Проектирование систем автоматизации трубопровода газа

1. ВВЕДЕНИЕ
Тема данной курсовой работы «Проектирование систем автоматизации
трубопровода газа».
Под автоматизацией понимают применение методов и средств
автоматизации для управления производственными процессами.
Управление производственными процессами - это целенаправленное
воздействие на этот процесс который обеспечивает оптимальный или
заданный режим его работы.
Автоматизация производства - это этап машинного производства
характеризуемый освобождение человека от непосредственного выполнения
функций управления производственными процессами и передачей этих
функций автоматическим устройствам.
Автоматизация приводит к улучшению основных показателей
эффективности производства, к увеличению количества, к улучшению
качества, к снижению себестоимости выкупаемой продукции, к повышению
производительности труда, к сокращению брака и отходов, к уменьшению
затрат на сырье и энергию, к уменьшение численности основных рабочих, к
без аварийной работе оборудования, к предупреждению загрязнения
атмосферного воздуха и загрязнению воды промышленными отходами,
исключает случаи травматизма.
Котлы стальные паровые водотрубные предназначены для получения
перегретого пара используемого на технологические нужды предприятий
различных отраслей, для теплоснабжения систем отопления, вентиляции,
горячего водоснабжения объектов промышленного и бытового назначения,
атак же при работе на паровую турбину получения электрической энергии.
Целью данной работы является разработка функциональных и
принципиальных схем, проектирование систем автоматического
регулирования.
Из цели определяются задачи, которые необходимо решить, в ходе
выполнения работы:
1.Описать технологический процесс парового котла.
2.Выбрать регулируемые величины, приборы и средства автоматизации.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
2.ОБЩАЯ ЧАСТЬ
2.1. Описание технологического процесса
Паровым котлом называется комплекс агрегатов, предназначенных для
получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных
устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от
продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии,
наличие которого необходимо для образования пар из воды, служит топливо.
В качестве топлива для котельных установок используют угли, торф,
сланцы, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут – эффективные
источники тепловой энергии. При их применении упрощаются конструкция и
компоновка котельных установок, повышается их экономичность,
сокращаются затраты на эксплуатацию.
К основным элементам котельной относятся:
– котлы, заполняемые водой и обогреваемые теплом от сжигания;
– топки, в которых сжигают топливо и получают нагретые до высоких
температур дымовые газы;
– газоходы, по которым перемещаются дымовые газы и, соприкасаясь со
стенками котла, отдают последним свою теплоту;
– дымовые трубы, с помощью которых дымовые газы перемещаются по
газоходам, а затем после охлаждения удаляются в атмосферу.
Котел – это теплообменное устройство, в котором теплота от горячих
продуктов сгорания топлива передается воде. В результате этого в паровых
котлах вода превращается в пар, а в водогрейных котлах нагревается до
требуемой температуры.
Топочное устройство служит для сжигания топлива и превращение его
химической энергии в теплоту нагретых газов. Питательные устройства
(насосы, инжекторы) предназначены для подачи воды в котел.
Без перечисленных элементов не может работать даже самая простая
котельная установка.
К вспомогательным элементам котельной относят:
– устройства топливоотдачи и пылеприготовления;
– золоуловители, применяемые при сжигании твердых видов топлива и
предназначенные для очистки отходящих дымовых газов и улучшающих
состояние атмосферного воздуха вблизи котельной;
– дутьевые вентиляторы, необходимые для подачи воздуха в топку
котлов;
– дымососы-вентиляторы, способствующие усилению тяги и тем самым
уменьшению размеров дымовой трубы;
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
– питательные устройства (насосы), необходимые для подачи воды в
котлы;
– устройства по очистки питательной воды, предотвращающие
накипеобразование в котлах и их коррозию;
– водяной экономайзер служит для подогрева питательной воды до ее
поступления в котел;
– воздухоподогреватель предназначен для подогрева воздуха перед его
поступлением в топку горячими газами, покидающими котлоагрегат;
– приборы
теплового
контроля
и
средства
автоматизации,
обеспечивающие нормальную и бесперебойную работу всех звеньев
котельной.
