Проектирование системы автоматического регулирования для строительных механизмов

Содержание

 

Введение

1 Расчёт и выбор  мощности двигателя

2 Проверка двигателя  по нагреву

3 Электромеханические  свойства электропривода

4 Функциональная схема  электропривода

5 Выбор элементов электропривода

6 Структурная схема  САР

7 Оценка качества регулирования

Вывод

Список используемых источников

 

Введение

Автоматизация производства – одна из основ качественной, конкурентоспособной продукции .

Эффективность управления производством в современных  условиях в значительной мере определяется наличием методов и технических средств управления качеством продукции на всех стадиях технологического процесса. Задачи управления качеством продукции, оптимизации технологических процессов решаются на базе комплексной автоматизации производства, широкого внедрения систем и средств автоматизации. Одним из основных условий успешного решения задач автоматизации производства является обеспечение систем автоматического управления технологическими средствами оперативного автоматического контроля параметров-характеристик автоматизированных технологических процессов − физических, химических и других величин, информация о которых необходима для обеспечения оптимального управления тем или иным процессом. Степень обеспеченности технологического процесса такими средствами наряду с уровнем механизации автоматизированного производства (процесса, передела) и достигаемые технико-экономические эффекты являются определяющими, а зачастую, и лимитирующими при оценке возможности и целесообразности организации автоматизированного управления, создания конкретных систем автоматизации в производстве сборного железобетона, а также других строительных материалов.

Основная цель автоматизации  производственных процессов – это  обеспечение экономии сырьевых и  топливно-энергетических ресурсов, сокращение ручных операций, улучшение условий труда при управлении агрегатами, процессами и производством в целом, то есть повышение технико-экономических показателей технологического передела, цеха, предприятия.

Учитывая необычайно широкие возможности  современной микро вычислительной техники для автоматизации, в частности наличие компактных запоминающих устройств, обладающих большой емкостью и позволяющих хранить в них довольно сложные программы управления, можно создать с помощью микропроцессорной техники машины с очень высоким уровнем автоматизации.

Микропроцессорная техника  придает системам автоматического  управления приготовлением бетонных смесей и растворов новую технологическую, функциональную, эксплуатационную гибкость и универсальность, простоту программирования и перепрограммирования при изменении состава технологического оборудования и самого процесса, сравнительную дешевизну и надежность работы систем управления. Новые средства автоматизации технологических процессов в строительстве имеют ряд преимуществ , по сравнению с традиционными, как в части их построения, так и функциональных возможностей: простота перестройки системы с пульта управления , за счет изменения программы при замене технологического оборудования и изменении условий производства (схемные решения заменяются программными); диагностика работы оборудования и тестирования отдельных элементов самих систем управления; широкая информация о технологическом процессе, контроле и учете материалов; оптимизация технологических процессов в целях

Автоматизация производства строительных материалов постоянно совершенствуются, так как дают возможность увеличивать темпы строительства, снижать трудоемкость и стоимость работ, повышать их качество, улучшать и облегчать условия труда обслуживающего персонала, обеспечивать безопасность выполняемых работ.

Современные автоматизированные системы  управления были усовершенствованы до того, что дают возможность применять теперь контуры коррекции состава бетонной смеси в реальном времени, работать только с оптимальными схемами введения компонентов, а также использовать в работе круговое распыление воды в смесителе.

На бетонном производстве используется и автоматизация тепло  влажной обработки компонентов строительного материала. Это дает возможность дополнительно экономить энергетические ресурсы, а также постоянно повышать качество выпускаемого продукта. Применяется термообработка для того, что ускорить процесс отвердевания строительного материала. Для этого внедряется автоматизация специальных пароварочных камер.

Созданная система диспетчеризации дает возможность своевременно реагировать на тревожные сигналы даже с удаленного расстояния. Это позволяет оптимизировать работу инженерных коммуникаций, предотвратить аварийные случаи и возможные простои в работе.

С технической точки  зрения, автоматизация может рассматриваться как последний этап промышленной революции

 

1 Расчёт и выбор мощности двигателя

 

Таблица 1 – Исходные данные

 

№ п\п	Момент сопротивления на валу двигателя, Н · м		Момент инерции механизма кг · м	Время работы механизма, сек		Время паузы, сек	Диапазон регулирования скорости, Д	Максимальная скорость вращения механизма, об/мин,	Статическая погрешность поддержания скорости , %
	Mc max	Mc min	I кг · м2	tp1	tp2	t0
1	25	10	0,1	8	6	28	20	1500	0,5

 

Величины моментов инерции отдельных  элементов электропривода определяются расчётным или экспериментальным  методом.

