Системы автоматического управления и контроля
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… 1 Краткое описание объекта регулирования…………………………………. 1.1 Описание объекта …………………………..……………………………. 1.2 Определение динамических
характеристик объекта………………….. 2 Обоснование выбранной схемы автоматического регулирования ……..... 2.1 Общие положения…………………………..……… 2.2 Обоснование схемы 3 Выбор аппаратуры 3.1 Общая ГСП…………………………..……………………… 4 Заказная спецификация на средства автоматического регулирования…… 5 Расчетная часть……………………………………… 5.1 Выбор закона регулирования.
Расчет параметров настройки
регулятора…………………………………………………… 5.2 Расчет АСР на устойчивость…………………………………………… 5.3 Расчет регулирующего органа…………………………………………… 6 Монтаж оборудования…………………………… 6.1 Монтаж ЗУ-50……………………………………………………………. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………… |
ВВЕДЕНИЕ
Системы автоматического управления и контроля (далее САУ) являются неотъемлемой частью современных АЭС и играют ключевую роль в обеспечении их надежной и безопасной работы. Современные САУ для АЭС обычно служат для решения двух основных задач: автоматическое управление технологическими процессами (ТП) и автоматический контроль параметров и режимов работы АЭС.
Автоматизация технологических процессов позволяет существенно увеличить эффективность работы конкретного оборудования (объекта управления) и работы энергоблока в целом. Автоматизация технологического процесса базируется на описании технологических операций (технологических алгоритмов), разработанном инженерами-технологами и обеспечивающем сам технологический процесс. Технологические алгоритмы обычно обеспечивают технологию выполнения определенных действий (операций) с учетом ограничений при управлении (например, разрешенные или запрещенные зоны перемещения, технологические переключения и операции) и особенностей самого объекта управления (его конструкции, границ, способов и условий эксплуатации и т. д.), а также нарушений технологического процесса. Автоматизация позволяет существенно снизить время, затрачиваемое на выполнение стандартных (заранее определенных) действий (операций, циклов) автоматизируемого оборудования, за счет увеличения скоростей исполнительных механизмов объектов управления, отсутствия останова между выполнением отдельных действий движущимися частями, реализации совместного движения нескольких механизмов, оптимизации траектории движения управляемого оборудования и т. п.
Данная курсовая работа предназначена
для освоения навыков проектирования
систем автоматического регулирования.
В ходе работы будут составлены проектные
решения, которые позволят эффективно
работать системе автоматического регулирования,
предназначенной для поддержания параметра
в заданном значении.
Название данной курсовой работы "Автоматическое регулирование давления пара в деаэраторе турбины", следовательно цель выполнения работы заключается в проектировании системы автоматического регулирования, которая будет удовлетворять заданным требованиям. В конкретном случае - это поддержание значения давления пара в деаэраторе.
1 Краткое описание объекта регулирования
1.1 Описание объекта
В качестве объекта регулирования в курсовой работе рассматривается деаэратор, который выполняет роль смешивающего подогревателя и предназначен для деаэрации питательной воды. Принцип деаэрации заключается в том, что с повышением температуры воды при постоянном давлении растворимость газов уменьшается и при температуре кипения становится равной нулю. Деаэрация осуществляется в головке деаэратора, в верхнюю часть которой подается конденсат после подогревателей низкого давления, а в нижнюю часть - греющий пар из отбора турбины. Конденсат, сливаясь с одной дырчатой тарелки на другую, движется вниз и нагревается движущимся кверху греющим паром до температуры кипения. Выделившиеся газы вместе с излишками пара удаляются из верхней части головки (выпар).
Деаэраторы состоят из деаэраторного бака, деаэрационной колонки, гидрозатвора (предохранительное устройство) и охладителя выпара. Деаэраторный бак представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд с эллиптическими днищами и патрубками входа и выхода рабочей среды, подключения трубопроводов и арматуры, установленный на опорах, одна из которых неподвижная. На баке установлена деаэрационная колонка, которая представляет собой цилиндрическую обечайку с элиптическим днищем, патрубками для подвода и отвода рабочей среды. Для обеспечения безопасной эксплуатации деаэратора предусмотрено предохранительное устройство - гидрозатвор, защищающий его от опасного превышения давления и повышения уровня воды в баке. Охладитель выпара предназначен для конденсации максимального количества пара из отводимой от деаэратора парогазовой смеси. Еще одна функция охладителя выпара - утилизация тепла этого пара.
Различают деаэраторы атмосферные и высокого давления . Атмосферные деаэраторы устанавливают на линиях, которые осуществляют подачу добавочной воды, повышенного давления - на основном потоке образующего конденсата.
