.

Приведенные примеры показывают важность разработки методов подавления или уменьшения пульсаций.

Одним из простейших способов подавления пульсаций сигналов является электрический фильтр низких частот, состоящий из RC-цепи, где R представлено в виде переменного сопротивления (рис. 2.1).



Рис. 2.1

Такой фильтр использовался в серийной аппаратуре ЭР-54, РПИК, РПИБ-62, Р25 («Контур-1»), он предполагал фильтрацию пульсаций параметров после узла суммирования и, следовательно, подавлял пуль-сации суммы всех сигналов, исходя из худшего по амплитуде пульсации сигнала, ухудшая динамические характеристики сигналов. Демпфер в несколько раз может ослабить их.

Передаточная функция демпфера:

Wд(s) = 1/(Тдs + 1),

где Тд = 1,32д 0,04; д - положение ручки потенциометра «Демпфер», = 10 дел.

При известных амплитуде А и частоте пульсации , задаваясь желаемым уровнем снижения амплитуды пульсаций N (раз), положение ручки «Демпфер» определяют из выражения:

д = (N2 - 1)1/2/1,32.

Время демпфирования может быть определено и другим способом: демпфер может ослабить пульсации с периодом Т в несколько раз:

Т = (1 + (2Тдемп /Т)2)1/2 2Тдемп/Т.

Если задана допустимая зона нечувствительности по параметру, то время демпфера:

Тдемп 0,5ТА/,

где А, Т - параметры пульсаций; - нечувствительность по пара-
метру.

Размерность А и в единицах регулируемой величины.

Дальнейшая реализация Тдемп зависит от параметров RC-цепи, потенциометр по R обычно имеет 10 дел.

- переменное сопротивление в аналоговой аппаратуре в делениях:

д = 10Тдемп [c]/ С [мкФ].

Положение ручки потенциометра «Демпфер» в аппаратуре аналоговых регуляторов МЗТА имеет максимальное значение:

Тдемп = 3,3 [МОм]4,0[мкФ] = 13,2 с.

Однако в аппаратуре ЭР, РПИ усиление в электронном блоке производилось с помощью двойного триода на лампе 6Ж4П, входное сопротивление относительно сетки 1 МОм, и в случае использования демпфера с д > 5 дел входной сигнал начинал теряться, что потребовало гашения комбинированным способом. Для этой цели используют совместно демпфер и зону нечувствительности.

Методика заключается в следующем. Вводят «Демпфер» на 1 дел и наблюдают за органом оценки пульсаций (например, по индикаторам выхода регулятора «Больше меньше»). При продолжающихся пульсациях вводят «Демпфер» на 1 дел и снова оценивают гашение пульсаций. При неудовлетворительных результатах продолжают вводить «Демпфер» до 5 дел. Если это не дало результата, возвращают «Демпфер» на одно деление, а ручку потенциометра «Зона нечувствительности» вводят на 0,5 дел. Наблюдая поведение индикаторов выхода регулирующего прибора, и при отсутствии положительного результата продолжают поочередно вводить ручки потенциометров «Демпфер» и «Зона нечувствительности» в указанном соотношении 1:0,5 до 5 дел. «Демпфера» и 2,5 дел. «Зоны нечувствительности». Последняя попытка проводится при положении потенциометра «Зона нечувствительности» на 5 дел.

При неудачном исходе переходят к гашению пульсаций с помощью гидравлических демпферов, устанавливаемых в одной или обеих импульсных линиях. В простейшем случае демпфер представляет собой шайбу из красной отожженной меди, толщина шайбы варьируется. Если простейший демпфер не дает результата, в отверстие шайбы вставляется капилляр с изменяемой длиной и диаметром (рис. 2.2):

Lдр/dдр = 0,7(Lимп.л Р/d2имп.л)1/2,

где Lдр - длина дросселя, мм; dдр - диаметр дросселя, мм; Lимп.л, dимп.л - длина и диаметр импульсной линии; Р - номинальный перепад давления датчика, Па.

Рис. 2.2

Длина импульсных линий берется: суммарная в метрах, диаметр в миллиметрах. Гидравлические демпферы устанавливаются в импульсные линии под накидные гайки датчика. В качестве капилляра удобно использовать медицинские иглы, подбирая диаметр и длину. Длинная часть должна входить в импульсную линию, что позволяет избежать забивания шламом на длительное время.

2.2 Обеспечение статической точности регулирования

Под статической точностью регулирования понимают точность поддержания регулируемого параметра при постоянной нагрузке и отсутствии возмущений на объект регулирования, она определяется зоной нечувствительности , измеренной в единицах регулируемого параметра.