Двигатель, в соответствии с заданием, работает при повторно- кратковременном режиме. Для предварительного выбора мощности двигателя, воспользуемся методом эквивалентного момента, т.к. считаем, что магнитный поток не изменяется: вычислим эквивалентный момент по формуле:

 

                                   (1)

 

Применительно к нашему механизму

 

 (2)

 

 

 

tp = tp₁ + tp₂ = 8 + 6 = 14 сек;

 

При выборе двигателя  из серии, предназначенной для повторно- кратковременных (ПК) режимов, условия ухудшения охлаждения двигателей учитываются при определении фактической продолжительности включения:

 

 (3)

 

 

Эквивалентный момент при  стандартном значении продолжительности  включения определяется:

  (4)

где  ПВ_С = 40%

Требуемая мощность двигателя:

 

                                             (5)

 

где  (1.1...1.6) – коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку                  

двигателя;  

   – скорость вращения двигателя;

 (6)

  – скорость вращения механизма,  с^–1;

   i – передаточное число редуктора, принять i = 1;

   V – линейная скорость поступательно движущегося

рабочего органа, м/с;

   R – радиус устройства, преобразующего вращательное движение в        

  поступательное, м.

 

;

;

.

 

По каталогу выбираем двигатель ближайший к расчётной  мощности и скорости.

Выбранный двигатель  при этом должен по роду и величине напряжения соответствовать сетям переменного или постоянного тока данного механизма; по конструктивному исполнению - условиям его компоновки с исполнительным органом и способом крепления на рабочей машине, а по способу вентиляции и защиты от действия окружающей среды - условиям его работы.

 

Двигатель постоянного тока серии 2ПФ:

h = 132 L, мм;

P_H = 5,5 кВт;

U_ном = 220 В;

n_Н = 1600 об/мин;

n_max = 4200 об/мин;

η = 80,5 %;

R_я = 0,269 Ом;

R_дп = 0,22 Ом;

R_ов = 20,6 Ом;

L_я = 5,7 мГн.

I_дв=0,03

 

 

 

2 Проверка двигателя  по нагреву

 

При проектировании предварительно выбранный двигатель должен быть проверен на нагрев и по перегрузке. Для этого построим тахограмму , рассчитав время разгона и торможения двигателя.

 

Рассчитаем коэффициент  двигателя:

 

                                            (7)

 

где  U – номинальное напряжение на двигателе, В.

 

Определим номинальный момент и  ток якоря двигателя:

 

                                                (8)

 

 

 

                                                (9)

 

 

.

 

Суммарный момент инерции  привода, приведённого к валу двигателя, рассчитаем с учётом момента инерции механизма:

                         (10)

 

где  (1,1 ÷ 1,2) – коэффициент, учитывающий момент инерции редуктора;

  J_МЕХ – момент инерции вращающихся частей механизма, кг · м².

J_дв = 0,07 кг·м²;

i = передаточное число редуктора = 1;

 

 

Для определения времени  пуска, замедления и построения нагрузочной  диаграммы М = f (t) обычно задаются средними пусковыми М_П и тормозными М_T моментами, определяем:

 

                                       (11)

 

где  Δω – изменение скорости при пуске и торможении.

 

; 

  ;

 

где   ; (12)

 

Величина этих моментов принимается равной:

 

                                     (13)

 

где  M_max.дв. – максимальный допустимый момент двигателя;

   λ = 2,5 – перегрузочная способность двигателя постоянного тока;

 

M_max.дв = λ · М_n = 2,5 · 32,9= 82,25 Н·м;

 

;

 

Зная диапазон регулирования скорости, найдём максимальную и минимальную скорости вращения механизма.

