Автоматизація водогрійного котла

Анотація

В даній бакалаврський кваліфікаційній роботі на тему «Автоматизація водогрійного котла» мною було проаналізовано існуючі схеми автоматизації та обґрунтовано вибір схеми автоматизації, яка відповідає можливостям сучасних мікропроцесорних засобів автоматизації та забезпечує техніко-економічні показники.

Вибрано технічні засоби автоматизації, які по точності забезпечують вимоги до технологічного процесу та динамічні властивості системи автоматичного регулювання. Складено та описано програму функціонування системи автоматизації на базі мікропроцесорного контролера M340 фірми Schneider Electric. Розроблено функціональну схему автоматизації, принципову електричну схему зовнішніх з'єднань та складено специфікацію технічних засобів автоматизації. Розглянуто вимоги виробничих заходів з охорони праці для безпека пуску і експлуатації котла. Розраховано економічні показники процесу після впровадження розробленої системи автоматизації, а також зроблені висновки до бакалаврської кваліфікаційної роботи процесу водогрійного котла.

Зміст

• Анотація
• Вступ
• 1. Технологічна частина
• 1.1 Опис технологічного процесу
• 1.2 Опис технологічної схеми
• 1.3 Тепловий баланс технологічного об'єкту
• Тепловий баланс котла
• 1.4 Технологічна карта
• 2. Аналіз технологічного процесу як об'єкта керування
• 2.1 Визначення і аналіз факторів, що впливають на технологічний процес
• 2.2 Обґрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень
• 2.3 Складання структурної схеми взаємозв'язку між технологічними параметрам об'єкта регулювання
• 3. Технічне обґрунтування вибору функціональної схеми автоматизації
• 4. Обґрунтування вибору технічних засобів автоматизації
• 4.1 Опис характеристик мікропроцесорного контролера Schneider Electric M340
• 4.2 Опис програми функціонування контролера для автоматизації водогрійного котла
• 4.3 Опис принципової електричної схеми зовнішніх з'єднань контролера для автоматизації водогрійного котла
• 5. Розрахунок і моделювання системи автоматичного регулювання
• 5.1 Розрахунок параметрів динамічних моделей каналом регулюючої дії і каналом збурення та перевірка її адекватності
• 5.2 Розрахунок параметрів настроювання автоматичних регуляторів
• 5.3 Дослідження перехідних процесів в САР при оптимальних параметрах настроювання ПІ-регулятора
• 6. Опис функціональної схеми автоматизації
• 7. Специфікація засобів автоматизації
• 8. Охорона праці
• 8.1 Небезпеки при обслуговуванні котла
• Висновки до розділу
• 9. Розрахунок економічної ефективності автоматизації
• 9.1 Вступ
• 9.2 Розрахунок і обґрунтування витрат на здійснення заходів з автоматизації
• 9.3 Розрахунок амортизаційних відрахувань
• 9.3 Розрахунок впливу автоматизації на техніко-економічні показники
• 9.4 Розрахунок чисельності основних робітників та їх річного фонду заробітної плати
• 9.5 Розрахунок експлуатаційних витрат на автоматизацію
• 9.6 Розрахунок річного економічного ефекту і терміну окупності
• Висновок до розділу
• Висновок
• Список літератури

Вступ

Під технологічним процесом розуміють сукупність технологічних операцій, які проводяться над вхідним продуктом в одному або декількох апаратах, метою яких є отримання продуктів, які відповідають заданим показникам якості.

При цьому мета керування технологічним процесом полягає в забезпеченні оптимального значення критерію керування, під яким розуміють технологічний або техніко-економічний показник (продуктивність виробництва, якість продукції тощо), який характеризує якість ТОК в цілому і приймає числові значення в залежності від подаваних на нього керуючих дій — цілеспрямованих змін матеріальних і енергетичних потоків.

В теперішній час для керування все ширше застосовують автоматизовані системи керування (АСК) — людино-машинні системи, які забезпечують автоматичний збір та обробку інформації, необхідний для оптимізації керування. При цьому під процесом оптимізації розуміють вибір такого варіанту керування, при якому досягається мінімальне або максимальне значення критерію керування.

Автоматизація залишається однією з головних задач промислового виробництва і соціальної сфери в різні періоди економічного розвитку сучасного суспільства. З часом автоматизація стає все більш широким поняттям, включаючи в себе деякі нові завдання свого наукового і технічного розвитку: комп’ютеризацію, роботизацію та інші спеціальні галузі науки. Однак зміст і основне її призначення залишається незмінним — полегшення або повна заміна важкої фізичної праці людини засобами автоматизації.

Не існує галузі промисловості, в якій не було б потреби застосування АСКТП. Однією із основних переваг АСКТП є зниження (аж до повного виключення) впливу так званого людського фактору на процес, скорочення персоналу, мінімізація витрати сировини, покращення якості вихідного продукту і суттєве підвищення ефективності виробництва. Основними функціями таких систем є контроль і керування, обмін даними, обробка, накопичення і зберігання інформації, формування сигналізації, побудова графіків та звітів.

Застосування цифрової обчислювальної техніки дозволяє запрограмувати практично будь-який алгоритм керування, і забезпечити більш високу точність його виконання, ніж це можливо при використанні аналогової техніки. Кожне ускладнення алгоритму в цифровій техніці практично не впливає на надійність контуру регулювання. У випадку аналогової техніки збільшення кількості аналогових блоків суттєво зменшує надійність функціонування контуру.

На початкових етапах впровадження мікропроцесорної техніки вважалось, що в контролері достатньо запрограмувати функцію передачі регулятора в загальному вигляді, а її параметри, в тому числі і кількість членів рівняння та значення коефіцієнтів слід обирати індивідуально для конкретного об'єкту. Це справедливо лише для об'єктів, параметри яких є сталими в часі.

Мікропроцесорні контролери призначені для автоматизації неперервних та періодичних технологічних процесів. Мікропроцесорні контролери перетворюють первинну інформацію про стан технологічного об'єкта керування в цифрову форму і за відповідними алгоритмами здійснюють керування технологічним об'єктом і обмін інформацією з оператором.