В АСР стабилизации параметра принимают равной половине допустимого отклонения регулируемого параметра эмах при стационарном режиме, т.е. отклонение нагрузки менее 2...3 %

= 0,5э max.

Например, в АСР разрежения вверху топки котла эmax = 2 кгс/м2.

= 0,52 = 1 кгс/м2.

При оценке статической точности в АСР, в которой регулируемый параметр может изменяться под действием задающего параметра, точность поддержания регулируемого параметра составляет 1...2 % от диапазона изменения

= 0,01...0,02.

Например, для АСР воздуха и топлива = 0,01...0,02V.

V = Vрегмах - Vрег мин.

В АСР с жесткой обратной связью

Н = 0,02...0,05Нст.

Нст = 150 мм. в. ст. в АСР уровня в подогревателях высокого давления; Н = 0,02300 = 60 мм. в. ст.

В АСР, использующих регулирующие органы с импульсным выходом, выбранная статическая точность определяется соотношением между коэффициентом масштабирования сигнала регулируемого параметра m и зоной нечувствительности регулирующего устройства, определяемого положением ручки соответствующего органа настройки, шкала которого оцифрована в процентах номинального значения входного сигнала

,

где - [%]; - ед. рег. пар.; - %/ед. рег. пар.

Если в регулирующем устройстве установлена , может быть определено значение регулируемого параметра .

- коэффициент преобразования первичного измерительного преобразователя.

2.3 Настройка статического соотношения сигналов

При подаче на вход регулирующего устройства двух или больше сигналов необходимо обеспечить правильное соотношение сигналов, исходя из требований технологического процесса и задач АСР.

Учитывая схему организации измерения сигнала задающего параметра датчиком (первичным измерительным преобразователем), легче всего обеспечить нужные соотношения сигналов с помощью коэффициента масштабирования сигнала задающего параметра, исходя из равенства сигналов на входе в регулирующее устройство (РУ) при установке требуемого по технологии соотношения параметров в любой точке регулируемого диапазона при отсутствии сигнала задатчика.

Условие равенства сигналов на входе в РУ имеет вид:

рп = .

Коэффициенты преобразования датчиков известны из технической документации на датчик или могут быть определены экспериментально.

рг, зп - соответственно регулируемый и задающий параметр, измеряемые в физических величинах. Диапазоны изменения регулируемого параметра рп и задающего параметра известны из режимной карты или другой технической документации. Если в схеме используется задающее воздействие, коэффициент масштабирования задающего воздействия Kзв находят из условия равенства сигналов на входе в регулятор нижнего уровня

пп = зв,

где Kпп - коэффициент масштабирования; - коэффициент передачи цели промежуточного регулируемого параметра; пп - диапазон изменения промежуточного регулируемого параметра; зв - диапазон задающего воздействия.

Задающее воздействие имеет место в каскадных АСР (со стабилизирующим регулятором, со следящим регулятором, с двумя корректирующими регуляторами).

Для схемы с устройством умножения условия равенства сигналов на входе в РУ нижнего уровня определяются выражением

пп=0,01Kзвзпзв,

где 0,01 - постоянный коэффициент множительного устройства.

Задающее воздействие Kзв может быть двух видов:

автоматическим, например, выходным сигналом корректирующего регулятора, изменяющимся в зависимости от рп и контролируемым по указателю выхода РУ с непрерывным выходным сигналом. Требуемый диапазон изменения этого сигнала может быть ограничен средствами выхода РУ;

ручным зр, задаваемым вручную оператором и контролируемым по шкале задатчика.

Диапазоны изменения этих воздействий должны быть равны.

Обычно принимают

зв= за = зр = 100 %.

В схеме с вводом возмущения коэффициент масштабирования сигнала в2:

пп = Kв2в2.

После расчета значений коэффициентов масштабирования необходимо их проверить в нескольких точках регулируемого диапазона: на объекте устанавливают соответствующий режим и проверяют величину сигнала рассогласования на входе в регулятор. Если сигнал рассогласования больше зоны нечувствительности РУ, его уменьшают, корректируя положение органа масштабирования.

2.4 Настройка диапазона действия задатчика

Диапазон действия задатчика равен изменению сигнала задатчика при перемещении его из одного крайнего положения в другое и может быть измерен на входе в РУ вольтметром (Uзд) или выражен в процентах (зд).

Диапазон действия задатчика настраивают по требуемому диапазону изменения регулируемого параметра, которое необходимо получить в результате изменения задания регулятору (зд):

,

где , - максимальное и минимальное значения регулируемого параметра, устанавливаемое задатчиком регулятора.

Необходимое изменение сигнала задатчика можно определить из условий:

зд = зд

Uзд = 0,01Uном зд.

В аппаратуре ГСП диапазон действия задатчика (Uзд или зд) может быть постоянным или его можно изменять с помощью масштабирования.