 

 

;

С учётом времени пуска, торможения, установившегося движения и паузы построим диаграмму токов I = f (t), учитывая, что пусковой и тормозной токи определяются:

                                     (14)

 

 

При действии статического момента на валу двигателя:

 

                                     (15)

 

;  

;

 

;

 

;

Для самовентилируемых двигателей необходимо учитывать ухудшение  условий охлаждения двигателей при  пуске и торможении, а так же во время паузы:

 

                        (16)

 

 

 (17)

 

где  α = 0,75 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при работе двигателя с пониженными скоростями;

   β = 0,5 – коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения при работе двигателя во время паузы;

;

 

Выбранный двигатель  будет проходить по нагреву, если:

 

М_эст = 18,24 Н·м < М_ном = 32,9 Н·м;

I_ЭСТ = 7,2 А < I_ЯНОМ = 25,1 А

Проверка двигателя  постоянного тока на кратковременную нагрузку заключается в сравнении наибольших величин тока и момента двигателя, которые находятся по нагрузочным диаграммам с максимально допустимыми значениями тока и момента для выбранного двигателя.

 

 

где  М_СМАХ, I_СМАХ – максимальные значения момента и тока в нагрузочных диаграммах;

  λ – коэффициент перегрузки двигателя.

 

М_смах = 25 < λ · М_ном = 2,5 · 32,9 = 82,25;

I_смах = 7,6 < λ · I_яном = 2,5 · 25,1 = 62,75.

 

Если предварительно выбранный двигатель не проходит по нагреву, либо по перегрузке, необходимо выбрать ближайший больший по мощности двигатель и повторить проверочные расчёты.

 

 

3 Электромеханические свойства электропривода

 

 

Электромеханические свойства электроприводов наиболее полно  и наглядно отражаются с помощью электромеханических ω=f(I) и механических ω=f(M) характеристик двигателей в электроприводе:

 

а) Для построения естественной механической характеристики двигателя воспользуемся уравнением:

 

                                     (18)

 

                                      (19)

 

;

 

 

Скорость идеального холостого  хода:

 

                                           (20)

 

 

 

По координатам точек холостого  хода и номинального режима строим естественную механическую характеристику.

б) Реостатные характеристики построим при дополнительных сопротивлениях Rn, равных 0,2; 0,4; 1; 1,6 от номинального сопротивления якоря двигателя.

Скорость идеального холостого  хода не зависит от сопротивления  в цепи якоря двигателя.

Падение скорости на реостатных характеристиках  при номинальном моменте:

                                         (21)

 

Rn c^-1

 

 

 

Пропорционально сопротивлению  якорной цепи. Данные расчётов сведены в таблицу 2.

 

Таблица 2

	0,322	0,376	0,538	0,699
	6,58	7,68	10,99	14,28
	166,64	165,54	162,23	158,94

 

Расчёты и построения ограничить по моменту допустимой перегрузкой  и по скорости - её максимально допустимым значениям, которые указываются в паспортных данных двигателя.

в) Построение механических характеристик двигателя в режиме динамического торможения произведём, когда якорь замкнут накоротко на сопротивление торможения. Уравнение механической характеристики в режиме динамического торможения:

 

                                                (22)

где  R_m = 0,6·R_Я=0,161;  Ф = Ф_Н

 

 

Данную характеристику можно построить  по двум точкам координат:

1)

2)

 

г) Зная уравнение механической характеристики рассчитаем и построим характеристики при понижении питания двигателя  , при КФ = КФ_н:

 

;

 

и ослаблении магнитного потока , при :

 

 

 

 

 

д) Для построения механических характеристик при изменении  температуры, учтём температурную зависимость сопротивления.

 

                                  (23)

 

где   – номинальное сопротивление двигателя, Ом;

t_к – конечная температура нагрева двигателя;

  t_н – начальная температура двигателя;

  α – температурный коэффициент;

  

t_к = 80°C; t_н = 20°C; α =0,01

 

 

Номинальное значение ЭДС  двигателя с учётом сопротивления R_t будет определяться:

                                     (24)

 

Изменится коэффициент  двигателя:

 

                                    (25)

 

 

Подставляя полученные значения в формулу (25), получим механическую характеристику с учётом нагрева обмоток двигателя.

 

 

 

 

4 Функциональная схема  электропривода

 

Функциональная схема  необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимы для реализации системы ЭП. Функциональная схема содержит блоки преобразования силовой энергии, двигатель, измерительные преобразователи, согласующие устройства, функциональные преобразователи, блоки управления, датчики. По функциональной схеме определяют, какие блоки необходимо использовать при составлении структурной схемы ЭП.