Кроме того, в котельных, работающих на жидком топливе, имеется
мазутное хозяйство, а при сжигании газа – газорегуляторные станции.
Рисунок 1.1 – Схема котельной установки
На рисунке 1.1 приведена схема отопительной котельной установки с
водогрейными котлами (2). Котлы могут работать на жидком и газообразном
топливе, поэтому они оборудованы горелками и форсунками (6). Воздух,
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
необходимый для горения, подается в топку дутьевыми вентиляторами (5),
приводимыми в действие электродвигателями.
Вода в котел подается насосами (4), приводимыми в действие
электродвигателями. Пройдя через поверхность нагрева, вода нагревается и
поступает к потребителям, где отдает часть теплоты, и с пониженной
температурой снова возвращается в котел. Дымовые газы из котла удаляются
в атмосферу через трубу (1).
Эта котельная имеет компоновку полуоткрытого типа: нижняя часть
котлов (примерно до высоты 6 м) расположена в здании, а верхняя их часть –
на открытом воздухе. Внутри котельной размещают дутьевые вентиляторы,
насосы, а также щит управления. На перекрытии котельной устанавливают
деаэратор (3) для удаления кислорода и углекислого газа из воды.
Котельные установки могут быть либо основным элементом тепловой
электрической станции, либо выполнять самостоятельные функции.
Например, отопительные котельные установки служат для обеспечения
отопления
и
горячего
водоснабжения,
промышленные
–
для
технологического тепло- и пароснабжения и т. д.
В зависимости от назначения котельная установка состоит из парового
или водогрейного котла и соответствующего вспомогательного
оборудования, обеспечивающего его работу.
Паровой или водогрейный котел представляет собой устройство в виде
металлического сосуда, который обогревается продуктами сгорания топлива
и служит для получения горячей воды или пара. Основным элементам котла
является поверхность нагрева – поверхность металлических стенок,
омываемых с одной стороны горячими газами, а с другой – водой.
Поступающая в котельную установку питательная вода не догрета до
кипения. При прохождении по поверхностям нагрева котла она постепенно
нагревается до состояния насыщения, полностью испаряется, а полученный
пар перегревается до заданной температуры. В современных котлах
поверхность нагрева выполняется в виде труб, присоединенных к барабанам
и коллекторам.
По происходящим процессам преобразования рабочего тела различают
нагревательные, испарительные и пароперегревательные поверхности
нагрева. Теплота от продуктов сгорания может передаваться излучением
(радиацией) или конвекцией.
В результате сжигания топлива в топке образуются дымовые газы
высокой температуры. Эти газы проходят по газоходам котла, образуемым
перегородками, омывают пучки труб, по которым движется (циркулирует)
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
вода. В результате газы отдают воде часть своей теплоты и охлаждаются, а
вода нагревается.
В качестве нагревательных поверхностей нагрева применяют
экономайзеры – обогреваемые продуктами сгорания устройства,
предназначенные для подогрева (или для подогрева и частичного
парообразования) воды, поступившей в паровой котел. В соответствии с этим
различают экономайзеры некипящего или кипящего типа. Экономайзеры
располагают в зоне относительно невысоких температур в конвективной
опускной шахте; они являются конвективными поверхностями нагрева.
Испарительные поверхности преимущественно располагают в топке, где
развиваются наиболее высокие температуры, или в газоходе сразу за
топочной камерой.
Не смотря, на большие различия в устройстве во всех котлах по
существу протекают два одинаковых основных процесса: горение топлива с
образованием газов высокой температуры (продуктов сгорания) и передача
теплоты от этих газов воде.
3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3.1. Разработка функциональной схемы системы автоматизации
Схемы функциональные разъясняют определенные процессы,
протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в
целом. Этими схемами пользуются для изучения принципов работы изделия,
а также при их наладке, контроле, ремонте.
Функциональная схема по сравнению со структурной более подробно
раскрывает функции отдельных элементов и устройств.
Функциональные схемы являются основным техническим документом,
определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов
автоматического контроля, управления и регулирования технологического
процесса и оснащение объекта управления приборами и средствами
автоматизации (в том числе средствами телемеханики и вычислительной
техники).
