Курсовая работа (т): Разработка системы автоматического регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды

Подключения датчика с измерительным блоком осуществляется с помощью двух кабелей: коаксиального и медного четырёхпроводного , соединяющих разъёмы, с соответствующими разъёмами электронного блока.

Измерительный pH-электрод подключен к измерительной коробке с помощью коаксиального разъёма. Провода термокомпенсатора подключены к двум клеммам соединительной коробки. Электрод сравнения соединяется с клеммой коробки специальным проводом, имеющимся в комплекте гидравлического блока. Таким же проводом производится соединение заземляющего электрода с определённой клеммой блока.

Подключение измерительного блока pH-метра к контроллеру производится по двухпроводной схеме.

.3.5 Требования к устройствам контроля и управления

Сформулируем требования к промышленному контроллеру, который предлагается использовать для управления процессом в части реализации САР кислотно-щелочного баланса питательной воды. Требования к промышленному контроллеру представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Требования к промышленному контроллеру

Таблица 1.5 - продолжение

Поскольку контроллер устанавливается в шкаф в отапливаемом помещении, к его степени защиты от воздействия твердых частиц (пыли) и влаги, а также температурному диапазону эксплуатации не предъявляется решающих требований.

Поскольку на базе контроллера планируется развертывание системы диспетчерского управления на базе SCADA Trace Mode, требуется наличие в контроллере операционной системы Mini-OS7, DOS или Windows CE.

Для организации ввода-вывода данных потребуется один аналоговый вход (для подключения pH-метра) с унифицированным токовым сигналом 0…20 мА, два дискретных выхода для управления насосами дозаторами аммиака.

Обмен данными с АРМ оператора осуществляется по интерфейсу Ethernet и протоколу Modbus TCP (TCP/IP).

2. Расчет системы автоматического управления

.1 Разработка структурной и функциональной схемы системы автоматизации

Регулирование кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе теплоэнергоцентрали осуществляется изменением подачи аммиака в трубопровод, который в свою очередь зависит от работы насоса дозатора.

В состав системы регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе входят: ПЧ- преобразователь частоты, ЭД- электродвигатель обеспечивающий работу насоса, Н- насос регулирующий подачу аммиака, Т- трубопровод.

Рассмотрим параметры процесса для конкретного технологического режима. Параметры приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры технологического режима

Таким образом, функциональную схему объекта управления можно представить как показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема объекта управления

Выходным сигналом преобразователя частоты является напряжение подаваемое на электродвигатель, пропорциональное амплитуде управляющего сигнала (u): максимальному уровню управляющего сигнала 10В (входное значение) соответствует напряжение (Gs) 380В.

Выходной координатой электродвигателя, приводящего в движение насос (H), является фактическая угловая скорость (Gp).

Выходной координатой насоса является массовый расход (Gr) аммиака, пропорциональный угловой скорости вращения электродвигателя (Gp).

Выходной координатой трубопровода является кислотно-щелочной баланс питательной воды, зависящий от расхода аммиака подаваемого в трубопровод (Gr).

Поскольку преобразователь частоты представляет собой, по сути, вычислительное устройство, предназначенное для формирования подачи напряжения на электродвигатель в зависимости от входного сигнала управления, он может быть описан как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида W(пч)=.

Произведем расчет параметров передаточной функции преобразователя частоты. Коэффициент передачи (передаточную функцию) определим по формуле (2.1)

, (2.1)

где Gs - заданное напряжение в вольтах, u - управляющий сигнал (напряжение);

Тпч= 0,0001 (величина обратная дискретизации преобразователя частоты).

Передаточную функцию электродвигателя, приводящего в движение насос, можно представить в виде апериодического звена второго порядка (2.2)

, (2.2)

где - коэффициент угловой скорости;

 - механическая постоянная времени элемента;

Tм- электрическая постоянная времени.

Произведём расчёт параметров передаточной функции электродвигателя. Коэффициент передачи сигнала определим по формуле (2.3):

, (2.3)

где G - угловая скорость, Gs - напряжение питания.

Постоянные времени электродвигателя определим как Тм=0,6;Тэ=0,0004.

Тогда передаточная функция электродвигателя, приводящего в движение насос (2.4)

, (2.4)

Передаточную функцию насоса представим как апериодическое звено второго порядка с передаточной функцией вида (2.5):

, (2.5)

где e-ts - коэффициент передачи объекта, t- постоянная времени объекта.

Рассчитаем параметры передаточной функции насоса. Коэффициент передачи определим по формуле (2.6)

, (2.6)

где Gr - угловая скорость электродвигателя, а Gp - расход аммиака.

Постоянную времени насоса определим как t =.

