16271 Разработка САУ давлением пара за котлом БКЗ 75-3,9 ГМА

Период квантования для входных сигналов в системе управления будет отличаться от периода квантования для выходных сигналов. Входные сигналы с портов ввода, будут считываться каждый программный цикл ПЛК, а выходные сигналы на портах вывода будут меняться при переполнении внутреннего таймера–счетчика каждый период ТТС, который можно настроить программным путем. Если учесть, что период переполнения внутреннего таймера–счетчика намного превышает период выполнения программы, то можно считать, что считывание информации с портов ввода представляет собой непрерывный процесс.Звено промышленного логического контроллера можно представить в следующем виде :,где неизвестными параметрами, определяемыми в результате настройки регулятора являются:, .Для определения характера переходного процесса и выбора коэффициентов усиления регулятора для исследуемого объекта, воспользуемся программой MathLABSimulinkПредставим исследуемую САР в виде совокупности типовых звеньев:Рисунок 5.4 – Модель исследуемой системы в MathLABСнижая отрицательные моменты от влияния колебательной характеристики заслонки на качество управления системы регулирования, выберем параметры клапана:; .При таких настройках выражение в скобках числителя передаточной функции регулятора и выражение в знаменателе передаточной функции клапана сокращаются, что обеспечивает компенсацию колебательных свойств клапана.Принимаем коэффициент усиления интегрального канала регулятора равным Kи=1 , и соответственно остальные коэфициенты: Kп = 0,45;Kд = 0,0784.График переходного процесса для исходных настроек ПИД-регулятора представлен на рисунке 5.5.Рисунок 5.5 - График переходного процесса для исходных настроекПИД-регулятораИсходя из представленного графика можно сказать, что переходной процесс сходящийся и имеет колебательных характер. Длительность данного переходного процесса при указанных параметрах регулятора составляетtпп = 5,15 с. В данном случае перерегулирование превышает требуемые параметры и равно 18,6 %, статическая ошибка равна нулю, так какв регулятор включена интегральная составляющая. Можно сделать вывод, что несмотря на то, что данная система является устойчивой, но качество регулирования не удовлетворяет заданным требованиям. Для решения данной задачи необходимо провести настройку регулятора с помощью указанных выше параметров, с целью обеспечения требуемых значений регулирования (уменьшить перерегулирование до рекомендуемых значений (σ < 15%).В нашем случае оптимальные настройки регулятора найдемпри помощи логарифмических частотных характеристик. Для построения ЛАХ и ЛФХ САУ, задаем точки входа/выхода в структуре модели и разрываем цепь обратной связи.Логарифмические частотные характеристики L1() и 1() исследуемой модели при исходных настройках регулятора показаны на рисунке 5.6.Рисунок 5.6 – Логарифмические частотные исследуемой модели при исходных настройках регулятораПримечание: точка А соответствует частоте сопряжения ωс = 1/Тдд = 0,958;точки B, C, D– частоты среза при соответствующих настройках регулятора;т. E, F, G – значения ЛФХ при соответствующих настройках регулятора. Общий вид ЛАХ, представленной на рисунке 5.6 имеет оптимальный характер.Для выбора требуемого коэффициента усиления системы будем использовать следующие правила:В окресностях частоты среза наклон ЛАХ должен быть равен -20 дБ/дек. Это обеспечит апериодический переходный процесс ;Запас устойчивости по фазе проектируемой САУ должен быть не менее 30 либо больше данного значения.Запас устойчивости САУ по амплитуде должен быть не менее -15 дБ.Путем изменение интегральной составляющей kиможно добиться изменения положения кривойL1()выше или ниже относительно исходной. При этом кривая ЛФХ 1() остается неизменной. Варьируя kи, находим такую Lопт(), которая будет соответствовать более высокому качеству переходного процесса.5.3. Расчет и построение переходных процессов САУ по управляющему и возмущающему воздействиям. Анализ переходных процессов.