Автоматизация. 5

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Автоматизация играет решающую роль при организации  промышленного производства  Республики Казахстан: выпуск заданного количества продукции при минимуме материальных затрат и затрат ручного труда.

Автоматизация — одно из направлений  научно-технического прогресса, применение саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации, существенно уменьшающих степень этого участия или трудоёмкость выполняемых операций.

 В  особенности актуальной автоматизация  становится в отраслях промышленности Казахстана, конечная продукция которых находит массовый спрос у потребителя и используется практический во всех производственных процессах. Развитие современного производства идет по пути создания высокоэффективных промышленных установок, сопровождается интенсификацией технологических и производственных процессов и систем управления ими.

Система автоматического регулирования  (САР) состоит из регулируемого объекта  и элементов управления, которые  воздействуют на объект при изменении  одной или нескольких регулируемых переменных. Под влиянием входных  сигналов (управления или возмущения), изменяются регулируемые  переменные.  Цель  же  регулирования заключается  в формировании таких законов, при которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений. Решение данной задачи во многих случаях осложняется наличием случайных возмущений (помех). При этом необходимо выбирать такой закон регулирования, при котором сигналы управления проходили бы через систему с малыми искажениями, а сигналы шума практически не пропускались.

Целью настоящего курсового проекта  является разработка и анализ одноконтурной системы  автоматического регулирования сепаратором. Для реализации системы автоматического регулирования в данном курсовом проекте будут использованы прикладные методы расчета, которые находят широкое применение при наладке, проектировании и эксплуатации средств автоматизации. Исследование устойчивости системы является одним из центральных вопросов анализа решаемых с помощью теории автоматического управления.

В этом проекте будет использован  частотный критерий Михайлова, представляющий косвенный метод исследования устойчивости системы. В результате решения вышеуказанных задач можно  будет сделать вывод о работоспособности системы автоматического регулирования.

 

 

 

1 Описание исходной схемы    

       автоматизации

 

 

В данном курсовом проекте будет  разработана одноконтурная САР  плотности суспензии сепаратора. Процесс обогащения в тяжёлых  суспензиях основан на том что, в  суспензии определённой плотности  более лёгкие минералы всплывают  на поверхность, а более тяжёлые  тонут. Обязательным условием успешного  обогащения в тяжёлых суспензиях является поддержание постоянства плотностью суспензии, которая зависит от объёмного соотношения твёрдых частиц и воды, должна поддерживаться с большой степенью точности. Регулирование плотности суспензии осуществляется путём добавок в неё воды. При повышении плотности суспензии САР обеспечивает автоматическую подачу воды для снижения плотности до заданного значения. При понижении плотности суспензии ниже заданного значения предусмотрена подача сигнала обслуживающему персоналу и снижение расхода воды. Плотность суспензии измеряется датчиком плотности  DE (позиции 1.1), сигнал с которого по линии связи поступает на вторичный показывающий, регистрирующий прибор DIR (позиция 1.2) и далее на регулятор DC (позиция 1.3). Задание на регулятор подаётся от внешнего задатчика Н (позиция 1.4). Регулятор сравнивает текущее значение плотности с заданным значении и при их неравенстве вырабатывает сигнал, который через блок управления HS   (позиция 1.5) поступает на исполнительный механизм (позиция 1.7). Управление исполнительным механизмом осуществляется через пускатель NS (позиция 1.6). Задача регулятора сводится к ликвидации отклонений регулируемой величины, вызванной действием возмущения, обеспечивающим равенство: y(t)=y_зад(t), поэтому проектируемая САР будет стабилизирующей,  так как предназначена для поддержания  регулируемой величины на заданном значении, которое устанавливается постоянным.

Система будет замкнутой, так как  предназначена для автоматического  выполнения операций с зависимостью процесса управления от конечного результата. В этой системе предусмотрена цепь, соединяющая выход системы с устройством, где происходит сравнение выходного откорректированного сигнала системы – действительного значения управляемой величины с заданной.

По принципу регулирования САР  будет по отклонению, так как система  работает по отклонению регулируемой величины от заданного значения, регулятор сравнивает эти величины и при их рассогласовании вырабатывает регулирующее воздействие,  которое воздействует на объект  и приводит к уравновешиванию параметра.

По способу воздействия регулятора на объект система будет непрямого  действия, потому что используется энергия от постороннего источника.

