Автоматизация процесса подогрева воды на участке гашения извести цеха №38 АВИСМА филиал ОАО «Корпорации ВСМПО-АВИСМА»

Передаточная функция  ПИ-регулятора имеет вид:

                                                          (9)

где - время интегрирования, которая определяется по формуле:

                                                                        (10)

 

10. Расчет каскадной системы регулирования

Рисунок № 9 Структурная схема каскадной системы автоматического регулирования

 – передаточная функция основного канала;

 – передаточная функция внутреннего канала;

 – передаточная функция ведомого регулятора;

 – передаточная функция ведущего регулятора;

 – заданное значение температуры;

 –  выходная величина объекта регулирования (температура воды на выходе из АПГ);

 – вспомогательная величина объекта регулирования (расход природного газа);

 – управляющее воздействие, приложенное к подаче топлива.

Передаточная функция  по внутреннему каналу:

                                                                     (11)

С помощью программы «LinregTV», используя метод Ротача В.Я., определяем оптимальные настройки стабилизирующего ПИ-регулятора и его передаточную функцию для внутреннего канала .

В результате расчета  получили следующие данные:

1. коэффициент пропорциональности нормированный
2. коэффициент пропорциональности абсолютный
3. время изодрома
4. время дифференцирования
5. критическая частота

Передаточная функция  ПИ-регулятора имеет вид:

                           (12)

где - время интегрирования, которая определяется по формуле (10):

 

Для дальнейших расчетов необходимо определить инерционность внутреннего контура относительно основного контура. Для этого сравниваем нормированную кривую разгона по основному каналу   и переходной процесс внутреннего канала по возмущению h(t), который построим по передаточной функции и полученным настройкам регулятора в программе «LinregTV».

Рисунок № 10 Графики нормированной кривой разгона по основному каналу  и переходного процесса внутреннего канала по возмущению

Из рисунка № 10 видно, что инерционность внутреннего контура значительно ненамного меньше инерционности нормированной  кривой разгона, тогда передаточную функцию эквивалентного регулируемого участка для регулирования регулятора может быть найдена из следующей формулы:

                                                                                (13)

В результате расчета  получаем:

С помощью программы «LinregTV» используя метод Циглера-Никольса, определяем оптимальные настройки корректирующего ПИД-регулятора и его передаточную функцию для эквивалентного объекта .

В результате расчета  получили следующие данные:

1. коэффициент пропорциональности нормированный
2. коэффициент пропорциональности абсолютный

3. время изодрома
4. время дифференцирования
5. критическая частота

Передаточная функция  ПИД-регулятора имеет вид:

                                  (14)

По формуле (10) рассчитаем время интегрирования:

По формуле (15) рассчитаем время дифференцирования:

                                                                                                (15)

11. Моделирование  и получение динамических характеристик  систем автоматического регулирования

Для моделирования переходных процессов в рассчитанных системах автоматического регулирования  будем использовать программу «MATLAB».

Построим переходные процессы по заданию и возмущению одноконтурной системы автоматического регулирования (рисунок №12, №14), каскадной системы автоматического регулирования (рисунок №20, №22) и переходные процессы во внутреннем контуре каскадной системы регулирования (рисунок №16, №18). Структурные схемы систем автоматического регулирования изображены на рисунках №№ 11, 13, 15, 17, 19, 21.

12. Сравнение  динамических характеристик систем  автоматического регулирования

Сравнение динамических характеристик систем автоматического  регулирования будем производить  по прямым показателям качества, которые показывают насколько точно и как быстро в системе устанавливается равновесие после нанесения ступенчатого возмущения.

1. Статическая ошибка регулирования определяется по формуле:                                                                                    (16)
2. Динамическая ошибка регулирования определяется по формуле:                                                                                   (17)
3. Время регулирования – это время в течении которого регулируемая величина достигает нового установившегося значения с заданной точностью

                                                                                          (18)

4. Перерегулирование

                                                                               (19)

5. Степень затухания

                                                                                          (20)

Полученные результаты сведем в таблицу № 7:

Прямые показатели качества одноконтурной и каскадной систем регулирования

Таблица №7

Тип системы регулирования	По заданию					По возмущению
	Статическая ошибка	Динамическая ошибка	Время регулирования	Перерегулирование, %	Степень затухания, %	Статическая ошибка	Динамическая ошибка	Время регулирования	Перерегулирование, %	Степень затухания, %
Одноконтурная	0	0,33	760	67	92,4	0	0,326	1100	—	94,5
Каскадная	0	0,38	450	62	88,7	0	0,0022	800	—	45,4

Качество регулирования считается  выше, если  меньше время регулирования, динамическая и статическая ошибки. По таблице №7 видим, что каскадная система регулирования обладает меньшим временем регулирования, намного меньшей динамической характеристикой по возмущению и незначительно большей динамической характеристикой по заданию, чем одноконтурная система. Статическая ошибка в обеих системах регулирования равна нулю. Поэтому для автоматического регулирования температуры воды на выходе из аппарата погружного горения будем использовать каскадную систему регулирования.