1. Технологічна частина

1.1 Опис технологічного процесу

Водогрійний котел — пристрій, що має топку і огрівається продуктами спаленого в ній палива та призначений для нагрівання води, яка знаходиться під тиском вище атмосферного і використовується як теплоносій поза самим пристроєм.

З точки зору технології котла являє собою прямоточний секційний теплогенератор з примусовою циркуляцією води, обладнаний окремим димососом і вентилятором. Водогрійний котел має три двосвітних екрани і чотири пальника. Двосвітні екрани ділять топку на чотири відсіки. Крім того, водогрійний котел має бічні та стельні екрани, розташованих у стінок, і стельовий екран, частково переходить у фронтовій екран. Конвективна поверхня нагріву розміщена в газоході і представляє собою змійовий економайзер, що складається з 16 секцій. Змійовики розташовуються паралельно фронту котла в шаховому порядку. Продукти згоряння омивають конвективну поверхню, що складається з труб діаметром 28×2.5 мм, зі швидкістю 8 м/с. Перегородка між 3-ма газоходами утворена за рахунок плавників, приварених до труб. Вода з теплової мережі поступає в колектор конвективної частини, проходить через труби в газоходах і далі послідовно омивають труби кожного екрану, що розділений для збільшення швидкості води на секції. З секції вода відводиться в мережу через патрубок, що розташований у верхній частині палива.

Для спалювання газу встановленоъ пальники з прямою щілиною, яка закінчується зверху раптовим розширенням. Витрата газу всіма пальниками складає 1960 м³/год. Високі швидкості води — біля 1м/с отримані за рахунок поділу пучка труб конвективного газоходу на 3 частини, а кожного екрану — на 4 частини. Це призвело до збільшення гідравлічного опору до 0.12 МПа. Паливня котла має тепло напруження об'ємом 4 кВт/м³. Під вогневими каналами для розподілення повітря встановлений металевий лист з отвором. Вентилятор має напір 0.5−1кПа, оскільки до пальників підводиться природній газ середнього тиску. Значна швидкість димових газів і наявність пучка труб з великою кількістю рядів, що омивають поперечно, обумовили необхідність встановлення димовідсмоктувача з напором біля 1 кПа. Продукти спалювання поступають з паливні в конвективний газохід через прийом висотою 800 мм у верхній частині над розподільною стінкою. При цьому частина тепла разом з димовими газами виходить в атмосферу.

Економайзери використовуються для попереднього підігріву води і таким чином зменшення кількості тепла, яке виходить із димовими газами. Розташування змійовиків секцій в шаховому порядку дає змогу покращити теплообмін.

1.2 Опис технологічної схеми

Водогрійний котел призначений для нагрівання води, яка використовується для гарячого водопостачання та опалення. Вода, що йде до споживача, називається прямою, а повертає назад від споживача в котел — зворотній. Вода використовується хімічно очищена, тому що містяться в природній воді розчинні гази (кисень та вуглекислота) руйнують метал котельного агрегату і трубопроводи. Також використання природної води призводить до відкладення накипу, яка викликає перегрів металу в слідстві погіршення відводу тепла. Для заповнення неминучих втрат води, потрібна вода для підживлення зворотної води. Нагрівання води відбувається за рахунок тепла, що виділяється при спалюванні палива. Вода в котельні надходиться з температурою 60? С і нагрівається до температури 90? С.

Горіння — це процес хімічної реакції сполук горючих елементів газу з киснем, що сприяв підвищенню температури і відбувається з виділенням тепла.

До пальнику котла підводять газ і повітря. Горюча суміш, яка утворюється в пальнику, загоряється і віддає тепло в топкову камеру. В результаті процесу горіння утворюються газоподібні продукти — димові гази. Їх відсмоктує димосос, а потім викидає в атмосферу. Спалювання здійснюється факельним способом. При спалюванні газового палива необхідно забезпечити: гарне попереднє перемішування газу з повітрям, ведення процесу з малими надлишками повітря, поділ потоку суміші на окремі струмені. Підігрів газоповітряної суміші і хімічна реакція горіння протікають дуже швидко. Основним чинником тривалості горіння є час, витрачений на перемішування газу з повітрям у пальнику. Від швидкості і якості перемішування газу з необхідною кількістю повітря, залежить швидкість і повнота згоряння газу, довжина факела топки і температура полум’я. Для процесу горіння димососом створюється необхідне розрядження і забезпечується повне видалення продуктів згоряння. Якщо досягти співвідношення витрати повітря у відповідності з подачею палива, процес спалювання буде здійснюватися з максимальною економічністю.

1.3 Тепловий баланс технологічного об'єкту

Тепловий баланс котла

При спалюванні палива в котлоагрегаті не вся кількість тепла, що виділилося в топці, корисно використовується для нагріву води чи одержання пари. Частина тепла губиться з газами, що відходять, хімічним і механічним недопалом і ін. Тому основна задача при експлуатації полягає в зниженні цих утрат до мінімуму.

Тепловим балансом котлоагрегату називається розподіл тепла використаного палива на корисно використовуване тепло і теплові втрати, що виникають у процесі роботи котлової установки. Він складається на 1 кг твердого (рідкого) чи палива 1 м газоподібного палива. Спрощений тепловий баланс котлоагрегату записується у виді рівняння:

при спалюванні твердого палива:

Q^р_н = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q_{6 (}1.1.)

при спалюванні рідкого і газоподібного палива:

Q^р_н = Q₁ + Q₂ + Q₅ + Q_{3 (}1.2.)

Якщо обидві частини рівнянь розділити на О^р_н і помножити на 100, то одержимо рівняння балансу в процентному відношенні:

100 = q₁+ q₂ + q₃ + q₄ + q₅ + q_{6 (}1.3.)

100 = q₁+ q₂ + q₅ + q_{3 (}1.4.)

Q_1; q₁ — корисно використане тепло.

Утрати тепла:

Q_1; q₁ — з димовими газами, що ідуть;

Q₁; q₁ — від хімічної неповноти згоряння;

Q₁; q₁ — від механічної неповноти згоряння;

Q₁; q₁ — від випромінювання в навколишнє середовище;

Q₁; q₁ — з фізичним теплом шлаку.

