В зависимости от видов технологических процессов запорно-регулирующую арматуру различают по принципам действия. Например, сюда входят клапаны, задвижки и другие разновидности затворных механизмов, предназначенных для полного перекрытия потока рабочей среды в трубопроводе и пуска среды в зависимости от требований, а также обеспечение герметичности.

Запорно-регулирующий клапан используемый на производстве, марки Баттерфляй Электро КБР.Э ЛГ (рис. 4.1).

В клапане для перекрытия рабочей среды находится затвор в виде тарелки. Этот элемент является рабочим органом клапана. Двигается затвор внутри клапана в одном направлении параллельно потоку рабочей среды и в обратном направлении. Это обеспечивает легкость монтажа и снижает нагрузки на систему трубопровода.

В качестве электроприводов к данному типу клапанов могут использоваться электроприводы Drehmo, и как специальное исполнение, электроприводы AUMA.

Запорно-регулирующий клапан является ключевым элементом в разрабатываемой системе автоматического управления процессом оборотного водоснабжения, т.к. при регулировании угла поворота заслонки происходит перераспределение потока среды, в данном случае оборотной воды, что приводит к увеличению либо уменьшению напора на выходе форсунки, которая разбрызгивает нагретую воду внутри градирни. А так как тип градирни - брызгально-эжекционный, что подразумевает полное отсутствие вентиляторов для нагнетания воздуха, то именно скорость вылетающих из форсунки капель воды будет иметь главное значение для эффективного охлаждения нагретой воды.

Для управления запорно-регулирующим клапаном используется многооборотный электропривод марки AUMA SAR 07.5, который как раз рекомендуется использовать с выбранным ЗРК (рис. 4.2).

4.1.2 Датчик температуры погружной

Контроль над температурой составляет основу многих технологических процессов. Измерение температуры жидкости, газа, твердой поверхности или сыпучего порошка - каждый случай имеет свою особенность, которую необходимо понимать, чтобы измерения максимально соответствовали поставленной задаче. В существующей на производстве САР используются погружные датчики температуры фирмы Danfoss MBT 3260.

MBT 3260 - датчик температуры с несменным чувствительным элементом, предназначенный для систем автоматического управления в трубопроводных и вентиляционных системах, а также в других областях промышленности, где отсутствует агрессивное воздействие на средства измерения. Благодаря тому, что защитная гильза изготовлена из меди, датчик MBT 3260 отличается малой инерционностью (постоянная времени для воды до t0,5 = 2 сек.). В этом датчике применяется стандартный чувствительный элемент с характеристикой Pt100 или Pt1000, обеспечивающий надежное и точное измерение. Детали, контактирующие с рабочими средами, изготовлены из меди или латуни. В стандартный комплект поставки MBT 3260 входит штекер типа DIN 43650.

Характеристики MBT 3260:

– Термопреобразователь сопротивления Pt100 или Pt1000

– Диапазон температур от -50 до 120 °С

– Медная защитная гильза

– Малая постоянная времени

– Незаменяемый чувствительный элемент - не требует обслуживания (кроме случая с дополнительной гильзой -- надо проверять масло),

– Различные длины погружной части: 50, 100 или 250 мм

4.1.3 Фильтр сетчатый

Фильтры сетчатые марки FVТ со сливным краном и с пробкой предназначены для установки перед регулирующей арматурой, расходомерами, насосами с «мокрым» ротором электродвигателя и другими устройствами с повышенными требованиями к чистоте, проходящей через них воды в системах отопления, теплоснабжения, технического горячего и холодного водоснабжения, а также для механической очистки рабочей среды от грязи, ржавчины, стружки и т. д. Фильтры могут быть оснащены магнитными вставками для дополнительной очистки от частиц, содержащих железо, или дренажными кранами, обеспечивающими быструю и эффективную очистку фильтра.

Фильтр сетчатый устанавливается на трубопроводе в соответствии с инструкцией. Направление фильтрующего патрубка для воды вниз, для пара вбок. Установка в вертикальном положении возможна только при направлении потока сверху вниз.

Основные характеристики:

– Условный проход: Ду = 15-300 мм.

– Условное давление: Ру = 16 бар и Ру = 25 бар.

– Температура регулируемой среды: Т= -10…+150 °С.

– Фильтры могут быть оснащены магнитными вставками для дополнительной очистки.

4.1.4 Датчик давления

Датчики давления серии 415 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

Датчики обеспечивают непрерывное преобразование измеряемого давления в унифицированный токовый и цифровой выходные сигналы, а также релейный управляющий сигнал для дистанционной передачи измеряемых величин.

Измеряемые среды: жидкость, пар, газ, газообразный кислород

Основная погрешность: ±0,25%.

Выходные сигналы:

– аналоговый сигнал 4-20 мА, 0-5мА, 0,4-2В;

– цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485;

4.1.5 Датчик положения

Емкостные датчики VSP-DD-3000 применяются как датчики уровня, скорости, контроля положения. Особенно удобны емкостные датчики VSP-DD 3000 тем, что реагируют на материалы любой природы (токопроводящие и диэлектрики). Предназначен датчик VSP-DD 3000 для использования как в системах автоматического управления производством, так и для обеспечения надежной и безопасной работы оборудования без систем дистанционного управления.

Датчик VSP DD 3000 может использоваться, в частности, как:

– датчики контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов (токопроводящей природы и диэлектриков) в бункерах;

– датчики контроля положения задвижек, положения перекидных клапанов;

– датчиков реле контроля скорости движущихся механизмов;

– датчиков подпора на транспортерах, нориях и самотеках;

– датчиков отклонения норийных и транспортерных лент.

4.2 Математическая модель САУ и математическое описание входящих в нее элементов

Математическая модель системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения представлена на рисунке: Рис. 4.8 - Математическая модель системы автоматического управления

На рисунке введены следующие обозначения:

Передаточные функции элементов (звеньев) системы:

Wзу(s) - передаточная функция задающего устройства;

Wy(s) - передаточная функция усилителя;

Wдв(s) - передаточная функция электродвигателя;

Wp(s) - передаточная функция редуктора;

Wп(s) - передаточная функция паропровода;

Wз(s) - передаточная функция заслонки;

WT(s) - передаточная функция термопары ;

ПЛК - программируемый логический контроллер (обведенные пунктиром структурные компоненты - составляют часть логического контроллера, работающего в форме П-регулятора с обратной связью

по датчику температуры).