 

13. Реализация рассчитанной системы автоматизации. Выбор технических средств автоматизации. Выбор и разработка программных средств.

 

Реализацию рассчитанной системы автоматического регулирования  будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300». Программируемый контроллер «S7» состоит из источника питания, CPU и модулей ввода и вывода. В программном обеспечении STEP 7 имеется три языка программирования список операторов - STL, функциональный план - FBD, контактный план - LAD.  Можно спокойно переходить от одного языка программирования к другому, подбирая наиболее подходящий язык для конкретного блока, который необходимо программировать.

Выбор технических средств  автоматизации.

Измерение расхода природного газа будем осуществлять по методу переменного перепада давления, так как он наиболее простой и дешевый. Для создания перепада давлений будем использовать  сужающее устройство в виде камерной диафрагмы ДКС 0,6 – 80 – 1 –А/Г с материалом диска  диафрагмы 12Х17. В качестве первичного преобразователя будем использовать датчик переменного перепада давлений «Метран – 100 -  ДД» с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА, который обеспечивает искробезопасную цепь, а так же обладают возможностью контролировать текущее значение измеряемого параметра по месту (по жидкокристаллическому дисплею датчика), что необходимо для управления газоопасным и взрывоопасным объектом.

Для регулирования расхода  природного газа будем использовать шаровой кран КВО с электроприводом фирмы AUMA - ASR 12. Электроприводы типов ASR 12 можно комбинировать с различными системами управления. От простого управления ОТКРЫТЬ-ЗАКРЫТЬ до микро управляемой версии с фиксированием рабочих данных или цифрового интерфейса. AUMA приводы типа ASR управляются от узла управления VARIOMATIC MC. Узел управления монтируется непосредственно на приводе. В узел управления AUMA VARIOMATIC MC входят следующие составные части:

• блок питания (AUMA VARIOMATIC блок питания);
• силовая электроника для управления двигателем;
• интерфейсная плата;
• плата микроконтроллера;
• плата сигнализации и обслуживания пульт местного управления, ключ-селектор.

Входной сигнал 4 – 20 мА. Сигнал положения от привода 4 – 20 мА на вход VARIOMATIC MC. Выходной сигнал на «SIMATIC S7-300» 4 – 20 мА.

Для измерения температуры будем использовать ТСМУ 205 Ех с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА. Номинальная статическая характеристика – 50М. Пределы измерения от 0 до +180 градусов.

Реализацию рассчитанной каскадной системы автоматического  регулирования будем осуществлять с помощью программируемого контроллера «SIMATIC S7-300» для программирования которого применяется пакет STEP 7.

Контроллер  «SIMATIC S7-300» состоит из:

1. блок питания PS 307 2A;
2. процессор CPU 313C включающий в себя 5 аналоговых входов и 2 аналогового выхода, 18 дискретных входов и 16 дискретных выходов;
3. панель оператора SIMATIC OP 170B;

Выбор и разработка программных  средств. Для реализации рассчитанной системы регулирования используем программное обеспечение STEP 7. Для этого сначала в программу S7 вставляем системный функциональный блок SFB с блоком данных DB. SFB находятся в стандартной библиотеке (Standard Library) в разделе "System Function Blocks [Системные функциональные блоки]".

1. Запустим экранные формы для параметризации с помощью SIMATIC /STEP7 / Configure PID Control [Параметризация PID-регулятора]
2. Откроем PID-Controll с помощью команды меню File > Open [Файл >Открыть] свой проект и выберем свой блоком данных DB.
3. Установимте свои параметры.
4. Сохраним эти параметры (находятся в блоком данных DB) и загрузим программу в свои CPU.

SFB "CONT_C" (continuous controller [непрерывный регулятор]) служит для управления техническими процессами с непрерывными входными и выходными величинами в системах автоматизации SIMATIC S7.

Этот регулятор можно  использовать отдельно как стабилизирующий PID-регулятор или в многоконтурных системах управления в качестве каскадного регулятора, для регулирования состава смеси или соотношения. Принцип действия основан на алгоритме ПИД-регулирования дискретного регулятора с аналоговым выходным сигналом, дополненного в случае необходимости формирователем импульсов для формирования широтно-импульсных выходных сигналов для двух- или трехпозиционных систем регулирования с пропорциональными исполнительными устройствами.

Наряду с функциями  в ветвях задающего и фактического значений этот SFB реализует готовый ПИД-регулятор с непрерывным выводом управляющего воздействия и возможностью ручного управления.

Ветвь задающего значения. Задающее значение вводится на входе SP_INT в формате с плавающей точкой.

 Ветвь фактического значения. Фактическое значение может считываться в периферийном формате и в формате с плавающей точкой. Функция CRP_IN преобразует периферийное значение PV_PER в формат с плавающей точкой от -100 до +100 % по следующей формуле:

Выход                                                          (21)

Функция PV_NORM нормирует  выход CRP_IN по следующей формуле:

Выход ,              (22)