При отсутствии органов масштабирования сигнала задатчика зд при известном значении Kрп может быть найдено из приведенных выше выражений.

Цена деления шкалы задатчика в единицах измерения регулируемого параметра равна:

Z = зд/n,

где n - число делений шкалы задатчика.

Если по желанию операторов необходимо изменить цену деления задатчика, следует определить Kрп по желаемой величине зд и проверить зону нечувствительности.

Обычно зд по величине определяется технологическим значением и допустимым диапазоном изменения регулируемого параметра, с учетом удобства цены деления. Не следует задаваться очень большим значением зд, так как при этом снижается точность установки заданного значения регулируемого параметра.

Если аппаратура регулирования имеет органы масштабирования сигнала задатчика, рекомендуется следующая очередность настройки органа масштабирования:

задаются значением зд;

по приведенным выражениям определяют Uзд; при среднем положении задатчика и выведенных в нулевые положения органах настройки всех коэффициентов масштабирования, кроме коэффициента масштабирования сигнала задатчика Kзд ;

подбирают настройку органа масштабирования Kзд, чтобы при повороте ручки задатчика из среднего положения в одно и другое крайнее положение изменение напряжения на выходе измерительного устройства составляло половину Uзд разных знаков (симметричное изменение).

Существует экспериментальный метод настройки выбранного диапазона действия задатчика зд:

определяют цену деления задатчика;

при среднем положении ручки задатчика и при текущем значении рп балансируют измерительное устройство регулятора;

перемещая регулирующий орган дистанционно, изменяют регулируемый параметр на возможно большее значение рп и определяют положение ручки задатчика, соответствующее новому значению рп:

n = hg /Z,

где Z - изменение числа делений поворота ручки задатчика от среднего положения;

устанавливают ручку задатчика в требуемое положение и напряжение небаланса на выходе измерительного устройства компенсируют изменением Uзд;

проверяют балансировку измерительного устройства при первоначальном значении рп и среднем положении ручки задатчика (при необходимости повторяют две последние операции), затем проверяют симметричность действия задатчика.

3. Аналоговые регулирующие устройства отечественного производства

Объекты регулирования теплоэнергетических процессов представляют регулируемые участки технологических процессов подготовки рабочих сред для генерации и перегрева пара с целью получения тепла и электроэнергии для обеспечения потребителей.

На рис. 3.1 показана структурная схема автоматической системы регулирования (АСР) одного из этих регулируемых участков.

Рис. 3.1

На рисунке: ОР - объект регулирования; Д - датчик (первичный измерительный преобразователь); Зд - задатчик; РУ - регулирующие устройство; Сх. упр. - электрическая схема управления; ИМ - исполнительный механизм; Ро - регулирующий орган; УС - устройство суммирования; - регулируемый параметр; зд - задающий параметр; - возмущение; - регулирующее воздействие.

Выходным параметром такой АСР может быть давление, расход, уровень, температура и т.д. С целью контроля протекания технологических процессов эти параметры должны быть измерены и показаны оператору, ведущему эти процессы. Учитывая, что одной из выходных величин общего технологического процесса является электроэнергия, целесообразно использовать ее в качестве вспомогательной энергии для изменения положения регулирующих органов. Этому способствует то обстоятельство, что большинство рабочих сред на тепловой электростанции не отличается агрессивностью и взрывоопасностью. Это предопределило использование в качестве привода регулирующих органов исполнительных механизмов, состоящих из электрического двигателя и редуктора. Управление исполнительным механизмом осуществляется с помощью электрических сигналов через схему управления. Следовательно, выработку управляющих сигналов удобно производить с помощью регулирующих устройств электрического типа, учитывая, что все необходимые операции по выработке управляющих сигналов очень просто выполнять с помощью электрических схем.

Измерение неэлектрических параметров технологических процессов просто и удобно производить электрическими методами.

Таким образом, вся главная обратная связь АСР может быть реализована с помощью электрических схем.

Это и предопределило создание электрических регулирующих уст-ройств. Московский завод тепловой автоматики и ВТИ в 1948-1953 гг. разработали и внедрили в производство серию электрических устройств, формирующих определенные законы регулирования. Создатели этой серии, получившей название ЭР-54 (Е.П. Стефани и др.), были удостоены Сталинской Государственной премии. Практически 50-лет-ний опыт использования электрических аналоговых (в отличие от используемых в настоящее время цифровых) регуляторов подтвердил правильность технологических решений в этой области. Электрические регуляторы успешно внедрены в теплоэнергетике, металлургии, химической промышленности и других отраслях хозяйства.