Чтобы непрерывно нагревать и удалять кислород из воды в объекте регулирования поддерживается избыточное давление пара Рд., которое должно быть постоянным, поскольку резкое повышение или понижение давления приводит к нарушению работы насосов деаэратора. Пар на деаэратор подается из отбора турбины, следовательно, чтобы обеспечить необходимое давление, нужно изменять расход теплоносителя. Для этого перед деаэратором ставится дроссельный регулирующий клапан.
Таблица 1 – Основные технические характеристики деаэратора ДП - 1000
Наименование |
Значение |
1. Производительность, кг/c 2. Рабочее давление, МПа 3. Рабочая температура, ºС 4. Пробное гидравлическое давление, МПа 5. Подогрев воды, ºС |
277,7 0,7 164 1 10-40 |
1.2 Определение
динамических характеристик
С точки зрения регулирования давления пара в деаэраторе обладает свойствами самовыравнивания, поэтому его динамические свойства описываются передаточной функцией :
Wоб ,
где Коб, Та, τ – динамические характеристики объекта;
Коб – коэффициент усиления объекта, ;
Та – постоянная времени объекта, с;
τ – время запаздывания, с;
с учётом исходных данных подставляем в передаточную функцию :
Wоб
2 Обоснование
выбранной схемы
2.1 Общие положения
Функциональные схемы являются основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управление и регулирование технологического процесса и оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации.
Технологическое оборудование и коммуникации при разработке функциональных схем должны изображаться, как правило, упрощённо, без указания отдельных технологических аппаратов и трубопроводов вспомогательного назначения. Однако изображённая таким образом технологическая схема должна давать ясное представление о принципе её работы и взаимодействии со средствами автоматизации.
Технологические коммуникации и трубопроводы жидкости и газа изображают условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 2.784 – 70.
Детали трубопроводов, арматура, теплотехнические и санитарно-технические устройства и аппаратура показываются условными обозначениями по ГОСТ 2.285 – 70.
Приборы, средства автоматизации и элементы вычислительной техники на функциональных схемах показывают в соответствии с ГОСТ 21.404 – 85.
2.2 Обоснование схемы регулирования
Регулирование давления пара в деаэраторах необходимо для обеспечения нормальной деаэрации питательной воды и правильного режима питательных насосов и осуществляется путём подачи пара в головку деаэратора через дроссельный регулирующий клапан. При этом вода нагревается до температуры насыщения и растворенные в ней газы переходят в пар, удаляемый в выпар деаэратора (деаэрация).
Пар на деаэратор подается из отбора турбины, давление в котором при номинальной мощности превышает давление в деаэраторе не менее чем на 40-50% (т. е. при давлении в деаэраторе 0,6 МПа номинальное давление в отборе должно быть не менее 0,8 МПа). Так как давление в отборах турбины пропорционально её мощности, при снижении мощности до 50-70% номинальной давление в отборе становится недостаточным для питания деаэратора и пар начинает подаваться из другого источника. В качестве такого источника может быть использована магистраль собственных нужд 0,9 или 1,2 МПа.
На рисунке 1 представлена структурная схема регулятора.
из отбора турбины в деаэратор
Рисунок 1 – структурная схема регулятора давления
П-ПР – первичный преобразователь, предназначен для измерения регулируемой величины и преобразования её в электрический сигнал.
ЗУ – задающее устройство, формирует заданное значение регулируемого параметра.
Р.уст. – регулирующее устройство, формирует сигнал отклонения регулируемого параметра от заданного значения и закон регулирования.
БУ – блок управления, предназначен для переключения режимов с автоматического на ручной и управления параметрами в ручном режиме.
УС – усилитель сигнала, предназначен для усиления сигнала регулятора до величины необходимой для запуска двигателя исполнительного механизма.
ИМ – исполнительный механизм, преобразует электрический сигнал регулятора в перестановочное усилие штока регулирующего органа.
УП – указатель положения, показывает перемещение штока регулирующего органа.
На основании структурной схемы составляем функциональную схему регулятора давления рисунок 2.
3 Выбор аппаратуры автоматического регулирования
3.1 Общая ГСП
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) создана с целью обеспечения техническими средствами систем контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях.
В настоящее время ГСП представляет собой эксплуатационно, информационно, энергетически, метрологически и конструктивно организованную совокупность изделий, предназначенных для использования в качестве средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования технологических процессов, а также информационно-измерительных систем. ГСП стала технической базой для создания автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и производством (АСУП) в промышленности. Ее развитие и применение способствовали формализации процесса проектирования АСУ ТП и переходу к машинному проектированию.