Для исходных настроек ПИД-регулятора ЛЧХ имеют следующие характеристики: поскольку частота среза меньше частоты фазового сдвига, т.е. ωс<ωπ, то система устойчива по критерию Найквиста; частота срезаωслежит на участке с наклоном -20 дБ/дек; запас устойчивости системы по фазе φз = 51; дБ, поскольку φ1(ω) не пересекает прямую -180. Единственное условие, которое не выполняется – в окрестностях частоты среза, это что в пределах ωс (не менее 0,6 дек в обе стороны) наклон ЛАХ должен составлять -20 дБ/дек. Уменьшив значение Kи = 0,5, вычислим новые значения пропорциональной и дифференциальной составляющей:Kп = 0,225; Kд = 0,0392.Логарифмические характеристики соответствующие данным значениям параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 5.7 – кривые L2() и φ2() (PressureNew_2 на графиках Magnitude и Phase). Поскольку условие опять не выполняется, выбирает следующее значение Kи = 0,3, для которого остальные параметры будут равны: Kп = 0,135 иKд = 0,02352. ЛЧХ для данных настроек представлены на рисунке 5.7 кривыми L3() и φ3() (PressureNew_3 на графиках Magnitude и Phase). Графики переходных процессов для рассмотренных сочетаний значений параметров ПИД-регулятора показаны на рисунке 5.7.Рисунок 5.7 - Переходные процессы для всех принятых настроек регулятораВыполним окончательную проверку качества регулирования системы после оптимизации параметров регулятора. Проверку произведем по графику переходного процесса и по логарифмическим характеристикам (кривые L3(ω) и φ3(ω) на рисунке 5.7):Время регулирования tпп находим по графику переходного процесса (рисунке 6.8 кривая PressureNew_3): tпп = 7,39 с.Запас устойчивости системы по фазе: .Запас устойчивости по амплитуде: дБ.Статическая ошибка – 0Перерегулирование - 0 %Установившееся значение – 1.0Исследуемый объект устойчив, так как переходный – сходящийся;Характер переходного процесса – апериодический;Как можно видеть, в этом случае значение перерегулирование ведено к нулю, поскольку система имеет апериодический переходной процесс. После оптимизации параметров данная САУ имеет большой запас устойчивости по фазе, по амплитуде запас устойчивости стремится к бесконечности. На основании этого можно сделать вывод, что данная система после оптимизации параметров удовлетворяет всем требованиям к качеству управления и быстродействию.6. Анализ качества управления существующей САУ давлением пара за котломСАУ предназначена для автоматического поддержания давления пара за барабаном котла за счет изменения подачи топлива (природный газ) на горелки котла.Допустимые значения максимальных отклонений основных технологических параметров в нормальных эксплуатационных условиях при постоянном заданном значении нагрузки котла указаны в таблицу 2.5.Таблица 6.1 - Допустимые значения максимальных отклонений тех. параметровАппроксимируем тренд давления пара (см. рис 2.5) при работе САУ за 8 часов работы плавной кривой и выполним необходимые вычисления.Рисунок6.1 - Тренд давления пара за барабаном котла БКЗ 75-3,9 ГМАЗатем нужно определить среднеарифметическое значение параметра (математическое ожидание) по формуле =2,94 [МПа]Произведем проверку, подчиняются ли эти остаточные случайные отклонения закону Гаусса. Для этого рассчитаем среднеквадратическое отклонение ряда дискретных значений параметра (стандарт) σ по формуле Бесселя.И по формуле нормального распределенияи Так как и отличаются друг от друга менее чем на 10%, то действительный закон распределения принимаем как нормальный.Разброс дискретных значений управляемого параметра относительно математического ожидания определяется по величине дисперсии Далее следует определить границу доверительного интервала отклонения параметра от математического ожидания .При доверительной вероятности Рдов, равной 0,95Тогда , , МПаОтсюда получаем 2,92±0,082 МПа.