Координаты системы:

д - действительное значение температуры воды;

З - заданное значение температуры;

Uз - напряжение, выдаваемое задающим устройством;

Uт - напряжение на выходе термопары;

U = Uз-Uт - напряжение, выдаваемое сравнивающим устройством;

U - напряжение на выходе усилителя;

д - угол поворота вала двигателя;

р - угол поворота вала редуктора;

з - угол поворота заслонки.

Передаточные функции элементов САР взяты из соответствующих технических паспортов и входящего в состав системы средств автоматизации, а также установлены путем наблюдения и проведения испытаний. Также учитывались консультации специалистов по обслуживанию аналогичных САР. Кратко приведем передаточные функции и требования к САР ниже:

1. Передаточная функция пропорционального регулятора:

где

Кзу = 0,1 В/0С.

2. Передаточные функции электродвигателя и редуктора:

,

где

Тм - механическая постоянная времени; Тм = 0,45 с;

Тэ - электрическая постоянная времени; Тэ = 0,06 с;

Кдв - коэффициент передачи двигателя; Кдв = 3 об/(сВ).

,

где

Кр - коэффициент передачи редуктора.

,

где

i - передаточное отношение редуктора; i = 100.

Передаточную функцию электропривода в общем виде можно представить как совокупность передаточных функций апериодического звена II порядка и интегрирующего звена I порядка. Передаточную функцию найдём из выражения (4.2), предварительно приведя её к общему виду:

где

Кдв = 1080 град/(сВ) коэффициент передачи электродвигателя;

где

Т1 и Т2 - постоянные времени электродвигателя (характеризуют его механическую и электрическую инерционность в совокупности), вычислим их используя разложение квадратного многочлена на множители:

Подставим полученные значения постоянных времени в выражение (4.5), представим передаточную функцию электродвигателя в числовом виде:

.

3. Передаточная функция заслонки запорно-регулирующего клапана:

где

Кз - коэффициент передачи заслонки; Кз = 4 0С/угл.град.

4. Передаточная функция подводящего трубопровода:

,

где

Кп - коэффициент передачи подводящего трубопровода; Кп = 0,9;

- время чистого запаздывания; = 0,009 с;

5. Передаточная функция термопары:

,

где

Кт - чувствительность; Кт =0,1 В/0С;

Тт - постоянная времени; Тт = 0,06 с;

6. Передаточная функция усилителя:

,

где

.

К проектируемой системе автоматического регулирования предъявим следующие требования: заданное значение температуры охлажденной воды З = 21 0С; величина перерегулирования должна составлять не более 30 %; время регулирования, определяющее быстродействие системы - не более 3 с; для расчетов - установившаяся ошибки по положению - отсутствует, по скорости - E = 5 % при Uз = 24 В/с.

Найдем общий коэффициент передачи разомкнутой САР: общий коэффициент передачи системы может быть получен из условия:

;

Тогда напряжение на выходе задающего устройства:

,

продифференцировав данное выражение, получим:

,

из последнего найдется как:

.

найдется из имеющейся в исходных данных установившейся ошибки по скорости следующим образом:

;

Теперь имеем все данные для расчета коэффициента :

;

где:

Е = 5 % - установившаяся ошибка по скорости при = 24 В/с;

З = 21 С - заданное значение температуры воды;

КЗУ = Кт = 0,1 В/0С;- коэффициент передачи задающего устройства.

Подставив значения в (4.16) получим:

.

Из этого неравенства выбираем :

=230c-1;

Рассчитаем коэффициент передачи усилителя разомкнутой системы. Общий коэффициент усиления найдется как произведение передаточных функций звеньев прямой ветви на произведение передаточных функций звеньев обратной ветви:

;

Откуда Kу найдется как:

где:

Кобщ = 230 (с-1 ) - общий коэффициент передачи разомкнутой системы;

Кдв =3 (об/(сВ))=1080 (угл.град/(сВ)) - коэффициент передачи двигателя;

Кр = 1/100 - коэффициент передачи редуктора;

Кз = 4 (0C/угл.град.) - коэффициент передачи заслонки;

Кп = 0,9 - коэффициент передачи подводящего трубопровода;

Кт = 0,1 (В/0C) - коэффициент передачи термопары (чувствительность);

Тогда, подставив все известные данные в (4.18), получим значение коэффициента передачи усилителя разомкнутой системы автоматического регулирования:

Найдем передаточную функцию разомкнутой системы:

Передаточная функция замкнутой системы найдется в данном случае как произведение передаточных функций всех звеньев между датчиком рассогласования и его инверсным входом.

В результате ряда преобразований получаем передаточную функцию разомкнутой системы:

,

где

Кобщ = 230 (с-1) - общий коэффициент передачи разомкнутой системы;

Т3 = 0,38 (c) - новая постоянная времени двигателя;

T4 = 0,07 (с) - новая постоянная времени двигателя;

= 0,008 (с) - время чистого запаздывания;

Tт = 0,06 c - постоянная времени термопары;

s - здесь и в дальнейшем - оператор Лапласа.

На основании (4.20) построим в программном комплексе ТАУ логарифмическую амплитудную (ЛАЧХ) и логарифмическую фазовую (ЛФЧХ) частотные характеристики разомкнутой системы:

Рис. 4.9 - ЛАЧХ и ЛФЧХ разомкнутой системы автоматического регулирования

На частотных характеристиках, приведенных на рис. 4.9, видно, что критическая частота щкрит = 3,96 Гц (фаза на ней равна -1800) достигается раньше частоты среза щс = 15,78 Гц, при которой модуль передаточной функции равен 1, значит, данная система является неустойчивой (значение частоты среза больше значения частоты критической).

Получим передаточную функцию замкнутой системы: для этого упростим математическую модель САР, представленную на рис. 4.10:

Рис. 4.10 - Упрощенная математическая модель САР температурой воды

Согласно упрощенной структурной схеме, запишем передаточную функцию замкнутой системы управления относительно задающего воздействия:

.