В основу создания и совершенствования ГСП положены следующие системотехнические принципы: типизация и минимизация многообразия функций автоматического контроля, регулирования и управления; минимизация номенклатуры технических средств; блочно-модульное построение приборов и устройств; агрегатное построение систем управления на базе унифицированных приборов и устройств; совместимость приборов и устройств.
По функциональному признаку все изделия ГСП разделены на следующие четыре группы устройств: получения информации о состоянии процесса или объекта; приема, преобразования и передачи информации по каналам связи; преобразования, хранения и обработки информации, формирования команд управления; использования командной информации.
3.2 Выбор средств регулирования
Выбор первичного преобразователя давления.
Преобразователи давления обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра – давления избыточного , разряжения, давления-разряжения, разности давлений , гидростатического давления , уровня в стандартный токовый выходной сигнал (0-5 мА, 4-20 мА, 0-20 мА) дистанционной передачи.
Первичный преобразователь
давления выбираем по каталогу в интернете
. По подходящим нам конфигурациям , выбираем
преобразователь давления типа Метран-22-ДИ-АС-1
модель 2150. Метран-22-ДИ-2150-АС-1-02-МП1-
Также альтернативными вариантами могут быть преобразователи давления типа Сапфир, Аир и многие другие.
В данной курсовом проекте в качестве регулирующего устройства представлен комплекс ПАССАТ.
Комплекс ПАССАТ предназначен для построения и модернизации автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на энергоблоках атомных станций и других промышленных объектах. Представляет собой набор унифицированных программно-аппаратных средств (своеобразный конструктор LEGO), из которых могут компоноваться различные по архитектуре и уровню сложности заказные системы.
Полностью российская разработка, изначально ориентированная на применение на объектах атомной энергетики и выполненная в соответствии со стандартами, нормами и правилами, действующими в данной области. Современная цифровая система, реализованная с использованием прогрессивных технологий на современной элементной базе.
Изначально комплекс ПАССАТ создавался как российская альтернатива зарубежным программно-техническим комплексам аналогичного назначения, в первую очередь комплексам Teleperm XP/XS фирмы Siemens. При этом ставилась задача не тупо скопировать прототип, а создать совершенно новый продукт, имеющий существенные, дающие пользователю реальные преимущества отличия от аналогов (не только фирмы Siemens, но и других производителей).
Выбор блока управления.
В качестве блока управления в данном курсовом проекте выбираем БУ-21.
Блоки управления БУ-21, управления релейных регуляторов, служат для установки в схемах регулирования всевозможных параметров автоматическим способом, в качестве управляющих блоков, а также они представляют собой вспомогательные устройства к различным регулирующим аппаратам и приборам. Стандартное исполнение блоков регулируется ТУ 25.02.1685-74. Изделия на экспорт производят соответственно ТУ 25.02.ЭД1.1685-77.
Устройства предназначены для работы в определённых режимах:
-для переключения в ручном режиме функции управления нагрузками релейного блока регулирования с автоматического режима «А» на ручное управление «Р» или на внешнее положение «В».
-для коммутации (соединения) цепей управления ручным способом.
Особенности устройства :
-переключение цепей с автоматического режима на ручной вид управления цепями нагрузки релейных регуляторов, или от внешних аппаратов, приборов, фиксирование которых производится при помощи переключателя галетного типа;
-управление вручную при помощи кнопочных переключателей в режиме «больше/меньше» с возможностью самовозврата;
-световая сигнализация показателей напряжения при постоянном и переменном токе при его величине не более 35 В осуществляют при помощи двух светодиодов, оснащённых кнопкой индикации с маркировкой «И»;
-электроблокировка от возможности включения одновременно переключателей в положениях «больше/меньше»;
-возможность подключения посредством штепсельного разъёма.
Технические данные :
-устройство типа БУ-21 рассчитаны для эксплуатации во взрывобезопасных помещениях закрытого типа, при отсутствии в воздухе агрессивных веществ азов и примесей при определённых условиях работы:
-рабочая постоянная температура воздуха помещений в диапазоне от 5°С до 50°C;
-предельное значение относительной влажности воздуха до 80% при температуре до 35°С и возможность эксплуатации без конденсации влаги при более низкой температуре;
-значения атмосферного давления колеблются в пределах 84 кПа до 106,7 кПа;
-допустимые предельные значения электрических нагрузок переключателей управления и кнопочных переключателей – напряжения (20 В - 300 В), тока (0,033 А - 0,6 А), разрывной мощности (не более 25 ВА).