 

 

2 Характеристика объекта 

   регулирования

 

 

Объектом  регулирования  проектируемой САР  является тяжелосредный сепаратор. Сепаратор, как объект автоматизации представляет собой сложный объект, потому что в объект регулирования входит не только сам сепаратор, но и вспомогательное оборудование. Также необходимо учитывать транспортное запаздывание на грохоте, в желобах, на поверхности сепаратора. Управляющим воздействием является расход воды. Блок – схема типовых воздействий представлена на рисунке 1.

qв

qм

 

 

     

      q         γ_β

      Ф                                                                                              β

      d                       γ_υ

      α                                                                                             γ_ш

      φ             δ

 υ

 

Входные воздействия: q, ф, d-расход, фрикционный состав и крупность материала; α - содержание полезного компонента в исходном материале; φ-вязкость суспензии; управляющие воздействия: q_м- расход магнетита; q_в -расход воды для тяжелосредных гидроциклонов;  выходные показатели: γ_β и β-выход и качество концентрата; γ_υ и υ-выход и качество хвостов; γ_ш - зашамленность суспензии; δ- плотность суспензии

 

Рисунок 1 Блок-схема типовых воздействий

 

Сепаратор можно представить апериодическим звеном первого порядка с запаздыванием:

 

(1)

 где  К₀-коэффициент передачи объекта

        T₀- постоянная времени объекта, с

       τ₀ –время запаздывания,  с

Для количественной оценки динамических характеристик  объекта регулирования строится переходная характеристика (кривая разгона), которая представлена в графической части проекта, согласно проекту задания. Динамические свойства объекта регулирования определяются следующим образом. Через точку перегиба временной характеристики объекта проводится касательная до пересечения с установившимся значением регулируемой величины (А) и осью абсцисс (С). Из точки А опускается перпендикуляр на ось абсцисс (Д). Отрезок ОС на оси абсцисс равен времени запаздывания объекта τ₀=45с, отрезок СД - постоянная времени объекта       =208с.

Коэффициент передачи находится по формуле:

 

( 2)

где - относительное изменение выходной величины

- относительное единичное воздействие

=_в=0.3

 

=0.28∙0.3=0.084

Определяется  относительное изменение выходной величины:

 

,

(3)

 где   начальное значение выходной величины, кг /м³

  ^{установившееся  значение выходной  величины, кг /м3}

 

  =>=17000.084+1700=1843 кг/ м³

 

3 Расчет и выбор регулятора

 

 

Под выбором регулятора подразумевается  выбор необходимого закона регулирования. Чтобы выбрать стандартный регулятор необходимо знать, какое качество регулирования может быть достигнуто при установке регулятора с типовым законом регулирования. Значения настроечных  параметров регулятора должны позволить получить такой переходной процесс, который в наилучшей мере соответствует технологическим условиям работы данного объекта.

Выбор регулятора и значения его  настроечных параметров, определяется динамическими свойствами объекта регулирования, требованиями, предъявляемыми к качеству регулирования, величиной и характером  возмущающих воздействий.

 

 

 

Таблица 1  Исходные данные для расчета  регулятора

 

№ варианта	Тип переходного процесса	Динамические свойства объекта			Допустимые значения параметров качества переходного процесса			Xв
		K0	T0,с	τ0,с	y1.доп	yст.доп	tр доп,с
8	С минимальной квадратичной площадью отклонения	0.28	208	45	0.04	0.018	600	0.3

 

Расчет  регулятора

Ориентировочно  определяется характер действия регулятора по величине отношения времени запаздывания объекта и его постоянной времени. Практика показывает, что обеспечивает, удовлетворительное качество регулирования позиционный регулятор при:

 

(4)

где T₀- постоянная времени объекта,  с

       τ₀ -время запаздывания, с

 

Так как 0.2 - то выбирается регулятор непрерывного действия.

Находится максимальное отклонение регулируемой величины:

 

,

(5)

где - величина возмущающего воздействия

 

Определяется  динамический коэффициент передачи системы  для всех типов регуляторов по графику:

П- регулятор: =0.3

И- регулятор:=0.49

ПИ-регулятор: =0.23

ПИД- регулятор:=0.17

Находится динамическая ошибка системы для  всех типов регуляторов:

 

,

(6)

П - регулятор:

И - регулятор: = 0.490.084=0.041

ПИ-регулятор:=0.230.084=0.019

ПИД -регулятор:=0.170.084=0.014

Осуществляется  проверка на соблюдение условия:

 

(7)

П-регулятор:0.0250.04

И - регулятор: 0.0410.04

ПИ-регулятор:0.0190.04

ПИД-регулятор:0.0140.04

И - регулятор не обеспечивает заданное качество регулирования.