Коефіцієнт корисної дії — корисно використане в котлоагрегаті тепло;

з = q₁ = 100 — q_{2 -} q_{3 -} q_{4 -} q_{5 -} q_{6 (}1.5.)

з = q₁ = 100 — q_{2 -} q_{3 -} q_{5 (}1.6.)

К. К.Д. котлоагрегата залежить від величини теплових утрат: чим вони менші, тим К. К.Д. — більший. Значення К. К.Д. може знаходитися в межах з=0,93−0,7 (93−70%), а величина теплових утрат для маленьких котлів:

q₂=12−15%; q₃=2−7%, q₄=1−6%, q₅=0,4−3,5% q₆=0,5−1,5%.

1.4 Технологічна карта

2. Аналіз технологічного процесу як об'єкта керування

2.1 Визначення і аналіз факторів, що впливають на технологічний процес

Основні фактори, які впливають на даний технологічний процес:

витрата палива — при її зміні відбувається зміна співвідношення спалюваної суміші газ-повітря, а також змінюється тиск димових газів та температура у котлі.

витрата повітря — при її зміні відбувається зміна співвідношення спалюваної суміші газ-повітря, а також змінюється тиск димових газів у котлі.

Розрідження — її зміна спричиняє зміну витрати димових газів.

тиск палива — зміна тиску спричиняє зміну витрати палива.

тиск повітря — зміна тиску спричиняє зміну витрати повітря.

температура технологічного потоку на виході з котла — при її зміні відбувається зміна витрати палива.

2.2 Обґрунтування номінальних значень параметрів технологічного процесу та допустимих відхилень від цих значень

Для дотримання технології водо-нагріву, температура технологічного потоку повинна бути 90^оС. Для нагрівання технологічного потоку до такої температури необхідно досягнути 210^оС.

Для цього необхідно спалювати 490 м³/год газу і відповідну до цього кількість повітря 3900 м³/год. Тиск газу повинен бути 10 кПа, а тиск повітря 10 кПа. Розрідження потрібно підтримувати на рівні - 175 Па.

2.3 Складання структурної схеми взаємозв'язку між технологічними параметрам об'єкта регулювання

Структурна схема котла як об'єкта керування

Вихідні величини:

розрідження у котлі

температура технологічного потоку

Вхідні величини:

витрата палива

витрата повітря

витрата димових газів

Збурюючі величини, які можна регулювати:

тиск палива

тиск повітря

3. Технічне обґрунтування вибору функціональної схеми автоматизації

Схеми автоматизації розробляють загалом на технологічну (інженерну) систему або її складову частину — технологічну лінію, блок обладнання, установку або агрегат.

Схему автоматизації допускається співставляти зі схемою з'єднань (монтажною), що виконується у складі основного комплекту, або зі схемами інженерних систем.

Щоб функціональна схема автоматизації успішно виконувала покладені на неї функції, необхідно щоб вона була спроектована відповідно до вимог конкретного технологічного процесу, передбачала всі можливі збурення, забезпечувала необхідну точність і час реакції, а також будувалась враховуючи всі сучасні тенденції у даній галузі промисловості.

Рис. 3.1 Спрощена ФСА водогрійного котла

При автоматизації водогрійного котла, слід знати що основним технологічним параметром котла є розрідження. Цей тиск в основному залежить від витрати палива.

Для максимальної ефективності процесу необхідно підтримувати постійне співвідношення суміші газ-повітря. Для цього потрібно регулювати витрату повітря, вимірюючи витрату газу і витрату повітря.

Також необхідно дотримуватись заданих значень температури технологічного потоку.

Отже, проаналізувавши вхідні параметри технологічного об'єкту, які досить суттєво впливають на вихідні параметри, приймемо такі рішення щодо регулювання параметрів технологічно процесу. Потрібно регулювати витрату для підтримання допустимого значення розрідження у верхній частині котла. Також необхідно регулювати витрату повітря для дотримання співвідношення суміші газ-повітря та концентрації кисню у димових газах, витрату газу для підтримання високої постійної температури та температури технологічного потоку.

Вибір температур та тиску як координати вимірювання у кожній зоні зумовлений тим, що безпосередньо якість продукту залежить від температури кожної з них. Вимірювання температури та тиску є найпростішим технічним рішенням у даному технологічному апараті.

Регулювання витрати паливаі повітря та тиску найбільшою мірою має вплив на якість готової продукції, тому їх взято за координати регулювання.

4. Обґрунтування вибору технічних засобів автоматизації

4.1 Опис характеристик мікропроцесорного контролера Schneider Electric M340

Мікропроцесорний засіб для реалізації автоматичного функціонування даних контурів — Schneider Electric M340.

Рис. 4.1 Schneider Electric M340

Виключно надійний, потужний і компактний програмований логічний контролер Modicon M340 — це ідеальне рішення для підприємств, що спеціалізуються в таких областях як нафтогазовий сектор, упаковка і обробка матеріалів, текстильна промисловість, друк, харчова промисловість, деревообробка, кераміка та ін. Розширення можливості для інтеграції приводів Altivar і Lexium, графічних терміналів Magelis і модулів безпеки Preventa дозволяє в значній мірі полегшити конфігурування та експлуатацію обладнання компанії Schneider Electric. Контролер Modicon M340 ідеально підходить для спільного використання з ПЛК Modicon Premium і Modicon Quantum і здатний задовольнити будь-яким вимогам по автоматизації виробничих процесів та інфраструктури із застосуванням технології Transparent Ready.

Стандартні і вдосконалені процесорні модулі платформи автоматизації Modicon M340 забезпечують повноцінне керування всім монтажним шасі ПЛК, оснащеним максимум 11 слотами під установку:

модулів дискретного вводу / виводу;

модулів аналогового вводу / виводу;

спеціалізованих модулів.

Чотири процесорних модуля відрізняються один від одного за обсягом пам’яті, швидкості обробки даних, типом і кількістю портів зв’язку та максимальній кількості каналів вводу / виводу.

Крім цього, залежно від моделі, процесорний модуль може мати (НЕ підсумовуються):

від 512 до 1024 каналів дискретного вводу / виводу;

від 128 до 256 каналів аналогового вводу / виводу;

від 20 до 36 лічильних каналів;

від 0 до 2 портів Ethernet TCP / IP (з вбудованими портом і мережевим модулем або без них).