Объектом управления в системах автоматизации технологических
процессов является совокупность основного и вспомогательного
оборудования вместе с встроенными в него запорными и регулирующими
органами, а также энергии, сырья и других материалов, определяемых
особенностями используемой технологии.
Задачи автоматизации решаются наиболее эффективно тогда, когда они
прорабатываются в процессе разработки технологического процесса.
В этот период нередко выявляется необходимость изменения
технологических схем с целью приспособления их к требованиям
автоматизации, установленным на основании технико-экономического
анализа.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
Создание эффективных систем автоматизации предопределяет
необходимость глубокого изучения технологического процесса не только
проектировщиками, но и специалистами монтажных, наладочных и
эксплуатационных организаций.
При разработке функциональных схем автоматизации технологических
процессов необходимо решить следующее:




получение первичной информации о состоянии технологического
процесса и оборудования;
непосредственное воздействие на технологический процесс для
управления им;
стабилизация технологических параметров процесса;
контроль и регистрация технологических параметров процессов и
состояния технологического оборудования.
Указанные задачи решаются на основании анализа условий работы
технологического оборудования, выявленных законов и критериев
управления объектом, а также требований, предъявляемых к точности
стабилизации, контроля и регистрации технологических параметров, к
качеству регулирования и надежности.
Функциональные задачи автоматизации, как правило, реализуются с
помощью технических средств, включающих в себя: отборные устройства,
средства получения первичной информации, средства преобразования и
переработки информации, средства представления и выдачи информации
обслуживающему
персоналу,
комбинированные,
комплектные
и
вспомогательные устройства. Результатом составления функциональных
схем являются:
1) выбор методов измерения технологических параметров;
2) выбор основных технических средств автоматизации, наиболее полно
отвечающих
предъявляемым
требованиям
и
условиям
работы
автоматизируемого объекта;
3) определение приводов исполнительных механизмов регулирующих и
запорных
органов
технологического
оборудования,
управляемого
автоматически или дистанционно;
4) размещение средств автоматизации на щитах, пультах,
технологическом оборудовании и трубопроводах и т.п. и определение
способов представления информации о состоянии технологического
процесса и оборудования.
Современное развитие всех отраслей промышленности характеризуется
большим разнообразием используемых в них технологических процессов.
Практически не ограничены и условия их функционирования и
требования по управлению и автоматизации. Однако, базируясь на опыте
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
проектирования систем управления и автоматизации, можно сформулировать
некоторые общие принципы, которыми следует руководствоваться при
разработке функциональных схем автоматизации:
1) уровень автоматизации технологического процесса в каждый период
времени должен определяться не только целесообразностью внедрения
определенного комплекса технических средств и достигнутым уровнем
научно-технических разработок, но и перспективой модернизации и развития
технологических процессов. Должна сохраняться возможность наращивания
функций управления;
2) при разработке функциональных и других видов схем автоматизации
и выборе технических средств должны учитываться: вид и характер
технологического процесса, условия пожаро - и взрывоопасноe,
агрессивность и токсичность окружающей среды и т.д.; параметры и физикохимические свойства измеряемой среды; расстояние от мест установки
датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов,
приводов машин и запорных органов до пунктов управления и контроля;
требуемая точность и быстродействие средств автоматизации;
3) система автоматизации технологических процессов должна строиться,
как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и
вычислительной техники. Необходимо стремиться к применению
однотипных средств автоматизации и предпочтительно унифицированных
систем, характеризуемых простотой сочетания, взаимозаменяемостью и
удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной
аппаратуры дает значительные преимущества при монтаже, наладке,
эксплуатации, обеспечении запасными частями и т. п.