Точность работы системы характеризуется установившимся значением ошибки. Значит, целесообразно записать передаточную функцию замкнутой системы управления по ошибке относительно задающего воздействия:

Поясним обозначения в выражениях (4.21) - (4.22):

Wзу(s) =Кзу - передаточная функция задающего устройства;

- передаточная функция разомкнутой системы;

- передаточная функция прямой цепи замкнутой системы;

- передаточная функция датчика температуры.

Подставим данные выражения в (4.21), получим выражение для передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия в общем виде:

Подставим данные выражения в (4.22), получим выражение для передаточной функции замкнутой системы по ошибке относительно задающего воздействия в общем виде:

.

На основании (4.24) и числовых значений параметров, построим в программе ТАУ ЛАЧХ (логарифмическую амплитудную) и ЛФЧХ (логарифмическую фазовую) замкнутой системы (рис.4.11):

Получим качественные характеристики системы, построив ее переходный процесс (рис. 4.12).

Очевидно, что переходный процесс, представленный на рис. 4.12 - расходящийся, следовательно, необходимо рассчитать для САР корректирующее устройство, чтобы затем на основе его математической модели разработать алгоритм управления системой, который отвечал бы поставленным техническим условиям. О неустойчивости существующей системы также свидетельствует оценка устойчивости согласно критерию Найквиста по частотным характеристикам разомкнутой ее составляющей: значение частоты среза больше критического значения частоты для данной системы.

Таким образом, задача проектирования САР температуры воды сводится к задаче синтеза системы управления с целью обеспечения желаемых характеристик.

Обычно корректирующее устройство включается в цепь регулятора, тем самым изменяется передаточная функция регулятора. Наиболее часто применятся последовательное корректирующее устройство, однако имеются также параллельное корректирующее устройство и корректирующие обратные связи. Последовательное корректирующее устройство достаточно просто рассчитывается и вводится в систему. Обычно оно представляет собой электронную схему на входе исполнительного механизма регулятора. Также данное корректирующее устройство может быть реализовано программно. Последовательное корректирующее устройство позволяет обеспечить предъявленные к системе требования по качеству переходного процесса и точности работы, но не уменьшает чувствительность системы к изменению параметров элементов системы.

Рассчитаем последовательное корректирующее устройство с использованием программы ТАУ.

Наиболее часто для расчёта корректирующих устройств используется частотный метод синтеза с помощью логарифмических частотных характеристик. Он основан на том, что логарифмическая амплитудная частотная характеристика (ЛАЧХ) разомкнутой системы однозначно определяется её передаточной функцией и наоборот. Следовательно, на основе предъявленных к системе требований можно сформировать желаемый вид логарифмической амплитудной частотной характеристики, а затем по неё сформировать требуемую передаточную функцию разомкнутой системы.

Процесс частотного синтеза системы представляет собой 2 этапа:

1. Построение располагаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.

2. Построение желаемой логарифмической амплитудной частотной характеристики разомкнутой системы.

Располагаемая ЛАЧХ приведена на рис. 4.9 в соответствии с выражением (4.20) и числовыми значениями параметров.

Желаемая логарифмическая амплитудная частотная характеристика может быть сформирована, исходя из заданных требований к САР по точности и качеству переходного процесса. Точность определяется значениями установившихся ошибок, а качество переходного процесса - величиной перерегулирования и временем регулирования - значением времени, по истечении которого система начинает работать с заданной точностью.

Низкочастотная часть ЛАЧХ формируется из условия обеспечения требуемой точности системы в установившемся режиме. В нашем случае система имеет нулевую позиционную ошибку, но имеет ошибку по скорости значит, является системой, отслеживающей линейно нарастающее входное воздействие.

Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ строится из условия обеспечения основных показателей качества переходного процесса - перерегулирования и времени регулирования. Требуемые показатели могут быть достигнуты, если среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ пересекает ось частот на частоте среза с и имеет наклон -20 дб/дек. Частоту среза с и требуемые запасы устойчивости по амплитуде Lh и фазе можно определить по номограмме Солодовникова, исходя из заданных значений tр = 3 с и = 30.

Среднечастотный участок желаемой ЛАЧХ сопрягается с низкочастотным отрезком ЛАЧХ, имеющим наклон -40 дб/дек или -60 дб/дек. Рекомендуется выбирать наклон -60 дб/дек.

Высокочастотный участок желаемой ЛАЧХ проводится параллельно высокочастотному участку располагаемой ЛАЧХ.

Построим располагаемую ЛАЧХ системы (рис. 4.13):

Исходя из проведённого анализа участков желаемой ЛАЧХ построим желаемую ЛАЧХ системы: Рис. 4.14 - Желаемая ЛАЧХ нескорректированной САР

Для реализации качественных законов регулирования выберем последовательное корректирующее устройство (ПКУ). В этом случае желаемая передаточная функция разомкнутой системы примет вид:

где

WПКУ(s) - передаточная функция последовательного корректирующего устройства;

Wр(s) - передаточная функция располагаемой системы.

Логарифмическую амплитудную частотную характеристику желаемой системы можно найти, как:

Выразим Lпку(щ) из (4.26):

.

Выражение (4.27) показывает, что для определения последовательного

корректирующего устройства необходимо выполнить следующие действия:

– по располагаемой передаточной функции построить ЛАЧХ располагаемой системы;

– исходя из требуемых показателей качества, построить ЛАЧХ желаемой системы;

– рассчитать разность между желаемой и располагаемой ЛАЧХ: это позволит найти требуемую ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства;

– по виду ЛАЧХ последовательного корректирующего устройства определить его передаточную функцию и схематическую реализацию.

По выполнению данных операций получим передаточную функцию последовательного корректирующего устройства:

где

ТЖ1, ТЖ2, ТЖ3 - постоянные времени желаемой системы,

Т3=0,29 с - первая постоянная времени электродвигателя;

Т4=0,09 с - вторая постоянная времени электродвигателя;

ТТ=0,06 с - постоянная времени термопары.

Для того, чтобы рассчитать значения желаемых постоянных времени ТЖ1, ТЖ2, ТЖ3 и построить ЛАЧХ корректирующего устройства, уточним передаточную функцию желаемой системы.

Для получения желаемой передаточной функции замкнутой системы относительно задающего воздействия воспользуемся формулой (4.21):

где

Wзу(s) =Кзу - передаточная функция задающего устройства;

- передаточная функция прямой цепи,

Wж(s) - желаемая передаточная функция разомкнутой системы ;

- передаточная функция датчика температуры.