 

 

Рисунок 1 – Функциональная схема электропривода

 

Функциональная схема  электропривода включает в себя:

1. Регулятор скорости;
2. Регулятор тока;
3. Система импульсного фазового управления;
4. Тиристорный преобразователь;
5. Трехфазный трансформатор;
6. Двигатель постоянного тока;
7. Шунт;
8. Тахогенератор.

 

Функциональная схема  позволяет определить, как проходит по схеме силовая энергия (энергия, необходимая для выполнения технологического процесса) и по каким элементам схемы проходит сигнал управления.

 

1.Регулятор  скорости

Простейший регулятор  скорости – пропорциональный (П). Его  уравнение:

Mref* = KP (vref* - v*).

Коэффициент регулятора

KP = Ωv Tj.

Здесь Ωv –  полоса пропускания контура регулирования скорости.  Она определяет быстродействие контура регулирования. П регулятор представлен на функциональной схеме квадратом,  в котором показана переходная характеристика звена.  Функциональная схема –  простейший вид схемы автоматической системы. Она поясняет функционирование системы. Линейные звенья представлены на такой схеме их переходными характеристиками,  нелинейные –  характеристиками «вход-выход». Переходная характеристика – это процесс на выходе звена при условии, что процесс на входе – единичная ступень. 

Недостаток П регулятора скорости –  установившееся падение  скорости от нагрузки. Чем больше момент нагрузки Mc*, тем больше необходимое задание момента Mref* и,  следовательно, тем больше отклонение скорости (vref* - v*).

Если привод должен быть астатичным по отношению к нагрузке,  используется  пропорционально-интегральный  (ПИ)  регулятор скорости.  Он также показан на функциональной схеме. В регуляторе имеется дополнительно интегратор.

2.Регулятор   тока

Назначение:

Предназначен для плавного регулирования тока от 0 до 110 А, напряжения от 0 до 220 В, что дает возможность подключать агрегаты мощностью до 25 кВт переменного тока и д 2,5 кВт постоянного тока. На регулятор тока возлагаются также другие функции: ограничение скорости нарастания тока di/dt, улучшение динамики контура тока в зоне прерывистого тока, компенсация влияния ЭДС двигателя на характеристики контура, обеспечение режима стоянки электродвигателя, управление переключением выпрямительных мостов реверсивного ТП.

Описание:

В регуляторе тока имеется диодный мост, что дает возможность подключать агрегаты, работающие на переменном и постоянном токе.

Преимущества:

К регулятору тока можно  подключать сварочные аппараты, электродвигатели, электротены, ручной электроинструмент, станки, работающие от электросети постоянного и переменного тока. В регуляторе тока предусмотрена защита от перегрузки и короткого замыкания

3. Система импульсно-фазового управления.

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) предназначена для  преобразования выходного напряжения системы управления u_у в последовательность подаваемых на тиристоры отпирающих импульсов, момент формирования которых смещен относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол a, зависящий от значения u_у.

В современных электроприводах  СИФУ выполняют как синхронные многоканальные, т. е. в них выполняется отсчет угла a от моментов естественного отпирания для каждого плеча моста (или для каждой пары противофазных плеч). СИФУ состоит из узла формирования опорных напряжений, компараторов, сравнивающих напряжение управления u_у и опорные напряжения u_оп, узлов, преобразующих моменты переключения компараторов в импульсы управления тиристорами, узлов ограничения диапазона изменения угла a и выходных усилителей. В реверсивных электроприводах СИФУ дополняется узлом выбора выпрямительного моста АВ.

4.Тиристорный  преобразователь

Тиристор это электропреобразовательный  прибор с тремя или более p-n-переходами, в вольтамперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления.

Тиристорный преобразователь  применяется для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в переменный ток средней частоты для питания на задаваемых нагрузкой выходных частотах автономного (колебательного) контура электротехнологической нагрузки. Тиристорный инвертор используется для преобразования выпрямленного сетевого напряжения в напряжение высокой частоты.

Материалом для изготовления  служит кремний.

5.Трехфазный  трансформатор

Для передачи энергии  не применяют однофазный переменный ток. Для этих целей получил широкое распространение трехфазный ток. Поэтому большинство трансформаторов являются трехфазными.