4) в качестве локальных средств сбора и накопления первичной
информации
(автоматических
датчиков),
вторичных
приборов,
регулирующих и исполнительных устройств следует использовать
преимущественно приборы и средства автоматизации Государственной
системы промышленных приборов (ГСП);
5) в случаях, когда функциональные схемы автоматизации не могут быть
построены на базе только серийной аппаратуры, в процессе проектирования
выдаются соответствующие технические задания на разработку новых
средств автоматизации;
6) выбор средств автоматизации, использующих вспомогательную
энергию (электрическую, пневматическую и гидравлическую), определяется
условиями пожаро- и взрывоопасное автоматизируемого объекта,
агрессивности окружающей среды, требованиями к быстродействию,
дальности передачи сигналов информации и управления и т.д.;
7) количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации,
устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, должно быть ограничено.
Избыток аппаратуры усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание
обслуживающего персонала от наблюдения за основными приборами,
определяющими ход технологического процесса, увеличивает стоимость
установки и сроки монтажных и наладочных работ. Приборы и средства
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
автоматизации вспомогательного назначения целесообразнее размещать на
отдельных щитах, располагаемых в производственных помещениях вблизи
технологического оборудования.
Перечисленные принципы являются общими, но не исчерпывающими
для всех случаев, которые могут встретиться в практике проектирования
систем автоматизации технологических процессов. Однако для каждого
конкретного случая их следует иметь в виду при реализации технического
задания на автоматизацию проектируемого объекта.
3.1.1 Выбор регулируемых величин
Наиболее ответственным этапом разработки автоматизированной
системы управления (АСР) является выбор параметров, участвующих в
управлении. К ним относят контролируемые, сигнализируемые и
регулируемые величины, а также параметры, изменяя которые, можно
вносить регулирующие воздействия. Далее выбирают идеи и способы
осуществления защиты и блокировки, а затем – конкретные автоматические
устройства управляющей системы.
Выбор регулируемых величин и каналов внесения регулирующих
воздействий. Выбор эффективных каналов внесения регулирующих воздействий основан на анализе статических и динамических характеристик
объектов. Основными автоматическими устройствами, поддерживающими
требуемый технологический режим в объекте, являются регуляторы.
Поэтому сначала целесообразно наметить регулируемые параметры процесса
и каналы внесения регулирующих воздействий и только после этого
приступать к выбору остальных параметров.
Возможные регулирующие воздействия.Это материальные или
тепловые потоки, которые можно изменять для поддержания регулируемых
параметров на заданных значениях.
Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые
координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве
регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение
которых свидетельствует о нарушение материального или теплового баланса
в аппарате. К ним относятся:уровень жидкости – показатель баланса по
жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура –
показатель теплового баланса в аппарате; концентрация – показатель
материального баланса по компоненту.
Анализ возможных регулирующих воздействий и выходных координат
объекта позволяет выбрать каналы регулирования для проектируемых АСР.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
При этом в одних случаях решение определяется однозначно, а в других
имеется возможность выбора как регулируемой координаты, так и
регулирующего воздействия для заданного выхода. Окончательный выбор
каналов регулирования проводят на основе сравнительного анализа
статических и динамических характеристик различных каналов. При этом
учитывают такие показатели, как коэффициент усиления, время чистого
запаздывания, его отношение к наибольшей постоянной времени канала τ/T.
На основе анализа технологического процесса как объекта управления
проектируют систему управления, обеспечивающую решение поставленной
задачи. начинают с проектирования одноконтурных АСР для отдельных
параметров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, поэтому
широко используются при автоматизации технологических объектов.
Однако при неблагоприятных динамических характеристиках каналов
регулирования (большом запаздывании, большом отношении τ/T) даже в
случае оптимальных настроек регуляторов качество переходных процессов в
одноконтурных АСР может оказаться неудовлетворительным. Для таких
объектов анализируют возможность введения многоконтурных АСР,
повышающих качество регулирования за счет усложнения схемы
автоматизации и использования каскадных, комбинированных, а также
взаимосвязанных АСР.
Окончательное решение о применении той или иной схемы
автоматизации принимают после моделирования различных АСР и
сравнения качества получаемых процессов регулирования.
3.1.2.Выбор приборов и средств автоматизации
Выбору промышленных приборов и средств автоматизации
предшествует определение необходимого состава и составление
функциональной схемы автоматизации технологического процесса (объекта),
исходя
из
принятого
принципа
регулирования
(управления),
функциональных задач, которые должна выполнять система, и
конструктивных особенностей серийных приборов.