Пятидесятилетний успешный опыт внедрения позволил усовершенствовать эту аппаратуру и создать гамму электрических устройств, решившую все вопросы реализации созданных к этому времени технологических структур автоматизации теплоэнергетических процессов.

На рис. 3.2 представлена гамма электронных регулирующих устройств, выпускавшаяся московскими заводами МЗТА и «Комета».

Датчики (ПИП)	ДМ, ДММ	ЧМ	МДМ, ДТТ, ИБМ	ТХА, ТЖК, ТС
Формирующие сигналы приборы	ЭР-III-59 ЭР-С-59	ЭР-Т-59 ЭР-ПИ-59	ЭР-Т2-59 ЭКП-3/6
Служебные приборы	ЭД-Т-58	ЭОС-И-58 ЭОС-Т-58	РП ЭСП
Вспомогательные приборы	ЗРУ	БПУ, РУП, ДУП	СНЭ-120-1

На рис. 3.6 показана структурная схема релейного регулятора, у которого исполнительный механизм не охвачен обратной связью. Передаточная функция регулятора при учете релейной характеристики как линейного звена может быть представлена как ПД-функция, которая в последовательном соединении с И-звеном (исполнительный механизм) дает ПИ-закон регулирования.

Рис. 3.3

С учетом принятой структуры в ПД-звене передаточная функция описывается обратной связью в виде апериодического звена.

Невозможность получения небольших значений коэффициента усиления регулятора при больших временах интегрирования вызвала появление схем обратной связи с полностью или частично независимыми цепями заряда и разряда конденсатора С. Такие схемы показаны на рис. 3.3, б, в. Приведенная на рис. 3.3, а схема имеет Т1 = RC, а если учесть последовательно включенное интегрирующее звено (исполнительный механизм), передаточная функция регулятора будет

,

где

- балластное звено имеет коэффициент усиления 1/(1 + S) и постоянную времени , т.е. при увеличении времени интегрирования увеличивается и коэффициент пропорциональности (усиления) регулятора.

Схемы рис. 3.3, б, в отличаются только НЗ контактом реле, отключающим сопротивление разряда Rр при заряде конденсатора С.

Разряд в обеих схемах только через сопротивление Rр, передаточная функция обратной связи при разряде конденсатора (когда реле отключено) имеет вид:

,

где Тр = RрС.

При заряде конденсатора передаточная функция цепи может быть записана в виде:

,

где .

Таким образом, для обеих схем рис. 3.3, б, в передаточные функции отличаются только параметрами:

,

что позволяет определить параметры настройки из выражений:

Из этих зависимостей очевидно, что параметры настроек взаимно независимы. Независимые цепи заряда и разряда позволяют увеличить диапазоны изменения параметров настроек.

Изменение коэффициента пропорциональности выполняется не уменьшением доли напряжения в цепочке обратной связи (), а толь-ко изменением Тз. Значение поддерживается всегда на максимальном уровне. Это позволяет уменьшить отклонение динамических характеристик регулятора от линейной модели.

В отечественных релейных ПИ-регуляторах цепи разряда и заряда конденсатора обратной связи и исполнительного механизма управляются одним и тем же релейным элементом.

В цепи обратной связи релейных элементов включается устройство, получившее название «Длительность импульса». Назначение его - отключение реле раньше того момента, когда напряжение на конденсаторе обратной связи в структурной схеме релейного ПИ-регулятора компенсирует величину входного сигнала.

На рис. 3.4 приведена схема обратной связи с устройством «Импульс».



Рис. 3.4

Приближенно можно считать, что влияние устройства «Импульс» идентично уменьшению зоны возврата на величину

,

при включении реле полный скачок напряжения:

.

Технический прогресс в области технических средств позволил усовершенствовать формирующие и измерительные блоки и устранить выявленные в процессе накопления опыта недостатки.

В блоке ЭР-54 использовалась поляризованное реле с так называемым электрическим нейтральным нулем. Поляризованное реле отличается небольшим потреблением и высоким быстродействием. Однако оно обладает одним существенным недостатком: настройка этого реле неустойчива. Реле было заменено сначала на кодовое реле в электронном формирующем блоке РПИК-62, затем в варианте бесконтактного блока РПИБ число ламп было уменьшено до одной; но был введен полупроводниковый каскад усиления в измерительную схему. Последняя выполнялась в виде отдельных измерительных блоков в соответствии с используемыми датчиками.

Использование других реле потребовало применение модулятора, а затем и триггера в качестве релейной схемы. Эти усовершенствования привели к созданию новой гаммы аппаратуры, которая приведена на рис. 3.5.