-полное отсутствие агрессивных и взрывоопасных компонентов в окружающем воздухе;
-щитовой монтаж утопленного исполнения.
Выбор задающего устройства.
В качестве задающего устройства выбираем ЗУ 50.
ЗУ 50 - предназначен для применения в схемах автоматического регулирования различных технологических процессов в качестве выносного токового задатчика, как вспомогательный блок к регулирующим приборам, в том числе и к микропроцессорным. Возможности задающего устройства с цифровой индикацией ЗУ 50: цифровая индикация выходного сигнала постоянного тока, дистанционное введение информации о заданном значении регулируемой величины в виде изменения аналогового унифицированного сигнала постоянного тока.
Выбор исполнительного механизма и пускового устройства.
Исполнительные механизмы являются приводной частью регулирующего органа (клапан, задвижка, заслонка ) и предназначены для его перемещения. В зависимости от используемой энергии исполнительные механизмы подразделяются на следующие виды: пневматические, гидравлические, электрические.
Наибольшее распространение при автоматизации объектов теплоэнергетики получили электрические исполнительные механизмы. В их состав входит электропривод (электродвигатель и редуктор), блок сигнализации положения и штурвал. Штурвал предназначен для ручного перемещения выходного вала исполнительного механизма. Блок сигнализации состоит из блока концевых выключателей и датчика положения. Концевые выключатели позволяют отключать электродвигатель при достижении крайних положений выходного вала исполнительного механизма. В зависимости от назначения исполнительные механизмы комплектуются различными датчиками положения: индуктивным, реостатным (диапазон 0-120 Ом), токовым (0-5 мА или 4-20 мА, или 0-20 мА). Электрические исполнительные механизмы имеют следующие типы: механизмы электрические однооборотные (МЭО), механизмы электрические однооборотные фланцевые (МЭОФ), механизмы прямоходные постоянной скорости (МЭП), механизмы прямоходные кривошипные переменной скорости (МЭПК). Выбор необходимого типа исполнительного механизма в первую очередь определяется типом запорной арматуры. Так как у нас регулирующим органом является задвижка, то выбираем МЭОФ.
В качестве пускового устройства можно выбрать пускатель бесконтактный реверсивный типа ПБР-3А, ПБР-2М или ПБР-2М1 либо усилитель тиристорный трехпозиционный типа ФЦ-0610, ФЦ-0620, ФЦ-0650, в данном курсовом проекте мы выберем ФЦ-0610.
Функциональные возможности ФЦ-0610:
- защита асинхронного электродвигателя
с короткозамкнутым ротором от перегрузки;
- торможение вала электродвигателя во
время снятия входного сигнала;
- сигнализацию в случае исчезновения
напряжения питания или несоответствии
входных или выходных сигналов.
- пуск и реверс синхронного или асинхронного
электродвигателя, а также торможение
и защита от перегрузки асинхронного
электродвигателя и сигнализация для
оповещения об отказе.
- установки защиты и длительности торможения
- регулируемые.
Выбор указателя положения.
Для курсового проекта мы выбираем блок указателей В-12.
Блок конструктивно выполнен в едином корпусе. На лицевую панель блока вынесены показывающие измерительные приборы.
Внешние электрические соединения производятся при помощи штепсельного разъема типа 2РМ18 или ОНЦ-РГ-09.
Основные технические данные:
Блок предназначен для визуального контроля токового сигнала (0-5) mA и сигнала рассогласования на входе регулирующих блоков.
Условия эксплуатации блока:
- температура окружающего воздуха от 5 до 50 °С;
- относительная влажность окружающего воздуха от 30 до 80 %;
- атмосферное давление от 83 до 105 kРа;
- отсутствие в окружающем
воздухе паров и примесей
В зависимости от монтажа на горизонтальной или вертикальной плоскости
блоки имеют исполнения:
- горизонтальное (шифр 001);
- вертикальное (шифр 101).
Диапазон изменения
контролируемого сигнала
Диапазон изменения контролируемого сигнала рассогласования при входном сопротивлении регулирующих блоков 500 Ω и изменении сигнала на входе регулирующих блоков в диапазоне (0-5) mA - ±25 %.
Основная погрешность указателя токового сигнала от верхнего предела измерения – не более 4 %.
Внутреннее сопротивление указателя токового сигнала – не более 80 Ω.
Основная погрешность указателя сигнала рассогласования от полного диапазона изменения входного сигнала регулирующих блоков – не более 4 %.
Внутреннее сопротивление указателя сигнала рассогласования - не менее 10 kΩ.