Подставив известные значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим передаточную функцию желаемой замкнутой системы:

где

ТЖ1=1,827 с, ТЖ2=14,175 с, ТЖ3=0,036 с, ТТ = 0,06 с, 60 с-1, =0,009 с;

Для построения переходного процесса в выражении (4.29) заменим e-s на :

Представим переходную характеристику желаемой системы после коррекции (рис. 4.15) и оценим показатели качества полученной САР:

Так как полученная величина перерегулирования, определяющая устойчивость, а также время регулирования, определяющее быстродействие желаемой системы, удовлетворяют условиям, предъявляемым к проектируемой САР, то можно выполнить переход к построению модели корректирующего устройства.

Проверим запасы устойчивости желаемой системы с последовательным корректирующим устройством, характеризующие близость системы к границе устойчивости:

Таблица 4.1

Запасы устойчивости системы

w [рад/с]	L [дБ]	Y [deg]
3,96	0,00	-130,0
14,07	-14,2	-180,0

Запас устойчивости по амплитуде Lh=14,2 дБ, запас устойчивости по фазе м=500.

Очевидно, что система проектируемая система будет обладать хорошими запасами устойчивости по амплитуде и фазе.

Подставим числовые значения постоянных времени в (4.28), представим ЛАЧХ и ЛФЧХ последовательного корректирующего устройства (рис. 4.16):

Программная реализация корректирующего устройства предусматривает использование в своем составе импульсной системы - системы, где как минимум одна из описываемых систему координат подвергается квантованию по времени. Квантованные по времени величины при помощи импульсной модуляции преобразуются в чередование импульсов. Таким образом, импульсную систему для программной реализации целесообразно представить в виде комбинации импульсного элемента (осуществляет процесс квантования величины по времени с преобразованием её в последовательность импульсов) и непрерывной части, составленной из типовых динамических звеньев (заданная система с включенным в нее ПКУ).

Представим математическую модель САР с включенным на вход импульсным элементом (рис. 4.17):

y1 - сигнал, получаемый с импульсного элемента; y - выходное воздействие;

НЧ - непрерывная часть системы; ФЭ - формирующий элемент;

ПНЧ - приведенная непрерывная часть системы; WПКУ(s) - передаточная функция непрерывной части системы (последовательного корректирующего устройства).

Дискретную передаточную функцию WПКУ(z) последовательного корректирующего устройства целесообразно получить через передаточную функцию непрерывной части системы Wнч(S).

Выражение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы представим в следующем виде:

,

где

- импульсная функция последовательной непрерывной части.

Для практического расчёта в целях упрощении рекомендуется представить передаточную функцию в виде следующего выражения:

,

где

.

В нашем случае импульсный элемент формирует последовательность прямоугольных импульсов длительностью , где г - величина скважности импульса). Тогда расчетное соотношение для дискретной передаточной функции разомкнутой импульсной системы примет вид:

{ Wнч(s) }= W1(z,) W1(z,),

где

{ Wнч(s) }; { Wнч(s) }.

В рамках дипломного проекта используем импульсный элемент контроллера, который генерирует прямоугольные импульсы, длительность которых совпадает с периодом дискретности, т. е. значение скважности г = 1. Данный формирующий элемент носит название экстраполятора нулевого порядка или запоминающего элемента. Дискретная передаточная функция тогда примет вид:

Согласно (4.34) можно определить дискретную передаточную функцию WПКУ(z) корректирующего устройства, учитывая, что WНЧ(s) =WПКУ(s):

Представим переходную характеристику WПКУ(s) (рис. 4.18):

Исходя из представленной переходной характеристики, осуществим выбор частоты дискретизации:

Т=0,001с период дискретности f дискрет = 1000 Гц - частота дискретизации.

Получим следующее выражение для дискретной передаточной функций:

.

Коэффициенты дискретной передаточной функции представим в таблице 4.2.

Таблица 4.2

Полученные в результате преобразований значения коэффициентов

Коэффициент	Значение
b0	5,473
b1	-2,719
b2	5,404
b3	-5,369
b4	2,667
b5	-5,3
a0	1
a1	-4,919
a2	9,677
a3	-9,519
a4	4,681
a5	-9,209

Для проверки правильности выбора частоты дискретизации рассмотрим переходную характеристику дискретной передаточной функции последовательного корректирующего устройства WПКУ(z) (рисунок 4.19):

При сравнении двух характеристик (рис. 4.18 и 4.19) видно, что визуально они практически не отличаются, что свидетельствует о верно выбранном значении периода, а, значит, и частоты дискретизации.

Для удобства программной реализации последовательного корректирующего устройства целесообразно составить разностное уравнения по дискретной передаточной функции WПКУ(z). Для этого домножим числитель и знаменатель WПКУ (z) на z-n, где n - максимальный порядок передаточной функции (в нашем случае n=5):

.

В результате домножения получим выражение для дискретной передаточной функции:

.

Представим выражение (4.37) в виде разностного уравнения:

Решением полученного разностного уравнения при нулевых начальных условиях y[n],f[n] для всех n<0 будет решение вида:

Подставляя рассчитанные и приведенные в таблице 4.2 значения коэффициентов, найдём искомое выражение для y[n].

Таким образом, необходимо и достаточно реализовать функцию регулирования согласно (4.39), которая бы осуществляла качественное регулирование температуры воды.

Так как высоких требований к точности регулирования температуры не предъявляется, то целесообразно управлять электроприводом AUMA SAR 07.5 через аналоговый вход, подавая значения напряжения на перемещение позиции заслонки в клапане. Тогда диапазон движения заслонки будет напрямую зависеть от подаваемого уровня напряжения.

Исходя из технического паспорта на электропривод AUMA SAR 07.5 (передаточное соотношение редуктора - 0,01, производительность 1080 об/В*с, механическая постоянная времени 0,45 с, электрическая постоянная времени 0,06 с) получим таблицу данных для качественного процесса регулирования температуры воздуха. Максимальное значение напряжения, подаваемое на аналоговый вход электропривода - 24 В. Подобный процесс регулирования был промоделирован в данном пункте, он является устойчивым и отвечает требованиям качества переходного процесса в системе.