При определении состава функциональной схемы необходимо
руководствоваться следующим порядком действий:
а) определяются возможные варианты использования сигнала датчика.
Информация от датчика (чувствительного элемента) может использоваться
несколькими системами контроля и регулирования. В современных системах
сигнал датчика часто вводится непосредственно в управляющую
вычислительную машину. Это вызывает необходимость выбирать датчики с
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
несколькими выходными преобразователями и комплектовать их
первичными приборами с высокоомным усилителем.
б) анализируется возможность использования в системе автоматизации
единого сигнала связи (например, сигнала постоянного тока 4…20 мА). Если
современные технические средства контроля и регулирования не дают
возможности использовать единый сигнал связи по выбранному каналу
управления, то необходимо ввести в состав системы автоматизации
нормирующий преобразователь (например, преобразователь напряжения
переменного тока 0…1 В в сигнал постоянного тока 4…20 мА).
в) определяется состав информационной аппаратуры (вторичных
приборов, сигнальных устройств и др.), устанавливаемой по месту измерения
и регулирования, на операторском пульте, на местном щите управления и
т.д.
г) исходя из функций системы автоматизации и иерархического
структурного построения системы определяется наличие ключей, кнопок
управления, источников питания, блоков или пультов управления и т.д.
д) в зависимости от количества регулирующих органов, на которые
будет воздействовать система регулирования, определяется соответствующее
количество аппаратуры для реализации команд управления (магнитных
пускателей, исполнительных механизмов и т.д.).
е) на основе характеристики условий работы проектируемой системы
автоматизации выбирается соответствующая ветвь средств автоматизации
(электрическая, пневматическая, гидравлическая). Кроме того, необходимо
учитывать эксплуатационную надежность элементов системы в данной
среде, возможность реализации системы с минимальными затратами,
необходимое быстродействие, протяженность каналов связи от датчика и до
исполнительного механизма, используемый на данном предприятии или
принятый в проекте автоматизации род энергии и т.д.
После определения состава функциональной схемы автоматизации
следует приступить к выбору отдельных элементов (комплектованию
системы).
Рассмотрим подробнее выбор средств автоматизации на примере
датчика.
Выбор датчика
Выбор типа измерительного преобразователя определяется главным
образом физической природой управляемой величины, диапазоном ее
изменения, допустимой инструментальной погрешностью, требуемым
сроком службы и условиями эксплуатации.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
Диапазон измерения датчика выбирается с учетом минимальных и
максимальных длительных значений регулируемой величины. Здесь
необходимо учитывать, что необоснованно завышенный диапазон действия
датчика снижает точность контроля (измерения).
Погрешность датчика не должна превышать допустимой погрешности
контроля (измерения) регулируемой величины, которая определяется
технологией производства и погрешностью регулирования по выбранному
каналу управления. В проектируемые системы необходимо закладывать
датчики с классом точности, который определяется действительными
требованиями объекта. Как известно, чем выше класс измерительного
преобразователя, тем более сложной является его конструкция, тем выше
стоимость и сложнее эксплуатация.
Условия пожаро–, взрывоопасности объекта и агрессивности окружающей среды, а также требования к быстродействию, дальности передачи
сигналов информации и управления являются определяющими при выборе
вида энергии носителя сигналов (электрический, пневматический,
гидравлический) в канале связи. Так, для пожаро- и взрывоопасных
технологических процессов (установок) в большинстве случаев следует
применять пневматические средства автоматизации; при высоких
требованиях к быстродействию и значительных расстояниях между
источниками и приемниками сигналов информации используют, как правило,
электрические и комбинированные технические средства.
в процессе выбора датчика также необходимо учитывать
характеристики контролируемой и окружающей сред (температуру,
влажность, давление, агрессивность и т.д.), в которых придется работать
датчику. Также учитываются условия, в которых находится контролируемый
параметр (в трубопроводах, в открытых емкостях под атмосферным
давлением, в закрытых емкостях под избыточным давлением и т.д.). В
зависимости от этих условий и характеристик выбирают исполнение датчика
(искробезопасное, влагонепроницаемое, вибростойкое, взрывозащищенное и
др.).