Габаритные размеры блока – (60±1) х (80±1) х (155±5) mm.
Масса блока – не более 0,35 kg.
Полный средний срок службы, лет – 8.
Средняя наработка на отказ, h - 25000.
На основании функциональной схемы и выбранных технических средств автоматизации составляем заказную спецификацию приборов и средств автоматизации .
5 Расчетная часть
5.1 Выбор закона регулирования. Расчёт параметров настройки регулятора
Для регулирования уровня можно выбрать П, ПИ, ПИД – законы.
П – закон. Статический, за счет жёсткой обратной связи обеспечивает необходимую устойчивость переходного процесса, прост в обслуживании, настройке и конструкции. Выходная мощность прямо пропорциональна ошибке регулирования. Чем больше коэффициент пропорциональности, тем меньше выходная мощность при одной и той же ошибке регулирования.
ПИ – закон. Является астатическим, обеспечивает необходимую или высокую заданную точность поддержания параметра. Выходная мощность равна сумме пропорциональной и интегральной составляющих, обеспечивает нулевую ошибку регулирования и нечувствителен к помехам измерительного канала. Недостатком ПИ регулятора является медленная реакция на возмущающее воздействие.
ПИД – закон. Астатический, обеспечивает очень высокую точностьподдержания параметра, но сложен в обслуживании и, особенно, в настройке.
Выходная мощность равна сумме трех составляющих: пропорциональной, интегральной и дифференциальной. ПИД - регулятор применяется в инерционных системах с относительно малым уровнем помех измерительного канала.
Для регулирования давления необходима высокая точность поддержания параметра, поэтому оптимальным решением будет выбор ПИ–закона регулирования, т.к. у него переходный процесс не слишком длительный по времени, и при этом не имеет статической ошибки.
Передаточная функция ПИ – регулятора имеет вид:
Wp(p) = Kp + ,
где Кр, Тu – параметры настройки регулятора;
Кр – коэффициент усиления;
Тu – постоянная времени интегрирования;
рассчитываем параметры настройки
регулятора методом ВТИ:
= = 0,4
Kp = · = 14,8
Tu = 0,8 · T
Tu = 0,8 · 15 = 12
Таким образом, передаточная функция регулятора:
Wp(p) = 14,8 +
5.2 Расчёт АСР на устойчивость
Способность системы восстанавливать состояние равновесия из которого она была выведена под влиянием тех или иных воздействий называется устойчивостью. Устойчивость – это важнейшие условие работоспособности АСР. Если система не способна восстанавливать равновесие, нарушенное в процессе работы, то она не пригодна для практического использования.
Проверяем систему на устойчивость в данном случае по критерию Найквиста, т.к. система замкнута и имеет запаздывание, а этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой системы по КЧХ разомкнутой. Также можно исследовать систему с запаздыванием, что в данном случае необходимо. Замкнутая АСР считается устойчивой, если КЧХ разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1;i0).
Так как по критерию Найквиста рассматривается разомкнутая система, т.е. последовательное соединение звеньев, то их передаточные функции нужно перемножить.
Wр.с(р) = Wоб(р) · Wр(р)
Wр.с(р)=
Рассмотрим систему без запаздывания:
Wр.с(р)=
Для последующего расчета оператор Лапласа Р следует заменить на iw:
Wрс(iw)
=
Выделяем мнимую и действительную части:
U(w) = ;
iV(w)=
Задаемся различными значениями частот и рассчитываем действительную и мнимую части (таблица 5.1).По данным таблицы 5.1 строим график КЧХ без запаздывания (рисунок 5.1), для учета запаздывания, каждую амплитуду поворачиваем по часовой стрелке на угол γ, который рассчитывается по формуле:
γ = τ·ω·57
0 |
0,05 |
0,1 |
0,25 |
0,5 |
1 |
∞ | |
U(w) |
-∞ |
-0,2 |
-0,1 |
-0,02 |
-0,005 |
-0,001 |
0 |
iV(w) |
-∞ |
-1,84 |
-0,85 |
-0,32 |
-0,16 |
-0,07 |
0 |
γ |
0 |
17,1 |
34,2 |
85,5 |
171 |
342 |
∞ |
Таблица 5.1 – Таблица расчётов
Вывод: Система устойчива, т.к. из графика видно, что КЧХ системы не охватывает точку с координатами (-1;i0).
5.3 Расчёт регулирующего органа
Регулирующий орган – устройство изменяющее расход вещества с целью изменения параметра. Расчёт регулирующего органа сводится к расчёту условного диаметра и построения конструктивной характеристики