Залежно від моделі процесорні модулі платформи Modicon M340 мають:

порт 10BASET/100BASETX Ethernet TCP / IP;

шину CANopen;

послідовний інтерфейс Modbus;

TERпорт USB (для програмування терміналу або Чмі Magelis XBT GT / GK / GTW).

Кожен процесорний модуль комплектується картою пам’яті, яка призначена для:

створення резервних копій програми (програми, символів і констант);

активації стандартного webсервера по вбудованому порту Ethernet класу B10 Transparent Ready (залежно від моделі).

Карту пам’яті, яка постачається, можна замінити на карту іншого типу, придбану самостійно. При цьому необхідно, щоб карта пам’яті підтримувала:

створення резервних копій програми та активацію стандартного web-сервера (аналогічно карті пам’яті з комплекту);

8 або 128 Мб вільного місця з опціональною картою пам’яті для зберігання додаткових даних, організованих у вигляді файлової системи (директорій і піддиректорій).

Середовище розробки додатків для Modicon M340

Для програмування процесорних модулів платформи автоматизації Modicon M340 необхідно мати будь-який з наступних програмних продуктів:

інструментальну систему Unity Pro Small;

інструментальну систему Unity Pro Medium, Large або Extra Large, аналогічну до тієї, що використовується для програмування платформ автоматизації Modicon Premium і Modicon Quantum.

І залежно від вимог, додатково:

програмний пакет Unity EFB для створення бібліотек EF і EFB на мові С;

програму Unity SFC View для перегляду і діагностики додатків, написану мовою послідовних функцій (SFC) або Grafcet.

Бібліотеки функціональних блоків дозволяють процесорним модулям платформи Modicon M340 виконувати функції управління на необхідному рівні за такими спеціалізованими напрямками:

управління процесом по програмованим контурам управління (бібліотеки EF і EFB);

управління рухом з використанням декількох незалежних осей управління (бібліотека MFB — Motion Function Block). Управління осями здійснюється за допомогою перетворювачів частоти Altivar 31/71 або сервоприводів Lexium 05/15, підключаються по шині CANopen.

Опис процесорних модулів BMX P34 2020/2030 з вбудованим портом Ethernet TCP / IP

На лицьовій панелі вдосконалених процесорних модулів BMX P34 2020/2030 передбачені наступні засоби індикації та роз'єми:

1. Гвинт для надійного кріплення модуля в слоті (маркування 0) монтажного шасі

2. Блок індикації, який залежно від моделі може мати 8 або 10 світлодіодних індикаторів:

v індикатор RUN (зелений): робота процесорного модуля (виконання програми);

v індикатор ERR (червоний): несправність процесорного модуля або системи;

v індикатор I / O (червоний): несправність модулів вводу / виводу;

v індикатор SER COM (жовтий): обмін по послідовному інтерфейсу Modbus;

v індикатор CARD ERR (червоний): карта пам’яті відсутня або несправна;

v індикатор ETH ACT (зелений): обмін по мережі Ethernet TCP / IP;

v індикатор ETH STS (зелений): стан мережі Ethernet TCP / IP;

v індикатор ETH 100 (червоний): швидкість передачі даних по мережі Ethernet TCP / IP

(10 або 100 Мбіт / с)

Модуль живлення передбачений для кожного монтажного шасі BMX XBP pp00. Модулі живлення встановлюються в перші два слоти кожного монтажного шасі (з маркуванням CPS). Живлення, необхідне кожному монтажному шасі, залежить від типу та кількості встановлених у ньому модулів. Тому для кожного шасі необхідно скласти таблицю енергоспоживання для визначення найбільш відповідного модуля живлення BMX CPS ppp0.

Конфігурація з одним монтажним шасі.

Монтажні шасі BMX XBP pp00 є основою платформи автоматизації Modicon M340 в конфігурації з одним або декількома монтажним шасі.

Монтажні шасі виконують такі функції:

Механічна: використовується для встановлення всіх модулів у ПЛК (модулі живлення,

Процесорні, дискретного і аналогового вводу / виводу, спеціалізовані). Шасі можна монтувати на панель, пластину або DINрейку:

v всередині шаф;

v на рамах агрегату і так далі.

Електрична: монтажні шасі обладнані шинами BusX.

Шини призначені для:

розподілу живлення кожного модуля на одному монтажному шасі;

розподілу даних і службових сигналів по всьому ПЛК;

" гарячої заміни" модулів під час роботи.

Згідно з ФСА висуваються наступні вимоги:

наявність 6 аналогових входів

наявність 1аналогових виходів

наявність 4дискретних входів

наявність 5 дискретних виходів

Для забезпечення необхідної кількості аналогових та дискретних входів/виходів я обрав наступні модулі розширення:

BMX AMІ 0600 — аналогових входів;

BMX AMО 0800 — модуль аналогових виходів;

BMX DDM 16 025 — змішаний модуль дисретних входів/виходів.

4.2 Опис програми функціонування контролера для автоматизації водогрійного котла

На аркуші № 2 представлена програма функціонування контролера Schneider Electric M340.

Програма функціонування системи керування водогрійного котла, написана за алгоритмами, які наведені у п. 4, враховуючи особливості контролера. Розробка програми відбувалася за допомогою програмного пакету фірми Schneider Electric Unity Pro XL V 7.0. Програма написана стандартною мовою LAD (Ladder logic) тому її складові елементи не вимагають особливого роз’яснення. Вигляд повної програми функціонування контролера наведений на листі 2 графічної частини курсового проекту.

Опис програми контуру регулювання подачі води на вході у котел

Подається вхідний аналоговий сигнал %IW0.1.6 в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується. Сигнал подаємо у фільтр LAG1. Відфільтровани сигнал подаємо на вхід блоку регулятора PIDFF, потім подається на блок ручного керування MS. Блок для формування імпульсів SAMPLETM який генерує сигнали і йде на блок для роботи з виконавчим механізмом SERVO який формує дискретні сигнали %Q 0.3.1 та %Q0.3.6.