При выборе датчика следует также установить условия, необходимые
для нормальной работы выбранного датчика, обеспечивающие паспортные
параметры датчика в предлагаемом месте его установки. Так, для
обеспечения нормальной работы диафрагменного расходомера объемного
расхода необходимо иметь длину прямолинейного участка трубопровода 10
D до и 20 D после расходомера, где D – диаметр трубопровода. Для
нормальной работы щелевого расходомера объемного расхода важно
обеспечить перепад высот (уровней) трубопровода и т.д.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
В ряде случаев следует учитывать электромагнитную (магнитную)
совместимость датчика с другими элементами системы и технологического
оборудования.
Немаловажное значение имеет стоимость датчика, зависящая от
сложности его изготовления, стоимости чувствительного элемента,
протяженности необходимых линий связи и масштабов производства
(крупносерийные изделия предпочтительнее).
Наконец, необходимо учитывать также фактор морального устаревания
технических средств за промежуток времени между созданием проекта
системы автоматики и его воплощением, что вынуждает предъявлять более
жесткие требования в отношении новизны и перспективности применяемых
датчиков и других технических средств.
Все выбранные приборы и средства автоматизации заносятся в
спецификацию. Спецификация оформляется в виде таблицы, имеющей
следующие графы: позиция, наименование и техническая характеристика,
тип, количество, примечания. В графе «Позиция» указывается номер
позиции, присвоенный описываемому средству автоматизации на
функциональной схеме. В графе «Наименование и техническая
характеристика» приводится название прибора по каталогу, а также его
техническая характеристика, например: градуировка, предел шкалы, класс
точности и т. п. В «Примечании» может быть указан завод-поставщик
прибора или другие сведения, которые разработчик считает нужным указать.
3.2.Проектирование систем автоматического регулирования.
Система автоматического регулирования 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.
Теория автоматического регулирования прошла значительный путь своего
развития. На начальном этапе были созданы методы анализа устойчивости,
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
качества и точности регулирования непрерывных линейных систем. Затем
получили развитие методы анализа дискретных и дискретно-непрерывных
систем. Можно отметить, что способы расчета непрерывных систем
базируются на частотных методах, а расчета дискретных и дискретнонепрерывных
—
на
методах
z-преобразования.
В настоящее время развиваются методы анализа нелинейных систем
автоматического регулирования. Нарушение принципа суперпозиции в нелинейных системах, наличие целого ряда чередующихся (в зависимости от
воздействия) режимов устойчивого, неустойчивого движений и
автоколебаний затрудняют их анализ. Еще с большими трудностями
встречается
проектировщик
при
расчете
экстремальных
и
самонастраивающихся систем регулирования.
Как теория автоматического регулирования, так и теория управления входят
в науку под общим названием «техническая кибернетика», которая в
настоящее время получила значительное развитие. Техническая кибернетика
изучает общие закономерности сложных динамических систем управления
технологическими и производственными процессами. Техническая
кибернетика, автоматическое управление и автоматическое регулирование
развиваются по двум основным направлениям: первое связано с постоянным
прогрессом и совершенствованием конструкции элементов и технологии их
изготовления; второе — с наиболее рациональным использованием этих
элементов или их групп, что составляет задачу проектирования систем.
Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя
путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы
(расчетным путем или моделированием) определяют ее параметры;
методом синтеза, когда по требованиям, к системе сразу же выбирают
наилучшую ее структуру и параметры. Оба эти способа получили широкое
практическое применение и поэтому достаточно полно освещены в
настоящей книге.
Определение параметров системы, когда известна ее структура и требования
на всю систему в целом, относится к задаче синтеза. Решение этой задачи
при линейном объекте регулирования можно найти, используя, например,
частотные методы, способ корневого годографа или изучая траектории
корней характеристического уравнения замкнутой системы. Выбор
корректирующего устройства методом синтеза в классе дробнорациональных функций комплексного переменного можно выполнить с
помощью графоаналитических методов. Эти же методы позволяют
синтезировать
корректирующие
устройства,
подавляющие
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
автоколебательные и неустойчивые периодические режимы в нелинейных
системах.