Аппаратура МЗТА состоит из ряда блоков. Она включает:

1 - датчики для измерения регулируемой величины;

11 - датчик в системе измерения, сигнал от которого поступает через измерительный преобразователь;

2 - измерительный преобразователь с унифицированным сигналом на выходе;

3 - измерительные блоки, выполняющие алгебраическое суммирование масштабированных сигналов от датчиков, сравнение с заданным

Рис. 3.5

значением регулируемого параметра и формирование сигнала ошибки в форме напряжения унифицированного вида в данной системе;

4 - формирующие блоки усиления сигнала ошибки и формирования выходного сигнала по заданному закону регулирования (рис. 3.6);

5 - исполнительные усилители выходного сигнала формирующего блока до уровня, достаточного для управления электродвигателем исполнительного механизма;

Рис. 3.6

6 - исполнительные механизмы для перемещения регулирующего органа;

7 - дополнительные блоки для расширения возможностей системы;

71 - задатчик регулятора;

72 - датчик обратной связи по положению регулирующего органа, который позволяет сформировать П-закон регулирования;

73 - указатель положения выходного вала исполнительного механизма;

74 - прибор для синхронизации положения двух исполнительных механизмов.

Схема взаимодействия блоков аппаратуры МЗТА и гамма дополнительных блоков приведены на рис. 3.7.

Номенклатура служебных блоков и номенклатура дополнительных блоков аппаратуры МЗТА показаны на рис. 3.8, 3.9.

Рис. 3.7



Рис. 3.8

Рис. 3.9

На рис. 3.10 приведена реальная схема обратной связи с использованием неоновой лампы для развязки цепей заряда и разряда емкости С.

Рис. 3.10

На рис. 3.11 показана структурная схема измерительного блока И-III аппаратуры МЗТА.

Рис. 3.11

3.1 Аппаратура «Каскад» (МЗТА)

С началом внедрения Государственной системы приборов (ГСП), включавшего переход на унифицированный сигнал постоянного тока, потребовалось создать комплекс аппаратуры, работающей с унифицированным сигналом.

В системе Минприборостроения сразу две организации занимались разработкой штатных систем: Московский завод тепловой автоматики (МЗТА) и НИИтеплоприбор.

МЗТА разработал и начал выпускать в 1975-1976 гг. серию аппаратных средств регулирования «Каскад», основанную на применении транзисторных усилителей постоянного тока. Система ориентирована на использовании сигнала 0...5 мА как отдатчиков и нормирующих преобразователей, так и между отдельными блоками системы. Регулирующие блоки могут принимать сигнал 0...20 мА. регулирующий нелинейный ограничитель перенапряжение

В состав системы входила следующая номенклатура:

регулирующие блоки: аналоговый Р12, релейный Р21, импульсатор Р33;

блоки ввода информации от датчиков: суммирования А01, измерительный И04; умножения А31, деления А32, извлечения корня А33;

функциональные блоки: дифференцирования Д01, динамического преобразования Д03, ограничения H02, аналого-релейный преобразователь Л02;

служебные устройства; задающее токовое ЗУ05, потенциометрическое ЗУ; блоки управления аналогового регулятора БУ12, релейно-го - БУ21; устройство защитное В01; блоки указателей В12, согласующих приставок В21.

3.1.1 Блок регулирующий аналоговый Р12

Блок работает в комплекте с позиционерами как аналоговый регулятор или как корректирующий. Без них он имел три исполнения по скорости протекания процессов в объекте и формировал ПИД-закон регулирования с ограничением выходного сигнала y(p):

.

Все входы гальванически связаны, выход-вход - гальванически разделены. Регулятор имеет устройство безударного перевода из режима ручного управления.

Блок построен на усилителях УВ21, УВ22 и релейном элемен-
те, для цепей обратных связей, формирующих закон регулирования
(рис. 3.12).

Рис. 3.12

3.1.2 Блок регулирующий релейный Р21

Формирует ПИ-закон регулирования:

.

Взаимонезависимые параметры настройки:

Vсв - скорость связи;

Ти - постоянная времени интегрирования;

неч - зона нечувствительности;

tи - длительности импульсов.

Коэффициент пропорциональности регулятора:

,

где Тим - время полного перемещения выходного вала исполнительного механизма.

Функциональная схема блока Р21 содержит измерительную цепь, прямой канал из усилителя и трехпозиционного релейного усилителя, главную и дополнительную обратные связи, источник питания и сигнальные лампочки (рис. 3.13).

Рис. 3.13

Токовые сигналы преобразуются в сигналы напряжения, которые суммируются, и результирующий сигнал усиливается операционным усилителем и подается на трехпозиционный релейный усилитель, на выходе установлены тиристорные ключи.

3.1.3 Импульсатор Р33

Алгоритм действия импульсатора:

,

где Q - скважность выходных импульсов; K1 - масштабатор; Kп - коэффициент пропорциональности.