Определяется  величина относительной статической  ошибки -  по графику только для П-регулятора.

Находится статическая ошибка регулирования  для П-регулятора:

 

(8)

 

 

Осуществляется  проверка на соблюдение условия:

 

,

(9)

                                  

                                         0.0170.018

П - регулятор  обеспечивает заданное качество регулирования.

Определяется  отношение  по графику (приложение 3) для систем, оставшихся после первых двух проверок.

П - регулятор:

ПИ-регулятор:       = 16

ПИД -регулятор:  = 10

Определяется  время регулирования , с:

 

,

(10)

где – время регулирования, с

П- регулятор:=8=360с

ПИ-регулятор: =1645=720с

ПИД -регулятор: =10=450с

Осуществляется  проверка на соблюдение условия:

,

(11)

П - регулятор:360≤600с

ПИ –  регулятор:72600с   не обеспечивает

ПИД-регулятор:450600с    

Выбирается пропорциональный  регулятор (П-  регулятор), как более простой, с законом регулирования:

 

(12)

 

4 Определение  настроечных

   параметров регулятора

 

 

Расчет  параметров регулятора предусматривает  определение численных значений параметров настройки, при которых переходные процессы в замкнутых автоматических системах удовлетворяют показателям качества, то есть, являются оптимальными. Оптимальные настроечные параметры регулятора будут определены графоаналитическим методом по монограммам.  Применяемый графоаналитический метод расчета регулятора является приближенным, поэтому вычисленные значения параметров настройки требуют проверки, что будет осуществляться при оценке САР на устойчивость.

Определяется  коэффициент передачи:

 

(13)

 

где

 

 

Находится предел пропорциональности,  %:

 

(14)

 

                                  

 

Выбирается  пропорциональный регулятор типа РП-5 с настроечным параметром δ=, с линейными статическими характеристиками, представленными в таблице 2.

 

 

 

 

Таблица 2  Технические характеристики регулятора РП-5

 

Наименование характеристики	Значение
1	2
Количество входов: аналоговых дискретных	4 3
Входные аналоговые сигналы	постоянный ток 0-5 мА или 0-20 мА или 4-20 мА; напряжение постоянного тока 0-50 мВ;  сигналы термосопротивлений ТСМ (- 50 - + 200 °С) или ТСП (- 50 - + 600 °С);  сигналы термопар ТХА (К) (0 - 900 °С) или ТХК ( L ) (0 – 600 °С)
Входные дискретные сигналы	Сухой контакт (замкнут- разомкнут)
Количество выходов: дискретных импульсных	2 1
Выходные сигналы: импульсный   дискретный	состояние бесконтактных  ключей «Меньше» «Больше» с нагрузочной  способностью 24 В, ток до 0,2 А; состояние бесконтактных  ключей с нагрузочной способностью 24 В, ток до 0,2 А
Параметры настройки и диапазоны  их установки:
сигнал задания	0- 100 %
зона нечувствительности	0,2-2 %
коэффициент передачи	0,5-5 %
постоянная времени интегрирования	5 - 500 с
постоянная времени дифференцирования	0- 100 с

 

Продолжение таблицы 2

 

1	2
постоянная времени демпфирования	0,4 — 30 с
длительность выходного импульса	0,1 — 1 с
уставки по сигналу рассогласования	0+ 100 %

 

Основные  функции регулятора РП-5:

1) формирование совместно с электрическим  исполнительным механизмом постоянной скорости П -, ПИ-, ПИД-, двух- и трехпозиционного законов регулирования;

2) формирование сигнала задания  и его ручная установка;

3) программный выбор вида входного  сигнала для каждого входа  и его масштабирование;

4) алгебраическое суммирование  входных аналоговых сигналов  с сигналом задания, формирование сигнала рассогласования и преобразование его в цифровой код;

5) линеаризация характеристик датчиков  ТСМ, ТСП, ТХА, ТХК;

6) автоматический, ручной и дистанционный  режимы управления;

7) цифровая индикация сигнала  контролируемого параметра как  в %, так и  в технических единицах, индикация сигнала задания;

8) контроль по цифровому индикатору  всех параметров настройки и  их изменение в режиме РАБОТА;

9) гальваническое разделение входных  цепей от выходных и цепей  питания;

10) самотестирование правильности  конфигурирования, калибровки, пределов  установки параметров и других неисправностей с выводом информации на цифровой индикатор;

11)сохранение установленных параметров  при отключении напряжения питания.

возможность контроля и изменения всех параметров по открытому протоколу обмена RS-485.