Приведем таблицу соответствия значений входного напряжения и позиций перемещения заслонки. Данные расчетов, необходимые для разработки управляющей программы ПЛК, приведены в таблице 4.3. Коэффициент передачи регулятора рассчитаем по формуле (4.40):

Шаг изменения положения - на каждый 1 Вольт поданного напряжения от ПЛК заслонка меняет положение на 3,75 угл. градуса.

Таблица 4.3

Данные для качественного регулирования температуры воды

Управляющее напряжение, Uвх	Положение заслонки, угл. град	Управляющее напряжение, Uвх	Положение заслонки, угл. град
1	3,75	13	48,75
2	7,5	14	52,5
3	11,25	15	56,25
4	15	16	60
5	18,75	17	63,75
6	22,5	18	67,5
7	26,25	19	71,25
8	30	20	75
9	33,75	21	78,75
10	37,5	22	82,5
11	41,25	23	86,25
12	45	24	90

В итоге получим электропривод, управляемый пропорциональным регулятором, функции которого - формировать определенный уровень напряжения в зависимости от сравнения текущей температуры воды в трубопроводе со значением температуры уставки. Данная задача будет возложена на выбранный ПЛК.

4.3 Общая модель системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения по процессу подготовки температуры воды

Разработку математической модели переходных процессов в наиболее простом варианте начнем с описания процессов, происходящих в градирне. По сигналу от датчика температуры воды, находящегося на входе в градирню изменяется угол наклона заслонки запорно-регулирующего клапана. Следовательно, контур регулирования является замкнутым.

Структурная схема САУ для системы оборотного водоснабжения изображена на рис. 4.20. При ее построении учтено, что в силу принятого способа регулирования входным параметром для градирни, являются переменные теплопоступления или теплопотери Q, Вт, а выходным - температура охлажденной воды tвых, °C. Собственно САУ в этом случае играют роль отрицательной обратной связи для градирни по каналу «Q - tв».

Тогда математическая модель переходного процесса в САУ будет иметь вид:

В соответствии с ранее данным определением и схемой САУ, приведенной на рис. 4.18, по физическому смыслу Wсист здесь представляет изменение tв с течением времени при единичном тепловом воздействии, т.е. при Q = 1 Вт.

Следовательно, размерность Wсист должна быть [0С/Вт]. Тогда передаточная функция САУ при использовании позиционного регулятора в линейном варианте будет выглядеть следующим образом:

где

al ... a7 - коэффициенты, получающиеся при подстановке в (4.41) передаточных функций элементов САУ с учетом их коэффициентов передачи и постоянных времени, s - некоторый комплексный параметр, имеющий размерность с-1.

Выражение (4.42) представляет переходный процесс в виде изображения, получаемого из переходной функции - оригинала с помощью интегрального преобразования Лапласа. Рекомендуется получать значение оригинала переходной функции, используя приближенное аналитическое моделирование. Его сущность заключается в формальной замене оператора s на 1/ф, где ф - время с момента воздействия на систему, с.

Подставим известные передаточные функции, полученные в п.4.2, в выражение (4.41), смоделируем процесс регулирования температуры воды в градирне, при этом пренебрежем величиной теплопотерь Q. Процесс моделирования проведем для ряда выбранных значений входных напряжений из табл. 4.3 и коэффициента передачи пропорционального регулятора kp=3,75 (угл. град/В) в программе VisSim (рис. 4.19 - 4.20). Так как диапазоны регулирования и значение коэффициента передачи малы, то это не приведет к сильному ухудшению качества работы системы. Чем больше выбран пропорциональный диапазон регулирования, тем большей будет величина статистической ошибки. При малой величине пропорционального диапазона увеличивается время переходных процессов, и при некоторых условиях может возникнуть автоколебательный (незатухающий) процесс в контуре регулирования.

Передаточную функцию помещения без учета его динамического сопротивления, рекомендуется принять за:

где

Здесь V - объем помещения, м3; c=4182 Дж/(кг_К), и с=3,434 кг/м3 - соответственно удельная теплоемкость и плотность внутреннего воздуха.

Подставив числовые значения объявленных величин, рассчитаем, что значение начального коэффициента равно: 2,785*10-8.

Из графика переходного процесса, приведенного на рис. 4.21, видно, что требования к качеству работы системы выполняются при средних значениях входного напряжения, САР температуры воды относительно регулирования по положению заслонки работает с заданной точностью. Показатели переходного процесса: величина перерегулирования - 25,3%, время регулирования - 1,93с

Как видно из графика переходного процесса, представленного на рис. 4.22, регулирование посредством изменения управляющего напряжения удовлетворяет качественным требованиям переходного процесса: величина перерегулирования - 32,5%, время регулирования - 2,76с, данная величина полностью удовлетворяет первоначальным требованиям. Также из графика видно, что у системы появилась установившаяся ошибка - следствие использования принципа пропорционального регулирования, впрочем, находящаяся в допустимом коридоре точности - 5%, что полностью устраивает.

Таким образом, по итогам описания технических средств автоматизации, входящих в состав САУ процессом оборотного водоснабжения, а также составления их математических моделей и параметров для управления ими, определения значений констант, можно приступать к разработке управляющей программы ПЛК.

4.4 Выбор электропроводки для элементов САУ

Дискретные датчики и исполнительные механизмы подсоединяются к щиту контрольным кабелем марки КВВГ, предназначенным для неподвижного присоединения к электрическим приборам, аппаратам, сборкам зажимов электрических распределительных устройств с номинальным переменным напряжением до 660 В частотой до 100 Гц или постоянным напряжением до 1000 В, для прокладки в помещениях, каналах, туннелях, в условиях агрессивной среды, при отсутствии механических воздействий на кабель.

Технические характеристики кабеля КВВГ:

– токопроводящая жила -- медная, однопроволочная, 1 класса по ГОСТ 22483.

– изоляция -- из поливинилхлоридного пластиката (ПВХ).

– скрутка -- изолированные жилы кабелей скручены (3х0,75).

– рабочая температура окружающей среды: от -50 °С до +50 °С.

– относительная влажность воздуха при температуре +35 °С: 98 %.