В приборе имеется автоподстройка Kп.

Функциональная схема импульсатора содержит измерительную цепь, узлы гальванической развязки, которые питаются от генератора; операционный усилитель; выходной транзистор, сигнальную лампу, источник питания и блок реле.

Автоподстройка осуществляется замыканием одной из внешних пар зажимов 4-5, 6-7, 8-9.

3.1.4 Блок дифференцирования Д01

Блок выполняет операцию реального дифференцирования:

.

Возможен режим только демпфера.

Функциональная схема Д включает измерительную цепь, операционный усилитель, источник питания и смещения (рис. 3.14).

Все входы и выходы гальванически связаны.

Рис. 3.14

3.1.5 Блок динамического преобразования Д03

В зависимости от настройки блок может быть:

реальным дифференцирующим звеном:

;

идеальным дифференцирующим звеном:

;

интегрирующим звеном:

;

пропорциональным звеном:

.

Блок имеет возможность демпфирования входного сигнала и ограничения выходного по нижнему и верхнему уровню.

Функциональная схема блока включает измерительную цепь, узел гальванического разделения, панель выбора закона преобразования, операционный усилитель, ограничитель, источник питания и блок реле для дистанционного изменения параметров настройки.

Имеется возможность трех ступеней автоподстройки коэффициента усиления K0 и постоянной времени Т0.

Входы гальванически связаны между собой, а вход-выход разделены.

3.1.6 Аналого-релейный преобразователь Л02

Блок является логическим устройством, преобразующим аналоговый сигнал в релейный сигнал, соответствующий переключению контактов электромагнитного реле, либо в релейный сигнал напряжения постоянного тока. Блок выполняет функцию сравнения одного аналогового сигнала с другим или сравнение аналогового или алгебраической суммы нескольких сигналов с сигналом встроенного задатчика:

,

где h - зона возврата.

При сумме сигналов больше Хзд состояние выходных ключей изменяется: выходной сигнал по напряжению равен 24 В, выходные реле переключаются.

Функциональная схема включает измерительную цепь, узлы гальванического разделения и питающий их генератор, компаратор, узел задатчика, выходной усилитель, сигнальную лампу, выходные реле и источник питания.

Входы и выходы гальванически разделены.

3.1.7 Задающие устройства ЗУ11 и ЗУ05

ЗУ11 представляет собой потенциометр, реализующий поворот угла ручки потенциометра в изменение сопротивления. В ЗУ05 дополнительно имеется источник стабилизированного напряжения, транзисторный усилитель, источник питания. Выходной сигнал ЗУ05 - токовый сигнал.

3.1.8 Устройство защитное В01

Оно служит для защиты токовой цепи от разрыва линии при подключении к датчику более чем одного потребителя. Оно состоит из стабилитрона КС156 с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Пороговые напряжения стабилитрона -5,6 и 0,6 В. В стабилитроне ток при напряжении выше порогового (5,6 В) определяется параметрами внешней цепи, а ниже порогового - ток равен нулю.

3.1.9 Блок указателей В12

Блок содержит миллиамперметр с нулем в крайнем положении и вольтметр с нулем в середине шкалы.

Амперметр служит для измерения тока 0...5 мА, а вольтметр (микроамперметр 20 мкА с добавочным резистором) - для контроля сигнала рассогласования на входе регулирующих блоков 25 %.

3.1.10 Блок согласующих приставок В21

Он предназначен для согласования релейных блоков с активно-индуктивной нагрузкой. Блок содержит три приставки, гальванически развязанных, вход-выход одной приставки не изолирован. Приставки улучшают динамические свойства регулятора при включении на выход регулятора магнитных пускателей или усилителей.

3.2 Комплекс технических средств «Каскад-2» МЗТА

Совершенствование элементной базы в конструкциях средств регулирования, в частности переход от автогенераторных усилителей к операционным, к этому времени хорошо зарекомендовавших себя в аппаратуре для малых котельных «Контур-1», привело к созданию в середине 1990-х годов аппаратуры «Каскад-2», на операционных усилителях. Номенклатура приборов была значительно расширена.

В комплекс входят:

функциональные блоки: регулирующий аналоговый с непрерывным выходным сигналом Р17 и его модификации Р17.1, Р17.2, Р17.3; регулятор с импульсным выходом Р27 и его модификация Р27.1, Р27.3, Р27.3, Р28 (с автоподстройкой;

устройства ввода сигналов: суммирование и ограничение А05; ограничение и размножение А06;

дополнительные блоки: вычислительных операций А35; аналого-релейного преобразования Л03 и его модификация Л03.1, Л03.3; динамического преобразователя Д05 и его модификация Д05.1, Д05.3, Д06 (с автоподстройкой), интегрирования Д07; нелинейных преобразований Н05.