Опис програми контуру регулювання співвідношення витрат палива та повітря:

Подається вхідний аналоговий сигнал %IW0.1.0 в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується, а далі блок K_SQRT видобування корення. Сигнал подаємо у фільтр LAG1. Подається вхідний аналоговий сигнал %IW0.1.1 в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується, а далі блок K_SQRT видобування корення. Сигнал подаємо у фільтр LAG1Відфільтровані сигнали подаємо на вхід блоку реалізації співвідношення RATIO, а далі на регулятор PIDFF. Для ручного керування використовуємо блок MS. Блок для формування імпульсів SAMPLETM який генерує сигнали і йде на блок для роботи з виконавчим механізмом SERVO який формує дискретні сигнали %Q 0.3.2 та %Q0.3.7.

Опис програми контуру регулювання температури води на виході з котла.

Подається вхідний аналоговий сигнал %IW0.1.4 в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується. Сигнал подаємо у фільтр LAG1. Потім новий сигнал %IW0.1.5 знову подається в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується. Сигнал подаємо у фільтр LAG1. %IW0.1.5 йде на блок GE_REAL де значення порівнюється і на блок MOVE де воно присвоюється як мінімальне значення. Потім знову на GE_REAL де воно порівнюється і на блок присвоєня MOVE де воно стає як максимальне. Потім сигнал подається на блок додавання ADD_REAL з якого потім прямує на блок множення MUL_REAL з якого входить знову у блок додавання ADD_REAL. Вихідний сигнал подаємо на вхід блоку регулятора PIDFF. Для ручного керування використовуємо блок MS. Блок для формування імпульсів SAMPLETM який генерує сигнали і йде на блок для роботи з виконавчим механізмом SERVO який формує дискретні сигнали %Q 0.3.4 та %Q0.3.5.

Опис програми контуру регулювання розрідження димових газів

Подається вхідний аналоговий сигнал %IW0.1.3 в блок INT_TO_REAL, де перетворюється з формату integer в формат real, і подається в блок SCALING, де сигнал масштабується. Сигнал подаємо у фільтр LAG1. Відфільтровани сигнал подаємо на вхід блоку регулятора PIDFF, потім подається на блок ручного керування MS. Блок MUL_REAL призначений для масштабування, від нього сигнал іде на блок REAL_TO_INT де він перетворюється з формату real у формат integer і на вихід подається сигнал %QW0.2.1.

Опис програми захисту по загасанню полум’я

У випадку коли на контролер подається сигнал %І0.3.1, спрацьовує сигналізація, яка свідчить про загасання полум’я в пальниках, тоді від контролера подається сигнал %QW0.3.3, який відсікає подачу природного газу. Перевищення тиску у трубопроводах подачі природного газу, первинного повітря та розрідження може спричинити обрив трубопроводу, в цьому випадку, якщо вхідні сигнали %І0.3.7, %І0.3.5 та %І0.3.6 перевищать певне задане значення, тоді від контролера подається сигнал %QW0.3.1, який відсікає подачу природного газу.

4.3 Опис принципової електричної схеми зовнішніх з'єднань контролера для автоматизації водогрійного котла

У даному дипломному проекті розглядається частина принципової електричної схеми зовнішніх з'єднань контролера Schneider Electric M340. Вибір приладів, які розглядаються на принциповій електричній схемі зовнішніх з'єднань, здійснювався так, щоб показати основні їх типи. Розглянуто підключення наступних приладів:

вимірюваний перетворювач температури Sitrans TH100;

перетворювач різниці тисків САПФІР — 22ДД;

Перетворювач надлишкового тиску САПФІР — 22ДВ

частотний перетворювач Danfoss VLT Micro Drive FC51;

датчик реле контролю полум’я з фотоприймачем СЛ-90−2 та МФ-ФР202;

датчик реле тиску ДРД-5Н

До модуля аналогових входів BMX AMI 0800 приєднуються проводи від 5 перетворювачів різниці тисків Сапфір — 22ДД, двох вимірювальних перетворювачів температури Sitrans TH100. До модуля BMX AMМ 0600 приєднуються проводи від ВМ типу МЄО.

До змішаного модуля дискретних входів/виходів BMX DDM 16 025 приєднуються проводи від датчика реле контролю полум’я з фотоприймачем СЛ-90−2 та МФ-ФР202, та 3-ох датчиків реле тиску ДРД-5Н.

Живлення контролера Schneider Electric M340 і модулів BMX AMI 0800, BMX AMI 0600, та BMX DDM 16 025 здійснюється напругою 24 В, яка надходить від блоку живлення CPS 2000.

На аркуші № 3 представлена електрична схема підєднання контролера Schneider Electric M340 при автоматизації водогрійного котла.

Вимірювання температури здійснюється термоперетворювачами опору фірми Siemens TH100, вони мають вбудовану таблетку, яка перетворює сигнал з термометрав уніфікований сигнал 4−20мА. Схема підключення цього термометра наступна:

Рис. 4. Схема підключення термометра опору TH100

Рис 4.1 Схема під'єднання частотного перетворювача Danfoss VLT Micro Drive FC51

Виконавчий механізм типу МЄО має наступну схему підключення:

На клеми L і N заводимо живлення 220 В.

Рис. 4.2 Схема підключення МЭО-16/25−0,25−90

Рис 4.3 Схема під'єднання фотодавача наявності полум’я

Рис 4.4 Схема під'єднання датчика реле тиску

Рис 4.5 Схема під'єднання перетворювача різниці тисків

5. Розрахунок і моделювання системи автоматичного регулювання

5.1 Розрахунок параметрів динамічних моделей каналом регулюючої дії і каналом збурення та перевірка її адекватності

В даному розділі проводимо дослідження САР температури води на вході в мережу (контур регулювання № 2 на ФСА)

Об'єктом регулювання є подача палива. Вихідною величиною даного об'єкту регулювання є температура води в мережу, вхідною — зміна витрати палива на вході, а збурюючою — зміна витрати зворотної води.

Функція передачі каналом збурення

Вихідними даними для побудови моделі ОР каналом регулюючої дії є експериментальна крива розгону по температурі води в мережу, отримана стрибкоподібною зміною положенню регулюючого органу на 70%. Вихідні дані занесені в таблицю 5.1

Якість регулювання в замкнутій САР характеризують такими показниками перехідного процесу:

Допустима динамічна похибка регулювання У_дин — це максимальне відхилення регульованої величини в перехідному режимі від її заданого значення. Ця похибка дорівнює першій амплітуді коливань регульованої величини у перехідному процесі (У_дин =А₁).