 

 5 Расчет и выбор регулирующего

  органа

 

 

Необходимым условием надежной работы САР является правильный выбор пропускной характеристики, и расчет условного прохода Р.О. Дроссельный Р.О. представляет собой  переменное или пневматическое сопротивление, которое управляет расходом среды  путем изменения проходного сечения. В связи с тем, что для заданного  объекта регулирования внешние  возмущения являются основными, то будет выбран дроссельный Р.О с линейной расходной характеристикой. Такой Р.О во всем диапазоне нагрузок имеет одинаковый коэффициент передачи.

Условный  проход Р.О на жидкость выбирается по условной пропускной способности с последующей проверкой на влияние вязкости протекающей жидкости или на явление кавитации жидкости в зависимости от числа Рейнольдса.

 

Таблица 3  Исходные данные для расчета

 

Наименование	Обозначение	Численное значение
Среда	вода
Абсолютное давление воды в начале участка	P0	4кГс/см2 (0.4МПа)
Абсолютное давление в конце расчетного участка	Pк	1кГс/см2 (0.1МПа)
Максимальный расход воды	Qmax	40000кг/ч
Минимальный расход воды	Qmin	20000кг/ч
Температура воды	t1	200С
Длина трубопровода	l	40м

 

 

 

4 вентиля; 2 тройника; 1 диафрагма; 3 колена за  регулирующим органом.

 

Рисунок 2  Схема установки регулирующего  органа на трубопроводе

Расчет:

Определяетсявнутренний  диаметр трубопровода, принимая среднюю  скорость течения воды в трубопроводе W=2м/с

r

(15)

 

где Q _м мах=40000кг/ч- максимальный массовый расход воды

 ρ=998.2кг/м³- плотность воды в рабочих условиях, 20⁰С

 

Принимается условный диаметр трубопровода Д_у=90мм.

Определяется  режим движения воды в трубопроводе

(16)

 

 где  μ= 100.210^-6кГс/м²-динамическая вязкость воды

 

 

 

 
 

 

           Если Re_{min2000, то влияние вязкости на расход жидкости не учитыв}ается, выполняется расчет на возможность  возникновения кавитации.

Определяется  коэффициент трения, при максимальном расходе воды

(17)

 

 

 

Уточняется  скорость протекания воды по трубопроводу:

(18)

 

 

Определяются  потери давления в трубопроводе при  максимальном расходе:

 

(19)

 

где ΔР_п - потери давления в прямых участках трубопровода, кГс/м²

      ΔР_м- потери давления на местное сопротивление, кГс/м²

     Потери в прямых участках трубопровода:

 

(20)

где ρ=плотность  воды, кг /м³

      Д_у–условный диаметр трубопровода,  м

      g=9.81м/с²- ускорение свободного падения

_=0.01447МПа

 

Потери  давления в местных сопротивлениях трубопровода

 

(21)

 

где S-коэффициенты сопротивлений

S_вх=0.5              S_диаф =51   _{=1.1     =0.1       =1}

ΔР_т= 0.01447+0.14652=0.16МПа (1.6кГс/м²)

 

Определяется  перепад  давления на РО (регулирующем органе) при заданном максимальном расходе воды

 

,

(22)

 

где =

 

                            =3-1.6=1.4кГс/см² (140кПа)

 

Определяется  максимальная расчетная пропускная способность с учетом коэффициента запаса η=1.2

 

(23)

где Q_max= максимальный массовый расход воды, кг/ч

       ρ= 0.9982 кГс/см³- удельный вес воды в рабочих условиях

       ΔP -перепад давления на РО, кГс/см²

 

 

Предварительно  выбирается Р.О с  К_vy=50м³/ч,  Д_у=65мм,  Р_у=1.6 МПа типа VFG Danfoss. Расходная характеристика - линейная.

Выбранный регулирующий орган проверяется на возможность возникновения кавитации.

Определяется  площадь сечения входного патрубка регулирующего органа:

 

(24)

где  Д_у- диаметр условного прохода, м

 

Определяется  коэффициент сопротивления ζ

 

	(25)

 

По графику 2   определяем коэффициент кавитации:

К_с=0.88

 Определяется  перепад давления, при котором  возникает кавитация

 

ΔPкав= Кс  (Р1−Рn)	(26)
где Р1- абсолютное давление воды при максимальном расходе до Р.О       Рn-0.04325кГс/см2- абсолютное давление насыщенных паров жидкости при t0=200С
Р1=Р0−ΔРт=4-1.6=2.4кГс/см2 [0.24МПа]		(27)