Расчет средств автоматизации и автоматических систем регулирования

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра инженерной кибернетики

Специальность 5В070200 - Автоматизация и управление

Расчетно-графическая работа

По дисциплине «Автоматизация объектов управления»

Тема:

Расчет средств автоматизации и автоматических систем регулирования

Выполнила Довыденко Е.В.

Студентка группы АУТ-14-3

Принял ст. пр. Погребняк В.В.

Алматы - 2017



Содержание

1. Расчетно-графическая работа №1

2. Расчетно-графическая работа №2

3. Расчетно-графическая работа №3

Заключение

Список использованной литературы



1. Расчетно-графическая работа №1

Задание 1

По заданным дифференциальным уравнениям определить операторные уравнения при нулевых начальных условиях, передаточные функции, структурные схемы звеньев, характеристические уравнения и их корни. Показать распределение корней на комплексной плоскости. Оценить устойчивость каждого из звеньев.

а)

б)

Задание 2

По заданной передаточной функции записать дифференциальное уравнение.

Выполнение заданий

а)

так как

Корнями характеристического полинома будут:

Структурная схема такой системы приведена на рисунке 1 и расположение корней характеристического полинома на рисунке 2.

Рисунок 1 - структурная схема

Рисунок 2 - корни характеристического полинома

Так как корни находятся на вещественной оси, система находится неустойчива, имеет не колебательный процесс.

б)

так как



Корнями характеристического полинома будут:

Структурная схема такой системы приведена на рисунке 3 и расположение корней характеристического полинома на рисунке 4.

Рисунок 3 - Структурная схема

Рисунок 4 - корни характеристического полинома

Так как корни вещественные с разными знаками, то такая система будет не устойчивой и иметь не колебательный процесс.

2)

2. Расчетно-графическая работа №2

Задание 1

Дана одноконтурная АСР, для которой определена передаточная функция регулятора (Р) с настройками и дифференциальное уравнение объекта управления (ОУ). Требуется определить:

- передаточную функцию разомкнутой системы W_?(p),

- характеристическое выражение замкнутой системы (ХВЗС),

- передаточные функции замкнутой системы Ф_з(p) - по заданию,

Ф_в(p) - по возмущению, Ф_Е(p) - по ошибке,

- коэффициенты усиления АСР,

- устойчивость системы.

Дан ПИ-регулятор с ПФ вида и объект управления, описываемый дифференциальным уравнением

Задание 2

По табличным данным построить переходную кривую объекта, определить параметры передаточной функции объекта, рассчитать настройки ПИД-регулятора, обеспечивающие 20%-е перерегулирование.

X_вх = 20 кПа; Y = 30С; _зап = 1 мин

Таблица 1

Заданные значения

t, мин	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
?Y	0	2	5	8	10	12	15	18	25	27	30	30

Выполнение заданий

1) Определяется передаточная функция объекта:

Тогда передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

ХВЗС:

Передаточные функции замкнутой системы:

- по возмущению

По передаточным функциям определяются коэффициенты усиления путем подстановки в них s = 0:

- по заданию;

- по ошибке;

- по возмущению.

Устойчивость АСР определяется по критерию Гурвица.

Поскольку коэффициенты ХВЗС а₄ = 10, а₃ = 7, а₂ = 1, а₁ = 0, а₀ = 8 (степень полинома n = 4), то матрица Гурвица имеет вид:

Определители:

Поскольку все определители отрицательны, то АСР является не устойчивой.

Рисунок 5 - График переходного процесса

Из графика можно определить:

Поэтому коэффициент усиления:

Постоянная времени равняется Т = 10 мин.

Для процесса с 20% перерегулированием ПИД-регулятора, его настройки:

3. Расчетно-графическая работа №3

Задание

По заданной упрощенной функциональной схеме автоматизации (Рисунок 6) построить полную схему, выбрать средства автоматизации с учетом указанных технологических параметров.

Рисунок 6 - функциональная схема автоматизации

операторный передаточный характеристический автоматический

D_у - диаметр трубопровода для подбора клапанов и диафрагм;

Т = 350 15С, L = 1,0 0,2 м,

L_min = 40% L,

D_у = 50 мм,

Р = 0,11 Мпа

Выполнение

Из функциональной схемы ясно, что имеется два прибора, которые измеряют выходные величины трубопровода диаметром 50 мм, оба прибора находятся на щите или пульте управления.

Прибор №1: прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством, регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр, мост и т.д.).

Чтобы данный прибор измерял температуру, необходимо обеспечить считывание показаний с объекта, для чего использовались:

1) Термопреобразователи сопротивления с коммутационной головкой ТС005 предназначены для непрерывного измерения температуры и могут быть использованы во всех отраслях промышленности.