Допустимий час регулювання ф_р — це час, протягом якого, починаючи з моменту дії збурення на САР, регульована величина досягає нового рівноважного значення з деякою заздалегідь встановленою точністю ± Д і надалі не виходить за межі цієї зони. Час регулювання характеризує швидкодію САР.

Допустиме перерегулювання регульованої величини ц — це виражене у відсотках відношення другої А₂ і першої А₁ амплітуд, спрямованих в протилежні сторони:

Допустимий коефіцієнт заникання ш:

Допустимий час першого узгодження перехідного процесу t_пс — час, після закінчення якого керована величина перший раз досягає свого сталого значення (також характеризує швидкість протікання процесу в початковий період);

Допустимий час досягнення першого максимуму — t_mах.

Вимоги до якості процесу регулювання:

1. Допустиме максимальне динамічне відхилення А₁=10 ^оС;

2. Допустима похибка регулювання = 2 ^оС;

3. Допустимий час регулювання t_p=30хв;

Побудова математичної моделі ОР Щоб розрахувати систему автоматичного регулювання даного контуру визначаємо математичну модель об'єкту. Математичну модель об'єкта регулювання для розрахунків оптимальних параметрів настройки регулятора знаходимо у вигляді функції передачі.

Побудуємо математичну модель за наявністю експериментальної знятої на об'єкті кривої розгону, яка відображає зміну температури води на виході з котла при зміні положення РО на 70%.

Щоб розрахувати систему автоматичного регулювання даного контуру визначаємо математичну модель об'єкту. Експериментальна крива розгону об'єкту регулювання по каналу витрати газу-температура води в мережу представлена на рис. 5.2.1.

Програма в середовищі Matlab для побудови експериментальної кривої розгону

t= [0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 33 37 40 42 45];

T= [18 20 26 32 41 50 56 62 68 72 78 80 81 81 81];

plot (t, T,'b-*'); grid;

xlabel ('t, hv'); ylabel ('T, oC'); title ('Zadana kriva rozgonu');

Рис. 5.1.1 Експериментальна крива розгону котла, яка відображає зміну температури води при зміні положення РО на 70%.

Для зручності розрахунків експериментальну криву розгону об'єкта регулювання нормуємо діленням її значень на максимальну зміну вихідної величини .

де значення вихідної величини після завершення перехідного процесу;

— початкове (номінальне) значення регульованої величини.

Програма в середовищі Matlab для побудови нормованої експериментальної кривої розгону

t= [0 1.9 10.9 21.9 29 39.7 54.1 61.3 72.1 82.9 97.3 125.6 150];

T= [80 80 81.7 84.1 85.5 87.4 88.7 89.1 89.5 89.7 89.9 89.95 90];

T_n=min (T);

dT=max (T) — T_n;

dy=20;

h_e= (T-min (T)) /dT

plot (t, h_e,'-b'); grid; xlabel ('t, c'); ylabel ('h (t) ^e');

title ('Normovana kriva rozgonu');

Результат виконання програми:

h_e 0 0.0317 0.1269 0.2222 0.3650 0.5079 0.6031 0.6984 0.7936

0.8571 0.9523 0.9841 1 1 1.

Рис. 5.1.2 Нормована експериментальна крива розгону ОР.

За виглядом експериментальної кривої, виберемо структуру моделі ОР і відповідну до неї функцію передачі у такому вигляді: послідовне з'єднання аперіодичних ланок.

Оберемо для заданого об'єкта регулювання функцію передачі у вигляді

де

Т - стала часу; n - кількість аперіодичних ланок.

Теоретично перехідна функція для моделі (1) описується рівнянням

.

З рівняння для різних значень n і заданих значень перехідної функції можна розрахувати відношення t/T. Так, наприклад, задаючись, з рівняння можна знайти відношення t₀₅/T, t₀₉/T, де t₀₅ і t₀₉ — значення часу, що відповідають значенням перехідної функції, а також розрахувати значення відношення .

З нормованої експериментальної перехідної функції знаходимо значення часу t₀₅ i t₀₉, що відповідають значенням перехідної функції h^е (t₀₅) = 0.5 i h^е (t₀₉) = 0.9:

t₀₅ =14.833

t₀₉=29.7

Розраховуємо відношення t₀₅ /t₀₉

t₀₅ /t₀₉₌=0.4994

перевіряють виконання умови Відзначимо, що розмірний коефіцієнт передачі об'єкта регулювання з експериментальної кривої розгону визначається за формулою.

де Дx — значення стрибкоподібної зміни вхідної величини, яка викликала зміну вихідної величини.

Всі розрахунки стосовно знаходження параметрів функції передачі ОР і перевірки адекватності динамічної моделі, проводимо в середовищі MATLAB і для цього складаємо програму «model» .

Рис. 5.1.3 Нормована експериментальна крива розгону ОР з нанесеними значеннями часу t₀₅ i t₀₉.

Рис. 5.1.4 Експериментальна та розрахована нормовані криві розгону по температурі води в мережу на виходіз котла, при зміні положення РО на 70%.

розрахована; * - експериментальна Виходячи з результатів обчислень параметрів математичної моделі, робимо висновок, що функція передачі об'єкта регулювання:

де:, , Т = 5.5691 хв.

Перевірка адекватності динамічної моделі ОР Мірою точності апроксимації можна вважати максимальне значення різниці ординат або ж максимальну абсолютну похибку

де — теоретична та експериментальна криві розгону, яка не повинна перевищувати заданого значення точності регулювання.

Точність апроксимації вважається задовільною, якщо зведена похибка д = ДЧ100% не перевищує 5%.

del = 3.1914%

Оскільки зведена похибка <5% (= 3.1914%), то ця функція передачі є адекватною і може бути застосованою для розрахунку параметрів автоматичного регулятора.

Отже, функція передачі об'єкту матиме вигляд:

5.2 Розрахунок параметрів настроювання автоматичних регуляторів

Вибір схеми автоматичного регулювання і вибір регулятора за законом регулювання.