Дальнейшее развитие методы синтеза получили на основе принципов
максимума и динамического программирования, когда определяется оптимальный с точки зрения заданного критерия качества закон регулирования,
обеспечивающий верхний предел качества системы, к которому необходимо
стремиться при ее проектировании. Однако решение этой задачи практически
не всегда возможно из-за сложности математического описания физических
процессов в системе, невозможности решения самой задачи оптимизации и
трудностей технической реализации найденного нелинейного закона
регулирования. Необходимо отметить, что реализация сложных законов
регулирования возможна лишь при включении цифровой вычислительной
машины в контур системы. Создание экстремальных и самонастраивающихся
систем также связано с применением аналоговых или цифровых вычислительных машин.
Формирование систем автоматического регулирования, как правило,
выполняют на основе аналитических методов анализа или синтеза. На этом
этапе проектирования систем регулирования на основе принятые допущений
составляют математическую модель системы и выбирают предварительную
ее структуру. В зависимости от типа модели (линейная или нелинейная)
выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающих
заданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого
уточняют математическую модель и с использованием средств
математического моделирования определяют динамические процессы в
системе. При действии различных входных сигналов снимают частотные
характеристики и сравнивают с расчетными. Затем окончательно
устанавливают запасы устойчивости системы по фазе и модулю и находят
основные показатели качества.
Далее, задавая на модель типовые управляющие воздействия; снимают
характеристики точности. На основании математического моделирования
составляют технические требования на аппаратуру системы. Из
изготовленной аппаратуры собирают регулятор и передают его на
полунатурное моделирование, при котором объект регулирования набирают
в виде математической модели.
По полученным в результате полунатурного моделирования характеристикам
принимают решение о пригодности работы регулятора с реальным объектом
регулирования. Окончательный выбор параметров регулятора и его
настройка выполняют в натурных условиях при опытной отработке системы
регулирования.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
Развитие теории автоматического регулирования на основе уравнений
состояния и z-преобразований, принципа максимума и метода динамического
программирования совершенствует методику проектирования систем
регулирования и позволяет создавать высокоэффективные автоматические
системы для самых различных отраслей народного хозяйства. Полученные
таким образом системы автоматического регулирования обеспечивают
высокое качество выпускаемой продукции, снижают ее себестоимость и
увеличивают
производительность
труда.
3.3.Разработка принципиальной схемы.
Принципиальные электрические схемы определяют полный состав
приборов, аппаратов и устройств (а также связей между ними), действие
которых обеспечивает решение задач управления, регулирования, защиты,
измерения и сигнализации. Принципиальные схемы служат основанием для
разработки других документов проекта: монтажных таблиц щитов и пультов,
схем внешних соединений и др.
Эти схемы дают детальное представление о работе системы и служат
также для изучения принципа действия системы, они необходимы при
производстве наладочных работ и в эксплуатации.
При разработке систем автоматизации технологических процессов
принципиальные электрические схемы обычно выполняют применительно к
отдельным самостоятельным элементам, установкам или участкам
автоматизируемой системы, например выполняют схему управления
задвижкой, схему автоматического и дистанционного управления насосом,
схему сигнализации уровня в резервуаре и т.п. Используя эти схемы,
составляют в случае необходимости принципиальные электрические схемы,
охватывающие целый комплекс отдельных элементов, установок или
агрегатов, которые дают полное представление в связях между всеми
элементами управления, блокировки, защиты и сигнализации этих установок
или агрегатов. Примером таких схем может служить принципиальная
электрическая схема управления насосной установкой, состоящей из насоса,
вакуум-насоса и нескольких электрифицированных задвижек.
При всем многообразии принципиальных электрических схем в
различных системах автоматизации любая схема, независимо от степени ее
сложности, представляет собой определенным образом составленное
сочетание отдельных, достаточно элементарных электрических цепей и
типовых функциональных узлов, в заданной последовательности
выполняющих ряд стандартных операций: передачу командных сигналов от
органов управления или измерения к исполнительным органам, усиление или
размножение
командных
сигналов,
их
сравнение,
превращение
кратковременных сигналов в длительные и, наоборот, блокировку сигналов и
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
т.п. К элементарным цепям могут быть отнесены типовые схемы включения
измерительных приборов различного назначения.