Согласно требованиям регламента, допустимое значение максимального отклонения давления пара за котлом должно быть равным , то есть находиться в диапазоне 2,79 - 3,0 МПаИсходя из результатов обработки трендов, давление пара будет находиться в диапазоне 2,83 – 2,97 МПа. Следовательно, САУ давлением пара за барабаном котла удовлетворяет требованиям регламента. Экономическая эффективность спроектированной системы автоматического управления заключается в снижении энергопотребления ресурсов при работе парового котла, а также оптимизации его работы, что повышает эксплуатационный период работы оборудования.В плане социальной эффективности использование данной САУ ведет к улучшению условий труда обслуживающего персонала. Также модернизация САУ освобождает рабочих от непосредственного участия в производстве и постоянного контроля параметров работы системы управления.Обеспечение возможности удаленного управления ведет к повышению безопасности труда, т.к. позволяет оператору технологического оборудования располагаться на заведомо безопасном расстоянии от парового котла в случае возникновения каких-либо аварийных ситуаций.ЗаключениеВ результате выполнения данного курсового проекта была разработана система автоматического управления технологическим процессом поддержания заданного давления пара парового котла. В процессе реализации проекта было выполнено:Проведен анализ объекта автоматизации, выделены возможные пути автоматизации и составлено техническое задание на проект.На основе проведённого анализа и составленного ТЗ, разработана структурная схема системы, а также структура отдельных блоков системы.Составлен алгоритм функционирования программы управления системой. Для решения поставленной задачи были использованы современные программируемые логические контроллеры. В работе проведен анализ наиболее популярных ПЛК различных производителей, проанализированы их достоинства и недостатки, разработаны принципиальные схемы, конструкция. При проектировании использовалась современная элементная база производства компании Siemens, а также применялись последние достижения проектирования САУ.Разработанная архитектура системы полностью удовлетворяет всем требованиям технического задания.Список используемой литературыЗверева Э.Р., Фарахов Т.М. Энергоресурсосберегающие технологии и аппараты ТЭС при работе на мазутах Под ред. А.Г. Лаптева. - Москва, Теплотехник, 2012. - 181 с.Субботина Л.Г. Технико-экономическое обоснование работ исследовательского характера – Северск: СГТИ, 2006.Паровые и водогрейные котлы: учебное пособие/ В.Д. Галдин. - Омск: СибАДИ, 2011. - 47 с.Проектирование встроенных управляющих систем реального времени. Учебное пособие. — Пермь: Изд-во Пермь.нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. — 165 с.Минаев И.Г., Самойленко В.В. Программируемые логические контроллеры. Практическое руководство для начинающего инженера Учебное пособие. - Ставрополь: АГРУС, 2010. — 100 с. Елизаров И.А., Третьяков А.А., Пчелинцев А.Н. и др. Интегрированные системы проектирования и управления: SCADA-системы Учебное пособие. — Тамбов: Издательство ФГБОУ ВПО "ТГТУ", 2015. — 160 с.Бейнарович В.А. Основы автоматики и системы автоматического управления, Раздел 1, Учебное пособие, ТОМСК: ТУСУР, 2010.- 248 с.Кемельман Д.H. Эскин Н.Б. Наладка котельных установок Справочник. —4-е изд. — М.: Энергоатомиздат. 2013. - 320 c. Богданович П.Ф. Автоматика, автоматизация и САУТП Курс лекций. — Гродно : ГГАУ, 2009. — 128 с.Пергаменщик Б.К., Вишницкий И.К. Строительство тепловых электростанций, М.: Издательство Ассоциации строительных вузов 2011.- 373 с.Александровская А.Н. Автоматика Учебник для студ. учреждений сред.проф. образования — 3-е изд., стер — М.: «Издательский центр «Академия», 2014. — 256 с.Волошенко А.В., Горбунов Д.Б. Проектирование систем автоматического контроля и регулирования Учебное пособие. - 2-е изд. - Томск, ТПУ, 2011. - 108 с.Глушков Д.О. Автоматизация технологических процессов и производств промышленной теплоэнергетики Письменные лекции для студентов специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств». Томск, ТПУ 2012. – 180 с.