Тогда передаточная функция насоса, подающего аммиак в трубопровод будет иметь вид (2.7)

, (2.7)

Передаточную функцию трубопровода представим как апериодическое звено первого порядка с передаточной функцией вида (2.8):

, (2.8)

Коэффициент передачи определим по формуле (2.9)

, (2.9)

где pH - показатель кислотно-щелочного баланса воды, а Gr - изменение расхода аммиака в трубопровод.

Постоянную времени трубопровода T=20с определим как максимальное время выхода на установившееся значение, соответствующее заданию. В результате получим передаточную функцию трубопровода (2.10)

 (2.10)

На основании функциональной схемы (рисунок 2.1) построим структурную схему (рисунок 2.2), содержащую все функциональные элементы системы регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе.

Рисунок 2.2 - Структурная схема объекта управления

На основании структурной схемы разработаем модель в приложении Siumulink пакета MatLab (рисунок 2.3) и произведем ее исследование.

Рисунок 2.3 - Модель разомкнутой системы в MatLab

Графики переходных процессов элементов системы показаны на рисунках 2.4-2.6.

ω, рад/с

t, c

Рисунок 2.4 - Переходный процесс по развитию двигателем угловой скорости

F, м3/ч

t, c

Рисунок 2.5 - Переходный процесс по расходу аммиака

H

t, c

Рисунок 2.6 - Переходный процесс по регулированию кислотно-щелочного баланса

По графикам переходных процессов (рисунок 2.4-2.6) можно сделать вывод о том, что все параметры технологического процесса и полученная нами модель не эквивалентны объекту автоматизации и его технологическим режимам. В работе видны отклонения расхода аммиака, а соответственно и показателя кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе, т.е. система нуждается в регуляторах, обеспечивающих стабилизацию технологических параметров в соответствии с заданием.

2.2 Описание методики и расчет параметров настройки регулятора

В состав системы регулирования входят три контура:

−          контур регулирования развития угловой скорости электродвигателем;

−          контур регулирования расхода аммиака;

−          контур регулирования кислотно-щелочного баланса питательной воды в трубопроводе.

Как показывает практика построения систем автоматического регулирования, для систем, содержащих несколько контуров регулирования, целесообразно применение подчиненного регулирования координат.

Применение подчиненного регулирования координат в рассматриваемом случае позволит повысить надежность, системы, поскольку при разрыве внутреннего контура, например, вследствие обрыва кабель-трассы датчика, регулятор внешнего контура сыграет роль компенсатора и не позволит переходному процессу выйти из-под контроля. Кроме того, применение каскадного регулирования улучшает динамические показатели системы за счет превентивной отработки возмущений по развитию скорости электродвигателем, не допуская влияния их на показатель кислотно-щелочного баланса.

Проведём синтез регуляторов с подчиненным регулированием координат, и будем настраивать контуры регулирования на желаемый вид апериодического звена. При настройке на апериодическое звено перерегулирование должно отсутствовать.

Предварительно определим значения коэффициентов перегрузки, учитывая данные по номинальных и максимальным значениям выходных координат контуров, представленным в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Коэффициенты перегрузки и данные для их расчета

Контур регулирования угловой скорости включает в себя частотный преобразователь и электродвигатель. Выходной координатой у этого контура является угловая скорость в рад/с.

Номинальное задающее напряжение равно (2.10)

 (2.10)

Произведём расчет регулятора для контура угловой скорости электродвигателя. Схема контура регулирования угловой скорости показана на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Схема контура регулирования угловой скорости

Коэффициент обратной связи контура регулирования угловой скорости (2.11):

 (2.11)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования угловой скорости равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (2.12)

 (2.12)

, (2.13)

 (2.14)

 (2.15)

 (2.16)

Исходя из формулы (2.12) находим передаточную функцию регулятора для этого контура регулирования (2.17)

 (2.17)

Производим расчёт замкнутого контура, по формуле (2.18)

= (2.18)

Проведённый опыт в приложении Siumulink пакета MatLab имеет вид (рисунок 2.8)

Рисунок 2.8- Переходный процесс по контуру регулирования угловой скорости

Рассчитаем регулятор для контура регулирования расхода аммиака. Данный контур включает в себя преобразователь частоты, электродвигатель, насос дозатор аммиака. Выходной координатой контура является расход аммиака.

Номинальное задающее напряжение равно (2.19)

 (2.19)

Схема контура регулирования расхода аммиака показана на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Схема контура регулирования расхода аммиака

Коэффициент обратной связи контура регулирования расхода аммиака равен (2.20):

 (2.20)

Передаточная функция регулятора для контура регулирования расхода аммиака равна отношению желаемой передаточной функции к исходной передаточной функции контура (2.21):

 (2.21)

, (2.22)

 (2.23)

 (2.24)