– электрическое сопротивление изоляции жил при температуре +20 °С сечением: 0,75--мм2 -- не менее 9 МОм/км.

– длительно допустимая температура нагрева жил при эксплуатации: +70 °С.

– кабели устойчивы к монтажным изгибам. Строительная длина кабелей - не менее 250 м. Передача сигнала без потерь осуществляется на расстояние до 200 м.

Аналоговые датчики подключаются экранированным кабелем МКЭШ 3х0,75 согласно стандарту 4-20 мА. Преимуществами данного стандарта являются двухпроводная схема подключения, высокая степень защиты от наводок с силовых кабелей, не требующаяся калибровка датчика на контроллере и контроль короткого замыкания и обрыва линии. Кабель МКЭШ 3х0,75 состоит из витого многожильного провода 0,75 мм и экраном из оплетки. Максимальная длина передачи данных без искажения - не более 300 м, сопротивление линии связи - 9,3 Ом на каждые 100 м кабеля.

При подключении к щиту управления экраны кабелей соединяются между собой на шине заземления. Щит управления и агрегаты системы должны быть заземлены согласно требованиям ПУЭ.

5. Обоснование выбора управляющего программируемого логического контроллера

Центральным звеном проектируемой системы автоматического управления процессом оборотного водоснабжения на производстве является управляющий элемент - программируемый логический контроллер (ПЛК) фирмы WAGO серии I/O System. Данный контроллер предназначен для удаленного сбора данных на основе различных промышленных сетей. Основные достоинства контроллера:

– компактность;

– возможность принимать/передавать дискретные, аналоговые, числоимпульсные сигналы, а также обмениваться данными с различными специальными устройствами;

– высокое быстродействие и достаточный для хранения управляющей программы и данных объем памяти;

– большое количество информационных каналов, позволяющих без наращивания модулей контроллера охватить весь круг задач решаемых в дипломном проектировании;

– простота программирования и отладки управляющей программы микроконтроллера, поддержка большого количества стандартных языков программирования;

– высокая степень защиты от помех, пыли, влаги, короткого замыкания, скачков напряжения.

Подключение к различным промышленным сетям осуществляется путем применения соответствующих базовых контроллеров, при этом состав модулей ввода/вывода может оставаться неизменным.

С другой стороны, пользователю предоставлена возможность максимально гибко изменять состав каналов ввода/вывода за счет использования модулей, рассчитанных на подключение 4-х, 2-х или одного канала ввода/вывода.

Контроллер способен выполнять некий управляющий алгоритм, на основании которого он и управляет состоянием своих выходных модулей напрямую, без участия компьютера верхнего уровня. Программирование таких контроллеров осуществляется с помощью стандартного технологического языка программирования WAGO I/O PRO32 стандарта МЭК 61131.3.

Загрузка управляющих программ может быть осуществлена как локально, через диагностический порт контроллера WAGO I/O, так и дистанционно, по сети Fieldbus. Выбранный ПЛК может осуществлять управление исполнительными механизмами на основе сбора информации от датчиков как через стандартные кабели (МКЭШ, КВВГ).

Основные технические характеристики программируемых контроллеров WAGO I/O приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Технические характеристики ПЛК WAGO I/O

Наименование	Численное значение
Объём памяти программ	32 кбайт
Объём памяти данных	32 кбайт (16х2 кбайт)
Максимальное число программных инструкций	около 3000
Количество одновременно выполняемых программ	1
Гарантированное время цикла исполнения программы	около 3 мс для программы из 1000 инструкций (включая время обмена с модулями ввода/вывода)
Система программирования	WAGO I/O PRO32, в стандарте МЭК 61131.3
Поддерживаемые языки программирования:	Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Function Chart (SFC), Instruction List (IL), Structured Text (ST)
Требования по питанию	24 В, 500 мА
Диапазон рабочих температур	0…50°С
Суточная потребляемая мощность	1,2 кВт

Модули ввода/вывода обеспечивают сопряжение внешних сигналов с внутренней шиной, позволяют подключать датчики и исполнительные устройства, а также содержат цепи гальванической развязки и индикаторы состояния каналов. Различаются несколько основных групп модулей ввода/вывода:

– модули ввода дискретных сигналов: маркируются желтым цветом. Позволяют подключать любые дискретные датчики с рабочим напряжением 24, 48, 220, по 2-, 3- и 4-хпроводной схеме. В зависимости от типа модули поставляются в 2-, 4-, и 8-миканальном исполнении, содержат входной шумоподавляющий фильтр и работать с сигналами как положительной, так и отрицательной логики;

– модули вывода дискретных сигналов: маркируются красным цветом. Обеспечивают подключение исполнительных механизмов с рабочим напряжением 24 или 220 В. Выходные модули ШИМ (двухканальные), формирующие широтно-импульсный сигнал для пропорционального управления исполнительными механизмами, также относятся к данной подгруппе, хотя программно конфигурируются так же, как модули ЦАП;

– модули ввода аналоговых сигналов: маркируются зеленым цветом. Обеспечивают прием сигналов с аналоговых датчиков, имеющих стандартные уровни выходных сигналов: 0…20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, ±10 В. Модули поставляются в 2-х и 4-хканальном исполнении;

– модули вывода аналоговых сигналов: маркируются синим цветом. Обеспечивают пропорциональное управление исполнительными механизмами и формируют сигналы 0…20 мА, 4…20 мА, 0…10 В, 0…24 В, ±10 В. Модули поставляются только в 2-х и 4-хканальном исполнении.

– Отдельную группу представляют модули, реализующие специальные функции. Они снабжены прозрачными маркировочными пластинами. К ним относятся модули для работы с приводами (квадратурный шифратор приращений и передатчик в формате SSI), а также модули, обеспечивающие связь с различными устройствами по интерфейсам RS,232, RS,485 и токовая петля.

– оконечный терминальный модуль: замыкает линию адреса внутренней шины. Данный модуль должен быть обязательно установлен в собранный узел WAGO I/O с противоположной стороны от базового контроллера узла сети;

– модули подключения линий питания: обеспечивают подачу необходимых напряжений питания на логические и периферийные части модулей ввода/вывода. Содержат в себе цепи фильтрации, предохранители и светодиодные индикаторы состояния, а также встроенные источники питания.

Данные модули позволяют создавать большие распределенные системы сбора данных и управления на базе контроллеров WAGO I/O.