Разработка принципиальных электрических схем всегда содержит
определенные элементы творчества и требует умелого применения
элементарных электрических цепей и типовых функциональных узлов,
оптимальной компоновки их в единую схему с учетом удовлетворения
предъявляемых к схемам требований, а также возможного упрощения и
минимизации схем. В практике проектирования принципиальных
электрических схем на базе опыта проектирования монтажа, наладки и
эксплуатации различного рода систем автоматизации сложились некоторые
общие принципы построения электрических схем. Вопрос о методах
разработки принципиальных электрических схем в процессе проектирования
систем автоматизации технологических процессов следует рассматривать в
общем комплексе вопросов, связанных с контролем, управлением и
регулированием данного объекта. Во всех случаях помимо полного
удовлетворения требований, предъявляемых к системе управления, каждая
схема должна обеспечивать высокую надежность, простоту и экономичность,
четкость действий при аварийных режимах, удобство оперативной работы,
эксплуатации, четкость оформления.
3.4.Разработка чертежей общего вида
Чертежом общего вида в технике принято называть документ,
имеющий графическое представление, который определяет конструкцию
того или иного узла или агрегата. Из него становится ясно, каким образом
взаимодействуют его основные компоненты, каков общий принцип
функционирования устройства. Разработка чертежей общего вида
осуществляется на самых ранних этапах конструирования.
Содержание чертежа общего вида
На чертежах общего вида содержатся следующие компоненты:
 Сечения, разрезы, виды и другие изображения, которые дают полное
представление о том, каким образом сконструировано то или иное
изделие и каким образом взаимодействуют его составные части.
 Номера, которые имеют отдельные компоненты устройства.
 Информация,
описывающая состав технического изделия и
включающая в себя марки деталей и конструкционных материалов,
наименования основных составных частей и их обозначения.
 Справочные,
присоединительные, установочные и габаритные
размеры.
 Основная надпись.
Оформление чертежа общего вида
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
С точки зрения оформления, чертежи общего вида практически не
отличаются от чертежей сборочных, однако они имеют совершенно другое
назначение. Основное отличие чертежей общего вида от сборочных
заключается в их предназначении. Состоит оно в том, чтобы на их основе
каждый технически грамотный человек может составить для себя картину
того, какова конструкция изделия и принцип его работы. Кроме того,
чертежи общего вида позволяют осуществить сборку изделий и проверить,
насколько правильно она произведена. Для этого в них зачастую вводятся
такие элементы, как дополнительные сечения и разрезы, а также некоторые
необходимые размеры.
Одной из особенностей чертежей общего вида является то, что все
изображения на них выполняются упрощенно, однако с полным
соблюдением всех норм и стандартов ЕСКД.
Что касается допущений, приемлемых для чертежей общего вида, то к
ним относится возможность изображения контурными линиями очертаний
практически любых составных частей изделий; возможность не изображать
некоторые маловажные взаимосвязи между отдельными компонентами
конструкции. На таких чертежах нередко можно встретить таблицы
составных частей и линии-выноски, их обозначающие.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Цыбрий И.К. Основы автоматического управления (учебное
пособие) / И.К. Цыбрий. – Ростов-на-Дону, 2008. – 178 с.
Гусев Ю. М. Основы проектирования котельных установок / Ю. М.
Гусев. – [изд. 2-е, перераб. и доп.] – М.: Стройиздат, 1973. – 248 с.
3. Роддатис К.Ф. Справочник по котельным установкам малой
производительности / К. Ф. Роддатис, А. Н. Полтарацкий. – М.:
Энергатомиздат, 1989. – 488 с.
2.
А.С.Клюев, Б.В.Глазов. Проектирование систем автоматизации
технологических процессов (справочное пособие),Москва, 1990.
5. http://gk-drawing.ru/plotting/general-view-drawing.php
4.
Лист
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
КП.220703.ПЗ