Для регулювання температури води в мережу вибираємо одноконтурну систему регулювання з ПІ-регулятором.

Метод розширених частотних характеристик базується на амплітудно-фазовому критерії стійкості (критерій Найквіста), який можна інтерпретувати як критерій запасу стійкості, якщо замість звичайних частотних характеристик застосовуються розширені частотні характеристики.

Розширена частотна характеристика системи з відомою функцією передачі визначається заміною в ній оператора Лапласа виразом

де — ступінь коливальності, який характеризує запас стійкості; кругова частота.

Амплітудно-фазовий критерій стійкості, як критерій запасу стійкості за розширеними частотними характеристиками формулюється так: якщо розширена амплітудно-фазова характеристика (РАФХ) розімкнутої САР на частоті проходить через точку (-1, і0), не охоплюючи її на більш високих частотах, то корені характеристичного рівняння замкнутої системи будуть розташовані в лівій напівплощині на променях і всередині сектора, обмеженого цими променями.

Математично умова забезпечення заданого запасу стійкості формується на основі амплітудно-фазового критерію стійкості Найквіста, в якому застосовуються розширені частотні характеристики розімкнутої системи автоматичного регулювання

де — РАФХ об'єкта регулювання; - РАФХ регулятора; , — розширені амплітудно-частотні характеристики об'єкта регулювання та регулятора; розширені фазочастотні характеристики об'єкту регулювання та регулятора. Враховуючи те, що в розімкнутій САР об'єкт регулювання та автоматичний регулятор з'єднані послідовно та з виразу отримуємо систему рівнянь у вигляді

.

Якщо розширена амплітудно-фазова характеристика розімкнутої САР проходить через точку (-1, і0), то звичайна її АФХ не охоплює цю точку і система має запас стійкості, за амплітудою, так і за фазою г.

Для розрахунку параметрів регуляторів на заданий запас стійкості системи, перш за все задаються заданим значенням ступеня коливальності m_зад.

Розрахунок параметрів настроювання ПІ регулятора.

Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор) є паралельним з'єднанням пропорційної та інтегральної ланок, функція передачі якого має вигляд

де k_p — коефіцієнт передачі регулятора; час ізодрому.

Розрахунок параметрів настроювання ПІ-регулятора здійснюється в два етапи:

1) в площині параметрів настроювання регулятора знаходять границю області заданого запасу стійкості САР;

2) із знайденої границі області заданого запасу стійкості вибирають оптимальні значення параметрів настроювання регулятора. Під оптимальними розуміють такі значення параметрів настроювання, які при заданому запасі стійкості САР забезпечують мінімальне значення обраного критерію оптимальності. В практичних розрахунках звичайно критерієм оптимальності обирають інтегральну оцінку.

Згідно рівняння для розрахунку параметрів настроювання ПІ-регулятора необхідно знати розширені частотні характеристики об'єкту регулювання і ПІ-регулятора

де дійсна та уявна розширені частотні характеристики об'єкту регулювання, які для спрощення надалі позначимо відповідно та .

РАФХ ПІ-регулятора записується у вигляді

.

.

звідки отримуємо систему двох рівнянь з двома невідомими і

Розв’яжемо отриману систему рівнянь відносно і

.

Враховуючи, що дійсна і уявна частотні характеристики визначаються як

одержимо значення параметрів настроювання в іншому вигляді:

Необхідно виділити робочий діапазон частот регулятора. Граничні частоти цього діапазону ^* та ^** знаходять числовим або графічним розв’язуванням рівнянь

 — частота І-регулятора

. — частота П-регулятора

Застосуємо простіший графічний спосіб визначення ^* та ^**.

Програма в середовищі Matlab для знаходження значень щ^* та щ^**

%знаходження w* та w**

clear, clc;

T=5.5691; m=0.3; k=0.9;

w= [0: 0.001: 0.5];

p=-m*w+i*w;

Wor=k. / (T. *p+1). ^3;

fi=phase (Wor);

l1=-pi/2+atan (m);

l2=-pi;

plot (w, fi, w, l1,w, l2); grid;

plot (w, fi, [0 0.5], [-pi/2+atan (m) — pi/2+atan (m)], [0 0.5], [-pi — pi]); grid;

xlabel ('w, rad/sec'); ylabel ('fi, rad');

Рис. 5.2.1 Графік розширеної фазо-частотної характеристики ОР

W* = 0.072 рад/с

W** = 0.204 рад/с

Змінюючи частоту в діапазоні (щ*; щ**) будую криву області границі запасу стійкості і з неї знаходжу оптимальні параметри настройки ПІ-регулятора.

Змінюючи частоту в діапазоні (щ*; щ**) будую криву області границі запасу стійкості і з неї знаходжу оптимальні параметри настройки ПІ-регулятора.

Для заданого m в площині параметрів, будуємо границю області запасу стійкості, з якої визначаємо оптимальні значення параметрів настроювання () _опт, () _опт, отримані при другій мінімальній інтегральній оцінці.

де — крива розгону замкнутої САР по регулюючій дії; - задане значення регульованої величини.

Програма в середовищі Matlab для знаходження оптимальних параметрів настроювання регулятора

% 2-ga integralna ocinka

clear, clc;

w= [0.0718: 0.01: 0.2047];

T=5.5691; m=0.3; K=0.9;

p=-m. *w+i. *w;

W_op=K. / (T. *p+1). ^3;

Fi_op=phase (W_op);

A_op=abs (W_op);

gama=abs (Fi_op) +atan (m) — pi;

Kp_Tiz=- (w. * (m²+1). *sin (Fi_op)). /A_op;

Kp= (-cos (Fi_op) — m. *sin (Fi_op)). /A_op;

for i=1: length (w)

Kp1=Kp (i);

Kp_Tiz1=Kp_Tiz (i);

sim ('PI_reg');

J2 (i) =sum (abs ((x (, 2)). ^2));

end

figure (1)

[J s] =min (J2)

Kp (s)

Kp_Tiz (s)

Kp1=Kp (s)

Kp_Tiz1=Kp_Tiz (s)

plot (Kp, J2, Kp1,J,'r*'), grid

xlabel ('Kp'), ylabel ('J2');

sim ('PI_reg');

figure (2)

plot (tout, x (, 2)), grid

xlabel ('t, hv'), ylabel ('T, oC');

figure (3)

plot (Kp, Kp_Tiz, Kp1, Kp_Tiz1,'r*'), grid

xlabel ('Kp'), ylabel ('Kp/Tiz');

Результат виконання програми:

kp_Tizopt 0.1213 kpopt = 1.9672

Отже, функція передачі ПІ-регулятора:

Рис. 5.2.2 Границя області заданого запасу стійкості САР температури води з ПІ-регулятором.