3.2.1 Регулирующий аналоговый блок с непрерывным выходным сигналом Р17

Функциональная схема регулирующего модуля Р017.1 приведена на рис. 3.15.

Рис. 3.15

Модуль включает входной усилитель, интегратор, дифференциатор, нелинейный элемент, сумматор, выходной усилитель, преобразователь напряжения в ток, ограничитель выходного сигнала и узел безударного переключения режимов работы. Основой модуля являются
8 операционных усилителей. Формирование ПИД-закона регулирования осуществляется параллельно включаемыми операционными усилителями с соответствующими обратными связями. Имеется возможность отключения П- и Д-составляющих. В модуле есть демпфер для гашения пульсации сигнала рассогласования, поступающего от измерительного модуля И00.1 (рис. 3.16).

Органы настройки регулятора:

коэффициент передачи (плавно и ступенями «х1», «х10»);

постоянная времени интегрирования (изодрома) (плавно и ступенями «х1», «х10»);

постоянная времени предварения (плавно и ступенями «х1», «х10»);

постоянная времени демпфирования (плавно);

ограничение снизу и сверху уровня выходного сигнала.

Рис. 3.16

Входным сигналом для модуля Р017 является напряжение 0...10 В.

Узел безударного переключения содержит реле KV с переключающим контактом.

В режиме ручного управления срабатывает реле KV, его контактом на вход выходного усилителя подается сигнал 0...10 В постоянного тока от внешнего блока управления (через сопротивление R44). Сигнал, пропорциональный выходному сигналу выходного усилителя, через резистор R41 поступает на сумматор, а с его выхода через контакты реле KV - на вход интегратора, который отслеживает выходной сигнал блока, обеспечивая безударность переключения с ручного управления на автоматическое. При отключенной интегральной составляющей закона регулирования безударность переключения не обеспечивается

3.2.2 Регулирующий блок с импульсным выходом Р27

Блок совместно с исполнительным механизмом реализует ПИД-закон регулирования с передаточной функцией

,

где Kп - коэффициент передачи, с/%; Тим - время сервомотора, с;
Ти - время интегрирования, с; Тпв - время предварения, с; Тдемп - время демпфирования, с

Тдемп = 10 с.

Принципиальная электрическая схема регулятора Р27 приведена на рис. 3.17. Регулятор состоит из трех модулей: регулирующего модуля Р027.1; измерительного модуля И001.1; модуля стабилизированного питания ИПС01.1.

Зона нечувствительности имеет минимум - 0,24 %, и максимум - 3 %.

Коэффициент усиления

,

с минимумом - 0,666 и максимумом - 22,2.

Время интегрирования: min = 200 с, max = 2000 c.

Время предварения Тпв 4...400 с.

Рис. 3.17

3.3 Аппаратура «Контур-1»

Аппаратура предназначена для автоматизации объектов с относительно небольшим объемом автоматических регуляторов (котельные, газовые турбины и т. д.).

В состав аппаратуры входят регулирующие приборы Р25, корректирующие приборы К15, К16, К26.

Регулирующие приборы Р25 имеют три модификации по типу используемых датчиков:

- дифференциально-трансформаторные датчики с масштабированным входом (два), возможен ввод сигнала от дифференциально-тран-сформаторного датчика по положению исполнительного механизма; измерительный узел суммирования сигналов датчиков и задатчика. Прибор совместно с двигателем постоянной скорости формирует ПИ-за-кон регулирования. Выходные устройства прибора (ключи) позволяют управлять либо коммутационной аппаратурой, либо непосредственно однофазными асинхронными электродвигателями ограниченной мощности. На приборе имеется ключ режима управления исполнительным механизмом (режим «автоматический» или «ручной»). При ручном режиме управления используется возвратный ключ с положениями «Больше»-«Меньше». Выходные и входные цепи регулятора гальванически не связаны.

Прибор корректирующий К15 с модификациями К15.1, К15.2, К15.3 с законом ПИД-регулирования осуществляет безударное переключение режимов управления из автоматического в ручной и обратно.

Прибор К16 с модификациями К16.1, К16.3 осуществляет либо дифференциальный (Д), либо апериодический (А), либо пропорциональный (П) законы.

Приборы К26 модификаций К26.1, К26.3 осуществляют преобразование сигнала рассогласования в дискретный выходной сигнал
в виде состояния выходных контактов.

Существуют приборы с показанием рассогласования и выходного сигнала с помощью стрелочных микроамперметров.

На рис. 3.18 показана блок-схема регулирующего прибора Р25 в части субблоков Р-012, Р-013 и регулирующего субблока Р-011.