Можно трансформировать трехфазный ток, пользуясь тремя  однофазными трансформаторами, первичные и вторичные обмотки которых соединены в трехфазную систему — в звезду или треугольник. Именно так и работают мощные однофазные трансформаторы, устанавливаемые на крупных электростанциях. Они подключены к соответствующим фазам генераторов своими первичными обмотками; вторичные их обмотки, соединенные в звезду, подключены к соответствующим фазам дальней линии передачи.

Можно иметь трехфазный трансформатор и в одной единице. Магнитопровод такого трансформатора состоит из трех стержней, замыкаемых сверху и снизу ярмами (рисунок 1). На каждый из стержней насаживают по одной первичной и вторичной обмотке. Первичные обмотки соединяют в звезду или треугольник, так же соединяют и вторичные обмотки. Стержень с обмотками представляет собой однофазный трансформатор. Поэтому все, что было сказано рапсе об однофазном трансформаторе, целиком относится и к отдельной фазе трехфазного.

 

 

Рисунок 2 - Схема трехфазного трехстержневого трансформатора

 

В каждом стержне трехфазного  трансформатора возникает магнитный  поток, созданный током первичной  обмотки. Но каждая первичная обмотка принадлежит одной из фаз трехфазной системы. Поэтому протекающие по обмоткам токи, так же как и приложенные напряжения, являются трехфазными, следовательно, магнитные потоки тоже трехфазные.

До сих пор мы считали, что магнитный поток обязательно  замыкается, т. е. пройдя по стержню, проходит обратный путь к началу того же стержня. Однако в трехфазном трансформаторе такого обратного пути нет и в нем (при одинаковой нагрузке фаз) нет необходимости, как нет нужды и в нейтральном соединении в звезду.

Каждый из потоков циркулирует только по своему стержню, а все вместе они сходятся в серединах верхнего и нижнего ярм — точках D и Е. В этих точках потоки складываются, но так как они сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, то складываются геометрически. Как известно, геометрическая сумма таких величин равна нулю. Значит, каждый из магнитных потоков проходит только по своему стержню, не имеет обратного пути, а сумма всех трех потоков равна нулю. Потоки крайних фаз А и С проходят не только по стержню, но и по половине верхнего и нижнего ярм. Поток средней фазы В проходит только по своему стержню. Поэтому и токи холостого хода крайних фаз всегда больше, чем ток холостого хода средней фазы.

6. Двигатель постоянного тока.

Хотя система своременного электроснабжения основана на применении переменного тока, тем не менее машины постоянного находят широкое использование в самых различных отраслях промышленности и в быту.

Основными частями машины постоянного  тока (см. рис. 1) являются неподвижная  станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть – якорь. Часто их называют по аналогии с машинами переменного тока статором – неподвижную часть и ротором – вращающуюся часть. Станина с электромагнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся якоре индуктируется э.д.с. и проходят токи, создающие в генераторе тормозящий момент, а в двигателе – вращающий момент.

Рисунок 3 – двигатель постоянного  тока.

 

Станина изготавливается  из литой стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней стороне которого укреплены сердечники полюсов: главных и дополнительных. На сердечники главных полюсов надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины. Сердечники полюсов снабжаются наконечниками, служащими для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. Дополнительные полюса имеются имеются только на более крупных машинах. Эти полюса устанавливаются на станине посредине между главными полюсами.

 

Их обмотка соединяется  последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов – поддерживать магнитное поле работающей машины относительно постоянным независимо от нагрузки. Это нужно для безыскровой работы щеток на коллекторе.

Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Он снабжен пазами, в которые закладывается обмотка якоря, обычно состоящая из отдельных секций.

Характерной для машин  постоянного тока деталью является коллектор – полый цилиндр, собранный из изолированных одна от другой и от вала машины клинообразных медных пластин. Последние определенным образом соединяются с витками обмотки якоря. На коллекторе в щеткодержателях устанавливаются неподвижные щетки, через которые обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки к коллектору прижимаются пружинами. щеткодержатели укрепляются на щеточных траверсах. Последние устанавливаются на подшипниках машины и их можно поворачивать, изменяя таким путем положение щеток по отношению к полюсам машины.