Выбранный ПЛК WAGO I/O представлен на рисунке 5.1.

Светодиоды фирмы WAGO SHL 1-35 управляются с помощью логических схем WAGO I/O RC-24 щита автоматики (допускают управление 24 светодиодами с одного порта контроллера). Для индикации состояний используются логические схемы аналогового вывода сигнала WAGO 750-559. Принцип работы схемы: приходящее на вход аналоговое значение напряжения преобразуется АЦП и зажигает соответствующий уровню напряжения порядковый светодиод. Поддерживающая схема светодиода обладает свойством памяти (содержит в составе триггер): свечение продолжается до тех пор, пока не подан уровень напряжения, равный начальному. Подобный способ организации индикации позволяет экономить на использовании в шкафу автоматики логических схем, а, значит, снижает цену конечного оборудования.

Для организации пуска оборудования используются кнопочные включатели фирмы WAGO 750 (табл. 5.3), при активации их формируется дискретный импульс на порт ПЛК. Для организации работы данных кнопочных пускателей используем дискретные порты ввода. Все эти элементы входят в комплект базовой поставки шкафа автоматики.

Таблица 5.2

Используемые светодиоды

Наименование	Цвет	Кол-во	Шаблон обращения к портам ввода/вывода на языке ST	Уровень входного напряжения, В
«Жалюзи открыты»	зеленый светодиод	1	<out_port_a_12>	1
«Жалюзи не открылись»	красный светодиод	1		2
«Жалюзи закрыты»	зеленый светодиод	1		3
«Жалюзи не закрылись»	красный светодиод	1		4
«Фильтр засорен»	красный светодиод	1		19
Прорыв трубопровода	красный светодиод	1		20
«Сеть»	красный светодиод	1		24

Состояние аварии открытия/закрытия жалюзи воздуховходных окон, прорыв трубопровода, засорение фильтров (для упрощения примем, что все фильтры будут засоряться равномерно): мигание соответствующих светодиодов с интервалом времени 1 с. Система переводится в аварийный режим, загорается соответствующая диодная лампа.

Пуск/остановка САУ - нажатие кнопки «пуск/стоп системы». По умолчанию режим работы системы - автоматический, переход на ручной режим управления - по кнопке «автоматический/ручной режим». В автоматическом режиме ПЛК выполняет заложенную программу управления. При этом игнорируются все сигналы с других кнопочных включателей, кроме кнопки «пуск/стоп системы» и «автоматический/ручной». В ручном режиме - ПЛК выполняет мониторинг состояния и арбитраж системы, при этом реагируя на аварийные ситуации.

Таблица 5.3

Используемые кнопочные включатели

Наименование	Кол-во	Шаблон обращения к портам ввода/вывода на языке ST
«Пуск/стоп системы»	1	<in_port_d_12>
«Автоматический/ручной режим»	1	<in_port_d_13>
Включить/выключить электропривод ЗРК	1	<in_port_d_14>
«Открыть жалюзи воздуховходного окна»	1	<in_port_d_15>
«Закрыть жалюзи воздуховходного окна»	1	<in_port_d_16>

В таблице 5.4 приведено соответствие пронумерованных на ПЛК портов маркировке кабелей и используемых виртуальных портов программы. Данная таблица равносильна схеме соединения измерительных проводов с портами WAGO I/O System. Порты контроллера промаркированы номером и цветом, также имеется комплект сменных цветовых маркеров.

Маркировка кабеля: для аналоговых входов/выходов - W/С, для дискретных входов/выходов - I/O.

Таблица 5.4

Таблица соединений и соответствия физических каналов виртуальным портам

Назначение соединительного кабеля	Номер порта: цвет секции	Кабель	Маркировка	Соответствующий виртуальный порт
Датчики перемещения жалюзи	DI15,DI16: желт.	КВВГ 3х0,75	I15- I16	<in_port_d_15> <in_port_d_16>
Управление жалюзи	DQ5,DQ6: красн.	КВВГ 3х0,75	O5 - O6	<out_port_d_5> <out_port_d_6>
Датчики давления	DI1, DI2, DI3, DI4: желт.	МКЭШ 2х0,5	I1 - I4	<in_port_d_1>… <in_port_d_4>
Управление электроприводом ЗРК	AQ1: син.	МКЭШ 2х0,5	С1	<out_port_a_1>
Включение/выкл. эл. привода	DQ1: красн.	КВВГ 3х0,75	O1	<out_port_d_1>
Датчик температуры на входе градирни	AI10: зел.	МКЭШ 2х0,5	W10	<in_port_a_10>
Датчик температуры на выходе градирни	AI11: зел.	МКЭШ 2х0,5	W11	<in_port_a_11>
Датчики фильтров очистки	DI6,DI7,DI8,DI9: желт.	МКЭШ 2х0,5	I6 - I9	<in_port_a_6>… <in_port_a_9>
Управление светодиодами	AQ12: син.	МКЭШ 2х0,5	С12	<out_port_a_12>

Таким образом, САУ процессом оборотного водоснабжения, базирующаяся на основе выбранного ПЛК, спроектирована так, чтобы гарантировать масштабируемость и надежность новой системы в сравнении с существующей. Это условие выполняется ввиду большого количества неиспользуемых свободных портов - в случае неисправности порта его можно заменить.

6. Разработка алгоритмов функционирования и управляющей программы САУ оборотного водоснабжения

6.1 Обоснование выбора языка программирования

Программное обеспечение WAGO I/O PRO32 Soft предоставляет наиболее широкие возможности по разработке, отладке и документированию программ контроллеров серии WAGO I/O System. Для программирования контроллера воспользуемся программой WAGO I/O PRO32. Разработку программы будем выполнять на языке ST (Structured Text) с учетом специфики работы контроллера. Также возможно использовать для разработки управляющей программы графические языки программирования (LD, FBD, SFC), а также текстовый язык IL, представляющий из себя ассемблерный язык низкого уровня. Однако программное обеспечение и система программирования позволяют использовать в языке ST некоторые функции языка IL (например, переходы по меткам).