Рис. 3.18

3.4 Аппаратный комплекс электрических средств регулирования АКЭСР

Комплекс включает:

· регулирующие устройства: блоки импульсные РБИ1, РБИ2, РБИ3 и аналоговый РБА;

· блоки ввода-вывода информации: кондуктивного разделителя БКР-1, БКР-2, БКР-3;

· функциональные устройства: вычислительных операций БВО; нелинейных преобразований БНП-04; сигнализации БСГ; блок интегрирования БПИ; динамических преобразований БДП; блок селектирования БСЛ-04; блок сравнения 4 токовых сигналов БСЛ-04;

· устройства оперативного управления (ручного управления БРУ-1К, БРУ-2К, БРУ-3К, БРУ-У, задатчики ручные - РЗД, РЗД-К);

· источник группового питания БПГ.

По конструкции блоки комплекса подразделяются на приборные (с буквой П) и шкафные (с буквой Ш). Источник группового питания относится к шкафному варианту комплекса.

Блоки управления имеют соответственно одну, две, три кнопки. Блок БРУ-У имеет индикатор положения регулирующего органа.

3.4.1 Регулирующие импульсные блоки РБИ

Блоки выпускают в трех модификациях в зависимости от вида автоподстройки:

РБИ1 - без дистанционной подстройки параметров настройки;

РБИ2 - подстройка дискретная;

РБИ3 - подстройка аналоговая.

Входные сигналы - унифицированные ГСП,

выходной сигнал = -10 ч 0 ч +10 В.

Регуляторы имеют ПИ-закон регулирования.

Передаточная функция регулятора РБИ

 ,

где коэффициент передачи регулятора Vсв - «скорость связи» - скорость компенсации сигнала рассогласования сигналом отрицательной обратной связи.

3.4.2 Блок динамических преобразований БДП

Блок предназначен для динамических преобразований (интегрирования, дифференцирования, демпфирования) линейной комбинации входных сигналов.

y0 при Pб = Pм = «0» (режим хранения);

при Pб = «1», Pм = «0» (режим интегрирования в прямом направлении);

при Pб = «0», Pм = «1» (режим интегрирования в обратном направлении);

.

Технические данные

Ти	5; 10; 15...50; 20; 40; 60...200; 50; 100; 150...500; 100; 200; 300...1000; 200; 400; 600; 2000; 500; 1000; 150...5000; 1000; 2000; 3000...10 000 с
,	0 ...1
	0...100
Усиление	1 0,5 %

3.4.3 Блоки прецизионного интегрирования БПИ, БПИ-21

Блоки предназначены для реверсивного интегрирования аналогового или широтно-модулированного импульсного сигнала с возможностью ограничения выходного сигнала или двухпредельной сигнализацией.

Имеются режимы хранения, прямого или/и обратного интегрирования.

Блок содержит интегратор аналогового сигнала, логическую схему управления интегратором, узел двухпредельной сигнализации и выходной кондуктивный разделитель.

Блок-схема показана на рис. 3.19.

По входным и выходным сигналам БПИ совместим с «Каскадом
1, 2», в которых нет интегрирующего блока.

Рис. 3.19

3.4.4 Блоки БРУ-1К, -2К, -3К, -У

Эти блоки имеют двухобмоточное реле с шестью группами контактов (одна из которых задействована для световой индикации реле). Имеется возможность переключения реле от внешнего логического управления замыканием выводов, обмоток реле БРУ-У, дополнительно имеет микроамперметр измерения сигналов 0...5 мА или 0...10 В.

4. Динамическая настройка типовых структур АСР

Методы поиска динамических параметров настроек рассмотрены подробно в ч. 1 пособия. Они могут быть расчетными (требуется знание динамики объекта) или экспериментальными (знание динамики объекта необязательно). Ниже приведены экспериментальные методы поиска настроек.

4.1 Экспериментальный способ поиска оптимальных динамических настроек

Этот способ основан на зависимости переходных процессов от настроек АСР, изображенных на плоскости в области настроек.

Плоскость с областью настроек для АСР с ПИ-законом и статическим объектом приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1

1. Рассматриваются настройки, обеспечивающие Kсз > 0 (Kсз = ).

2. Область настроек АСР ограничена на плоскости осями Kр, Kр/Ти и линией Kсз = 0.

3. Одним из показателей переходного процесса АСР является Kсз (другие - А1, F, tпп).

4. Заданное значение Kсз можно обеспечить различными комбинациями Kр и Ти, образующими на плоскости настроек линию Kсз = конст.

5. Особенность расположения линии Kсз = конст: наличие вершины, наличие вертикально падающей ветви к оси Kр, наличие слабонаклонной ветви к оси Kр/Ти.

...