Рис. 5.2.3 Графік залежності між значеннями другої інтегральної оцінки якості J₂ і параметром настроювання АР Кр

5.3 Дослідження перехідних процесів в САР при оптимальних параметрах настроювання ПІ-регулятора

Моделювання автоматичної системи регулювання розрідження газу перед циклонами здійснюється за допомогою ЕОМ, застосовуючи метод структурного моделювання. Моделювання CAP проводиться з допомогою програмного пакету Matlab. Синтез системи регулювання здійснюється шляхом використання типових структурних ланок.

Функція передачі об'єкту регулювання:

Функція передачі за збуренням:

Функція передачі ПІ-регулятора:

Змоделюємо структурну схему процесу регулювання в Simulink при знайдених оптимальних параметрах:

Рис. 5.3.1 Структурна схема моделювання САР, реалізована в середовищі SIMULINK

Рис. 5.3.2 Графік перехідного процесу САР із оптимальними параметрами ПІ-регулятора при зміні регулюючої дії на 20% положення РО.

Максимальне динамічне відхилення А₁=5.7^оС задовольняється

Час регулювання t_p=29хв. з заздалегідь встановленою похибкою Д=±2^оС задовольняється

Час першого узгодження перехідного процесу t_пс=29 хв.

Час досягнення першого максимуму t_max=18 хв.

Отже, вимоги до якості процесу регулювання виконуються.

Рис. 5.3.3 Графік перехідного процесу САР при оптимальних параметрах ПІ-регулятора при збуренні на 10%.

Максимальне динамічне відхилення А₁=2.2^оС задовольняється (А_{1задане}=10 ^оС).

Час регулювання t_p=24хв із заздалегідь встановленою похибкою Д=±2^оС задовольняється

Час першого узгодження перехідного процесу t_пс=24 хв.

Час досягнення першого максимуму t_max=19 хв.

Отже, вимоги до якості процесу регулювання виконуються.

Рис. 5.3.4 Графік перехідного процесу САР при оптимальних параметрах ПІ-регулятора при зміні завдання регулятора на 5 ^оС.

Максимальне динамічне відхилення А₁=-1.1^оС задовольняється (А_{1задане}=10^оС).

Перерегулювання регульованої величини ц=0.2/1,1*100=18%.

Ступінь згасання ш= (1.1−0.2) / 1.1=0.18.

Час першого узгодження перехідного процесу t_пс=24 хв.

Час досягнення першого максимуму t_max=21 хв.

Отже, вимоги до якості процесу регулювання виконуються.

Висновки

Маючи експериментальну криву розгону і вимоги до якості процесу регулювання було:

визначено функцію передачі об'єкта регулювання:

побудовано знайдену розраховану криву розгону, порівнявши її значення із значеннями експериментальної кривої розгону і отримавши похибку 3.1914%.

вибрано одноконтурну схему системи автоматичного регулювання і розраховано для неї параметри настроювання ПІ-регулятора.

Функція передачі ПІ-регулятора

Дослідивши перехідний процес САР із оптимальними параметрами ПІ-регулятора при регулюючій дії 70% зміні положенню РО, висновок такий, що ПІ-регулятор може забезпечити якісний процес регулювання з такими показниками якості:

Максимальне динамічне відхилення А₁=6.1^оС задовольняється (А_{1задане}=10^оС).

Час регулювання t_p=29хв з заздалегідь встановленою похибкою Д=±2 ^оС задовольняється (t_{рзадане}=30хв).

6. Опис функціональної схеми автоматизації

В даній ФСА реалізую такий обсяг автоматизації:

1. Система автоматичного регулювання подачі води на вході у котел.

2. Система автоматичного регулювання співвідношення витрат палива та повітря.

3. Система автоматичного регулювання температури води на виході з котла.

4. Система автоматичного регулювання розрідження димових газів.

Контур регулювання регулювання подачі води на вході у котел

Температура води яка поступає в котел вимірюється термометром опору PT100, сигнал термометра іде на перетворювач температури Sitrans TH100 вихідний сигнал якого4 — 20мА і де на контролер. Вихід із контролера подаю на ВМ типу МЭО з регулюючим органом.

Контур регулювання співвідношення витрат палива та повітря

Вимір витрати газу і повітря здійснюємо за допомогою діафрагм типу ДКС, потім сигнал поступає на ПВП Сапфир-22-ДД з уніфікованим струмовим сигналом 0−20 мА, після чого сигнал іде на контролер Вихід із мікропроцесорного контролера подаю на ВМ типу МЭО з регулюючим органом який видкриває або закриває клапан

Контур регулювання температури води на виході з котла.

Вимірювання температури води на виході з котла здійснюється за допомогою термометра опору PT100, потім сигнал іде на перетворювач температури Sitrans TH100 вихідним сигналом 4−20 мА. І йде на контролер. Вихід із мікропроцесорного контролера подаю на ВМ типу МЭО з регулюючим органом який видкриває або закриває клапан.

Контур регулювання розрідження димових газів

Розрідження в котлі потрібно підтримувати на певному заданому значенні, для того, щоб димові гази вчасно і в заданій кількості виводилися із котла. Міряємо розрідження за допомогою Oxymat-6, вихідний сигнал йде на ПВП Сапфир-22-ДВ з уніфікованим струмовим вихідним сигналом 0−20 мА. Сигнал подається на контролер Вихід із мікропроцесорного контролера подаємо на Частотний перетворювач типу Damfoss VLT Micro Drive FC51, який у свою чергу діє на роботу вентилятора.

7. Специфікація засобів автоматизації