Рисунок 7 - ТС005

Таблица 2

Технические характеристики ТС005

Номинальная статическая характеристика	50М; 100М; 50П; 100П
Класс допуска	А; В; С
Рабочий диапазон измеряемых температур, °С	-50...+500
Количество элементов в изделии, шт.	1 или 2
Защищенность от воздействия пыли и воды по ГОСТ 14254	IP54
Группа климатического исполнения по ГОСТ 12997	Д2 и Р2
Вид климатического исполнения по ГОСТ 15150	ТЗ
Материал защитной арматуры	12Х18Н10Т
Устойчивость к механическим воздействиям по ГОСТ 12997	Вибропрочные гр. исполнения №3

2) Универсальный нормирующий преобразователь ОВЕН НТП1 предназначен для преобразования значения температуры измеренной при помощи термопары или термосопротивления, в унифицированный сигнал постоянного тока 0(4)-20 мА. Может использоваться во вторичных приборах систем автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, в том числе подконтрольных Ростехнадзору, а также в коммунальном хозяйстве, диспетчеризации, телемеханических информационно-измерительных комплексах и т.д.

При конфигурировании ОВЕН НПТ-1 подключается к USB порту персонального компьютера при помощи стандартного кабеля mini-USB. В комплект поставки кабель mini-USB не входит. Рекомендуем использовать кабель mini-USB длиной не МЕНЕЕ 1 м, с кабелями меньшей длины возможны сложности при установке соединения с ПО "конфигуратор НПТ-1" если работа ведется на ноутбуке.

Рисунок 8 - НТП1

Таблица 3

Основные технические характеристики НТП-1

Параметры	Значение
Номинальное значение напряжения питания (постоянного тока)	24 В
Диапазон допустимых напряжений питания (постоянного тока)	12 - 36 В
Потребляемый ток, не более:
- для рабочего режима	35 мА
- для режима конфигурирования (питание осуществляется от USB-Host)	50 мА
Номинальный диапазон выходного тока преобразователя	0-20 мА, 4-20 мА
Функция преобразования входных сигналов	монотонно возрастающая или убывающая
Нелинейность преобразования, не хуже	±0,1%
Разрядность аналого-цифрового преобразователя, не менее:
- при работе с термометрами сопротивления	15 бит
- при работе с термопарами	14 бит
Разрядность ЦАП не менее	11 бит
Сопротивление каждого соединительного провода, соединяющего преобразователь с датчиками, не более	100 Ом
Допустимое отклонение сопротивлений проводов при трехпроводной схеме подключения ТС, не более	0,01% от R0
Номинальное значение сопротивления нагрузки (при напряжении питания 24 В)	250 Ом ±5 %
Максимальное допустимое сопротивление нагрузки (при напряжении питания 36 В)*	1200 Ом
Пульсации выходного сигнала	0,60%
Время установления рабочего режима (предварительный прогрев), не более	15 мин
Время установления выходного сигнала после скачкообразного изменения входного, не более	1 с
Время непрерывной работы	круглосуточно
Интерфейс связи с ПК	USB2.0 Full Speed
Габаритные размеры	98 Ч 82 Ч 22 мм
Средняя наработка на отказ, не менее	500 000 ч
Средний срок службы, не менее	12 лет

3) Измеритель двухканальный ОВЕН 2ТРМ0 предназначен для измерения температуры теплоносителей и различных сред в холодильной технике, сушильных шкафах, печах различного назначения и другом технологическом оборудовании, а также для измерения других физических параметров (веса, давления, влажности и т.п.).

Рисунок 9 - 2ТРМ0



Таблица 4

Технические характеристики 2ТРМ0

Параметры	Значение
Напряжение питания переменного тока.	90...245В
Частота напряжения питания.	47...63 Гц
Потребляемая мощность.	не более 7ВА
Напряжение встроенного источника питания нормирующих преобразователей.	24 ± 2,4В
Максимально допустимый ток источника питания.	80 мА
Количество универсальных входов.	2
Предел основной приведенной погрешности измерения:
для термоэлектрических преобразователей;	±0,5%;
для других датчиков.	±0,25%.
Время опроса одного входа:
для термопреобразователей сопротивления;	не более 0,8 с;
для других датчиков.	не более 0,4 с
ТСМ 50/100М.	-200…+200°С; разрешающая способность 0,1°С
ТСП 50/100П.	-240…+1100°С; разрешающая способность 0,1°С
ТХК(L).	-200…+800°С; разрешающая способность 0,1°С
ТХА(K).	-200…+1360°С; разрешающая способность 0,1°С.
ТНН(N).	-200...+1300°С; разрешающая способность 0,1°С
ТЖК(J).	-200...+1200°С; разрешающая способность 0,1°С
ТПП(S).	-50...+1750°С; разрешающая способность 0,1°С
ТПП(R).	-50...+1750°С; разрешающая способность 0,1°С
Сигнал тока 4…20 мА.	0...100%; разрешающая способность 0,1%.
Сигнал тока 0…20 мА.	0...100%; разрешающая способность 0,1%.
Сигнал тока 0…5 мА.	0...100%; разрешающая способность 0,1%
Сигнал напряжения 0…1В.	0...100%; разрешающая способность 0,1%
Степень защиты корпуса:
щитовой Щ1;	IP54 (со стороны передней панели);
щитовой Щ2;	IP54 (со стороны передней панели);
настенный Н.	IP44
Габаритные размеры, мм:
щитовой Щ1;	96x96x65;
щитовой Щ2;	96x48x100;
настенный Н.	130x105x65
Условия эксплуатации:
температура окружающего воздуха;	-20...+50°С;
атмосферное давление;	86...106,7 кПа;
относительная влажность воздуха (при +35°С и ниже без конденсации влаги).	30...80%.