ST - язык программирования стандарта IEC61131-3. По структуре он ближе всего к языку программирования Паскаль. ST удобен для написания больших программ и работы с аналоговыми сигналами и числами с плавающей точкой. Допускается использование символьных имен для переменных и функций, а также необходимых комментариев. Кроме того, большой объем функциональных библиотек повышает удобство разработки и редактирования управляющей программы.

Разработка, отладка и полное тестирование работы программы может осуществляться в автономном режиме без наличия реального модуля WAGO I/O. Для тестирования может быть использовано программное обеспечение WAGO I/O CHECK 2, эмулирующее виртуальные порты ввода/вывода контроллера и, по заложенной ранее программе управления и вносимым состояниям портов, формирующее состояния оставшихся портов. WAGO-I/O-CHECK 2 - программный пакет, работающий в среде MS Windows. Программное обеспечение просто в установке и не требует для своей работы подключения к промышленной сети. Программа считывает конфигурацию контроллера и отображает её графически на экране компьютера. Это изображение может быть распечатано вместе со спецификацией. Вместе они образуют исчерпывающую документацию на собранный узел.

С помощью WAGO-I/O-CHECK 2 возможно просмотреть на экране компьютера состояние модулей ввода/вывода. Подключение датчиков и исполнительных устройств, таким образом, может быть проверено до запуска контроллера. Соединение между WAGO-I/O-CHECK 2 и контроллером производится коммуникационным кабелем, который присоединяется к специальному последовательному порту контроллера и СОМ порту PC.

Готовая программа может загружаться в контроллер через соединительный кабель с интерфейсом RS485 или записываться в модули памяти команд/данных, а также сохраняться на жестком диске компьютера.

Контроллер WAGO I/O будет распознавать, считывать и включать входы и выходы всех модулей независимо от их типа. Входы и выходы представлены в той же последовательности, в которой расположены модули. Для программирования имеются в распоряжении входы и выходы, согласно таблице 5.4.

Разработка алгоритмов функционирования системы и управляющей программы проводится поэтапно с учетом данных, полученных в предыдущих разделах описания проектируемой САУ. Управляющая программа представляет цельный моноблок последовательно выполняемых функций, циклов, условий и операций. Распараллеливание выполнения функций невозможно, однако гарантированное время выполнения программы (3мс - согласно техническому паспорту контроллера) обеспечивает быстродействие системы в целом. С учетом всех вносимых временных задержек система гарантированно будет выполнять управление оборудованием в каждом 10-минутном цикле.

Язык программирования независим от вида порта - дискретный или аналоговый, среда программирования позволяет описывать потоки принятой и отправленной информации с портов в десятичной форме. Все необходимые преобразования выполняют входящие в контроллер устройства ЦАП и АЦП, привязку к ним данных, описанных в десятичной форме, осуществляет компилятор. Все это упрощает работу программиста контроллера WAGO. Использование мощных библиотечных модулей <wago_port.lib> и «label.lib» позволяет обращаться к портам как к переменным, управлять ими, изменять их значения, а также организовывать работу с функциями безусловных переходов JMP(<метка>) и механизмом меток.

6.2 Описание алгоритма работы САУ водооборота

Пуск системы осуществляется при подключении питания контроллера. Проверяется состояние кнопки запуска системы - если она активна, то обнуляются значения буферов портов ввода/вывода и зажигаются светодиоды «сеть» - начальное состояние светодиодной панели. После этого подается сигнал на открытие жалюзи воздуховходного окна, импульс на включение электропривода ЗРК.

Алгоритм закрытия жалюзи аналогичен алгоритму, представленному на рис. 6.2, с той лишь разницей, что если сигнал с датчика положения идет на порт ПЛК, то необходимо индицировать аварийный режим «Жалюзи не закрыты» и останавливать систему. То есть проверку необходимо осуществлять на наличие сигнала датчика положения после подачи сигнала закрытия жалюзи и выжидания задержки закрытия.

После запуска электропривода ЗРК система выходит на режим охлаждения температуры воды в градирне. Таким образом, система выполняет функции регулирования на данном этапе.

Вот как происходит охлаждение воды - температура воды на входе в градирню сравнивается с температурой уставки (это средняя температура из диапазона температур: охлажденная (выход) - нагретая (вход) вода. Этой температуре уставки соответствует угол открытия заслонки - 450, а так же напряжение питание - 12 В):

– если температура на входе выше установочной, то происходит подача большего напряжения в электропривод и заслонка поворачивается на угол больший 450;

– если температура на выходе меньше установочной, то происходит подача меньшего напряжения электроприводу и заслонка начинает уменьшать угол открытия, т.е. от 450 и до 00 (00 - это условно, так как при закрытии заслонки вода подаваться в градирню не будет).

Алгоритм понижения температуры воды на выходе градирни, при превышении температурой воды на входе установочной величины приведен на рис. 6.3.

Алгоритм работы по понижению температуры воды на выходе градирни, но при значении температуры воды на входе меньше установочной величины, аналогичен алгоритму, представленному на рис. 6.3. Параметр цикла - пока температура воды на входе меньше температуры уставки с запасом или пока клапан не занимает минимально открытое положение (входное напряжение - 1 В).

В алгоритме работы системы предусмотрена отработка аварийных режимов, таких как поломка исполнительного механизма открытия/закрытия жалюзи, засорение фильтров в водопроводе, а также отработка сигнала прорыв трубопровода. Не будем приводить блок - смеху данных алгоритмов, т.к. она является достаточно простой и понятной - если на порты приходит соответствующий сигнал того или иного аварийного состояния, то прекращается работа всех устройств.

Для аварийного отключения питания контроллера используется функция стандартной библиотеки HALT().

Также предусмотрен и программно реализован ручной режим управления системой. При нажатии на кнопку смены режима система переходит в режим диспетчеризации и выполняет все стандартные функции управления исполнительными механизмами. В фоновом режиме работает САР температуры воды, а также отслеживаются все возможности аварийных состояний системы.

Полный цикл работы программы занимает времени не более 1 мин. Таким образом, автоматика ПВВ отслеживает все возможные состояния системы.

Приведем ряд преимуществ реализованной программы управления:

– управляющая программа реализована блочно: используемые функциональные блоки позволяют быстро перейти на алгоритм управления тем или иным устройством, лишь указав входные/выходные/внутренние переменные блока. Кроме того, блочная архитектура делает программу более читаемой и упорядоченной;