Модульные программируемые контроллеры Siemens SIMATIC S7-400. Режим доступа: https://www.siemens-pro.ru/components/s7-400.htmСайт компании ОВЕН. Оборудование для автоматизации. Режим доступа: http://www.owen.ru/ГОСТ Р 54101-2010 Средства и системы обеспечения безопасности. Техническое обслуживание и текущий ремонт М.:2011СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации» - М.: Стройиздат, 1986гСП 52.13330.2011 ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ, М. :2011 СанПиН 2.2.2.542-96. Нормы для операторов ЭВМ. Санитарные правила. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 1997. Приложение 1. Технические характеристики ОВЕН ПЛК 100Рисунок П.1 – Контроллер Овен ПЛК-100Приложение 2. Технические характеристики контроллера FBs-60MCTРисунок П.2 – Контроллер FBs-60MCTТаблица П.2 Технические характеристики контроллера FBs-60MCTПараметрыМодель FBs-60MCT Центральный процессор32-х разрядный, 250 МГцОбъем оперативной памяти, слов20 КОбъем энергонезависимой памяти, слов2 КЦифровые входы 24В DC Высокоскоростные(200кГц) 2-8 шт. Среднескоростные (20кГц) 6 шт. Средне/низкоскоростные(всего 5кГц) 8 шт. Низкоскоростные 20 шт. Цифровые выходы Релейные AC/DC(2A) - Транзисторные(5 ~ 30В DC) Высокоскоростные200кГц (0.5A) 4-8 шт. Среднескоростные20кГц (0.5A) 4 шт. Низкоскоростные(0.5A) 16 шт. Комм.порты Встроенные 1 порты (Порт0, USB или RS232) Расширяемые 4 порта (Порт1 ~ 4, RS485 или RS232, Ethernet или GSM) Календарь Встроенный Встроенный источник питания POW-24(AC)/DPOW-16(DC) Механизм подключения 7.62 мм съемная клеммная коробка Приложение 3. Технические характеристики SimaticS7-400РисунокП.3 – КонтроллерSiemensSimaticS7-400Таблица П.3 Технические характеристики SimaticS7-400ПараметрЗначениеЦентральный процессор32-х разрядный, 280 МГцОбъем оперативной памяти, слов2 КОбъем энергонезависмой памяти, слов1 КЕмкость ЦПУ, вх/вых10/20/30/40Дискретных вх/вых, макс.100Выполняемых инструкций91Время выполнения инструкций Базовых 0,72мкс Спец. 16,2 мксОбъем памяти программы, слов2 КПрограммных счетчиков/таймеровДо 128Высокоскоростные счетчикиДо 20 кГцКоммуникационные возможности CompoBus/S Host Link NT Link 1:1 LinkСпециальные функцииАналоговые вх/вых.Контроль движения - позиционированияВысокоскоростные счетчикиМодули температурных датчиковПриложение 4. Характеристика модулей ввода – выводаТаблица П.4 – Характеристика модулей ввода – выводаПараметр/модульSM 431 Aix16SM 431 Ex Aix8SM 421 DIx32SM 421 DIx8SM 421 DOx32Количество входов/выходов16/-8/-32/-8/--/32Длина кабеля (м): неэкранированногоэкранированного60010006001000600100060010006001000Номинальное вх. напр. на L+ (В)2424242424Защита от обратной полярностиДаДаДаДа---Количество управляемых входов:Горизонтальная установкаВертикальная установка84323288Гальваническая развязка:между каналами и задней шиноймежду каналамиДаДаДаДаДа НетДаДаДаДаДопустимые разности потенциалов между различными контурами (перем./пост.) (В)2,5 пост.2,5 пост.75/60---75/60ПрерыванияОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютДиагностические функцииОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютОтсутствуютЗадержка ввода (мс):• с ”0” на ”1”• с ”1” на ”0”------------ 25251,2-4,81,2-4,825Напряжение(В)Входное:• номинальное значение• для сигнала ”1”• для сигнала ”0”------------------2413-303-5120/23079-2640-40---------Выходное:• номинальное значение• для сигнала ”1”• для сигнала ”0”------------------------------------24Ток(мА)Входной:• номинальное значение• для сигнала ”1”• для сигнала ”0”4-204-207,56,511---------Выходной:• номинальное значение• для сигнала ”1”• для сигнала ”0”------------------------------------0,5-0,60,5Таблица П.5 – Приборы КиП нижнего уровня Параметр/ДатчикМетран 276 ТСПУМетран-100СТМ-30Встроенные концевики положения Контролируемый параметртемпературадавлениезагазованностьположениеТип выходного сигнала0-5мА4-20мАРелейный, электронная нагрузка на контакты: -0,05-05А постоянного тока при индуктивной нагрузке; до 1А переменного тока при индуктивной нагрузке 4-20мАЕдиницы измерения CМПаДиапазон измерения4-100-50Погрешность0,25%0,25%Конструктивное исполнения1ExdIIBT41ExdIIBT41ExdIIBT4Рабочие температуры (C)-10+50Производитель «Теплоприбор»«Теплоприбор»Диагностические функцииПриложение 6. Архитектура проектируемой системы управления