Таким образом, получена следующая схема автоматизации измерения температуры - рисунок 10.

Где:

1-1 Термопреобразователи сопротивления с коммутационной головкой ТС005;

1-2 Универсальный нормирующий преобразователь ОВЕН НТП1;

1-3 Измеритель двухканальный ОВЕН 2ТРМ0.

Рисунок 10 - Схема автоматизации для первого прибора

Измерение температуры производится следующим образом:

ТПС-ТС005 непрерывно измеряют температуру воды в резервуаре, отправляя токовые импульсы на НТП1, который в свою очередь передает сигнал но 2ТРМ0, который, собственно и показывает результат измерения температуры.

Прибор №2: прибор для регистрации показаний уровня, регулирования, сигнализации.

Чтобы данный прибор измерял уровень корректно, при этом регулировал, регистрировал, считывал и сигнализировал

1) Автоматический запорно-регулирующий односидельный гидроклапан (КЗР) для управления тепловодосистемами

Гидроклапан применяется при разработке проектов, а также при реконструкции и ремонте действующих РТС, КТС, ЦТП, ИТП, вентиляционных систем, тепловых сетей и других смежных объектов для автоматического регулирования тепловых процессов путем изменения пропускной способности клапана.

Рисунок 11 - Автоматический запорно-регулирующий клапан

Таблица 5

Технические характеристики автоматического запорно-регулирующего клапана

Условная пропускная способность Кv, мі/ч	10 12,5 16 20 25 32 40 63
Модель	25с947нж Ду50 КvX Ру16(25;40) ST0
Температура рабочей среды t, єC	до +425
Давление Ру, кгс/смІ	16 25 40
Рабочая среда	Жидкие или газообр. среды, нейтральные к материалам деталей, соприк. со средой
Строит. длина, мм	230
Масса, кг	19
Корпус	Сталь 25Л Уплотн.
В затворе	"Металл по металлу"

2) Сигнализатор уровня ОВЕН САУ-М7Е предназначен для создания систем автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и поддержанием заданного уровня жидких или сыпучих веществ в различного рода резервуарах, емкостях, контейнерах и т.п. Прибор выпускается в корпусах 2-х типов: настенном Н и щитовом Щ1.

На печатной плате под передней панелью расположены 4 коммутирующих устройства: К1, К2, К3, К4 -- для изменения следующих параметров путем перестановки перемычек:

*К1 - режим работы сигнализации «авария»;

*К2 - режим (алгоритм) работы регулятора уровня;

*К3 - уровень опорного сигнала входных компараторов при работе с кондуктометрическими датчиками;

*К4 - блокировка кнопок «пуск», «стоп».

Используется для:

*Контроля уровня жидких и сыпучих материалов в резервуаре;

*Осушения или поддержания уровня в отопительных котлах;

*Осушения или поддержания уровня в водонапорных башнях;

*Опустошения или поддержания уровня в зернохранилищах.

Рисунок 12 - САУ-М7Е

Таблица 6

Технические характеристики САУ-М7Е

Параметры	Значение
Номинальное напряжение питания прибора	220В частотой 50 Гц
Допустимые отклонения напряжения питания от номинального значения	-15...+10%
Количество каналов контроля уровня	3
Типы датчиков	кондуктометрические;
	активные с выходными ключами n-p-n-типа;
	механические контактные устройства
Источник питания активных датчиков:
напряжение источника питания;	12 ± 1,2 В;
максимальный ток нагрузки	50 мА.
Количество встроенных выходных реле	2
Допустимый ток нагрузки, коммутируемый контактами встроенного реле	не более 8 А при напряжении 220 В 50 Гц (cos ц ? 0,4)
Сопротивление жидкости, вызывающее срабатывание канала контроля	не более 500 кОм
Габаритные размеры и степень защиты корпуса:
настенный Н;	130х105х65 мм, IP44;
щитовой Щ1	96х96х70 мм, IP54 со стороны передней панели.

3) Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС предназначены для измерения и сигнализации уровней электропроводных жидкостей (вода, молоко, пищевые продукты - слабокислотные, щелочные и пр.). Принцип действия датчиков основан на изменении электропроводности между общим и сигнальным электродами в зависимости от уровня сигнализируемой жидкости.

Рисунок 13 - Кондуктометрические датчики ОВЕН ДС

Таблица 7

Технические характеристики Кондуктометрических датчиков ОВЕН ДС

Тип датчиков и модификация	Одноэлектродные датчики	Стержни (электроды)
	ДС.ПВТ	ДС.2	ДС.П	Стержень	Стержень 1,95 с адаптером
Габаритный чертеж	Одноэлектродные датчики ДС.ПВТ чертеж	Чертеж одно-электродные датчики ДС.2	Чертеж одно-электродные датчики ДС.П	Стержень (электроды)	Стержень с адаптером
Длина стержней, L*				0,5; 1; 1,95; 2,5; 3; 3,5; 4 м	1,95 м
Присоединитель-ные размеры, мм	Резьба М	S	H1	H2	H3	М27х1,5 мм	М20х1,5 мм	М3х0,5 мм
	М18 х 1,5 мм	20	67	10	11	S30	S27
	М20 х 1,5 мм	24	83	13	15
	G1/2	24	83	13	15
Материал	Материал изолятора - полифениленсульфид	Материал изолятора - фторопласт	Материал изолятора - пластмасса	Материал стержня - сталь нержав. 12Х18Н10Т	-
Давление измеряемой среды, не более	2,5 МПа	0,25 МПа	0,1 МПа	-	-
Максимальная рабочая температура	240°С	100 °С	-	-	-
Конструктивные преимущества	Особенности конструкции препятствуют скапливанию жидкости на датчике, предотвращая его ложное срабатывание	-	-	Возможность укорачивать или наращивать длину поставляемых электродов до требуемой - в зависимости от условий применения	-

Таким образом, получена следующая схема автоматизации измерения температуры - рисунок 13.

Схема работает следующим образом: Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС ставятся в трех плоскостях объекта, при срабатывании одного из датчиков сигнал подается на сигнализатор уровня САУ-М7Е, который обрабатывает, контролирует, запоминает и сигнализирует о данных, полученных с датчиков. Если уровень в объекте управления больше допустимого, то сигнализатор подает сигнализацию, встроенную в него, и отправляет сигнал на электроклапан, который позволяет устранить переполнение резервуара.

Рисунок 13-Схема автоматизации управления уровнем

2-1 Автоматический запорно-регулирующий односидельный гидроклапан (КЗР) для управления тепловодосистемами;

2-2 Сигнализатор уровня ОВЕН САУ-М7Е;

2-3 Одноэлектродные кондуктометрические датчики уровня ОВЕН ДС



Заключение

В данных расчетно-графических работах было:

1) По заданным дифференциальным уравнениям определены операторные уравнения при нулевых начальных условиях, передаточные функции, структурные схемы звеньев, характеристические уравнения и их корни. Показаны распределения корней на комплексной плоскости. Оценена устойчивость каждого из звеньев.

По заданной передаточной функции записано дифференциальное уравнение.

2) Определены:

Передаточная функция разомкнутой системы W?(p), характеристическое выражение замкнутой системы (ХВЗС), передаточные функции замкнутой системы Фз(p) - по заданию, Фв(p) - по возмущению, ФЕ(p) - по ошибке, коэффициенты усиления АСР, устойчивость системы. По табличным данным построена переходная кривая объекта, определены параметры передаточной функции объекта, рассчитаны настройки ПИД-регулятора, обеспечивающие 20%-е перерегулирование.

3) По заданной упрощенной функциональной схеме автоматизации построена полная схема, выбраны средства автоматизации с учетом указанных технологических параметров.



Список литературы

1. Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. - М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

2. Никитенко Е.А. Автоматизация и телеконтроль электрохимической защитой магистральных газопроводов. - М.: Недра, 1976.

3. Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Учеб. пособие -М.: Химия, 1982. - 296 с.

4. Теория автоматического управления / Под ред. Нетушила А.В. Ч.1. -М.: Высш. шк., 1968.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966.

6. Автоматизация технологических процессов: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию./ Сост. Дадаян Л.Г. -Уфа: Изд-во УНИ, 1985. - 225 с.

7. Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с.

8. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП: Учеб. пособие -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с.

9. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник / Под ред. Кошарского Б.Д. -Изд. 3-е. -Л.: Машиностроение, 1976. -486 с.

10. Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник. М.: Химия, 1985. -352 с.

11. Теория автоматического управления: Учебник. В 2-х частях / Под ред. А.А. Воронова. - М.: Высш. шк., 1986. -Ч.1. - 367 с. - Ч.2. -504 с.

12. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

Размещено на Allbest.ru

...