Модернизация автоматизированной системы регулирования температуры стенда сушки промковшей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1 Общая часть

1.1 Описание технологического процесса

1.2 Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики - регулируемые величины, управляющие и возмущающие воздействие и характер изменения во времени

1.3 Технические требования к САР - допустимые ошибки в установившихся режимах, прямые показатели качества переходных режимов

1.4 Анализ известных вариантов САР

2 Расчетная часть

2.1 Составление функциональной схемы САР и выбор принципиальных схем ее элементов

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

2.3 Выбор измерительно-преобразовательных элементов (первичных и вторичных), диапазон измерения, условия работы, инерционность, вопросы сглаживания с устройствами

2.4 Выбор исполнительных устройств

2.5 Математическое описание САР и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

2.5.1 Определение математической модели объекта- статические характеристики, кривая разгона, частотные характеристики

2.5.2 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных устройств и исполнительных устройств

2.5.3 Выбор закона автоматического управления в общем виде

2.5.4 Выбор автоматического управляющего устройства- на основе ПЛК

2.5.5 Определение математической модели САУ, исследованные на устойчивость

2.6 Расчет конфигурации устройства управления и составление заказной спецификации

2.7 Требования предъявляемые к ПО АСУТПиП

2.8 Требования к базовому фирменному программному обеспечению

2.8.1 Требования и характеристика используемого системного ПО

2.8.2 Требование и характеристика используемого программного обеспечение инструментальных средств разработки, отладки и документирования

2.9 Требования и характеристика используемого прикладного программного обеспечения

2.9.1 Требования и характеристика используемого прикладного программного обеспечения

2.9.2 Требование и характеристика средств создания и отладки прикладного ПО

2.10 Спецификация выбранного оборудования

3 Организация производства и труда

3.1 Монтаж датчиков

3.2 Маркировка труб, кабелей

3.3 Монтаж ПЛК

3.4 Монтаж РО и ИМ

3.5 Проверка датчиков, вторичных приборов

3.6 Наладка программного обеспечения

3.7 Структура, функции и задачи служб эксплуатации

3.8 Кабельный журнал

3.9 План трасс трубных проводок

4 Экономика производства

4.1 Расчет затрат на модернизацию системы

4.2 Расчет годовой экономии

4.3 Расчет годового экономического эффекта и срока окупаемости капитальных вложений

4.4 Расчет экономической эффективности

5 Безопасность жизнедеятельности

5.1 Организация рабочего места электромонтера по обслуживанию

САУ, САР участка, оснащение инструментом и измерительной аппаратурой

5.2 Организационные и технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ с автоматизированной системой управления

5.3 Противопожарные мероприятия, проводимые в цехе

5.4 Экологические мероприятия по охране окружающей среды

Заключение

Литература

Приложения

Введение

модернизация стенд сушка промковш

В последние два десятилетия в науке и промышленности ведутся серьезные исследования, направленные на увеличение производительности МНЛЗ и минимизацию затрат, непосредственно связанных с организацией процесса литья. Крайне важным технологическим элементом, является обеспечение высокого показателя серийности разливки непосредственно из одного промковша. Это обеспечивает стабильность работы МНЛЗ, а также снижает удельные затраты на огнеупоры, обеспечивающие литье, и удельные отходы металла, связанные с остановкой МНЛЗ.

В настоящее время на большинстве металлургических предприятий для разливки стали из сталеплавильных агрегатов применяются ковши, футерованные различными огнеупорными материалами.

После окончания ремонта футеровки ковш необходимо предварительно высушить при температуре от 50...750°С, а после этого нагреть для приема стали. Обязательный предварительный нагрев футеровки перед приемом стали необходим для снижения последствий от тепловой удара при контакте футеровки с расплавленной сталью.

Процессу сушки футеровки необходимо уделять пристальное внимание, поскольку при резком разогреве футеровки с высокой остаточной влажностью, а особенно при контакте ее с расплавленной сталью происходят локальные разрушения, что приводит к снижению ресурса ковша, а в некоторых случаях, в последствии, и к возникновению аварийных ситуаций.

Поэтому сушку и разогрев футеровки ковшей необходимо производить по строго определенной программе, как правило, выдаваемой фирмой производителем материала для футеровки. Однако для ковшей футерованных кирпичом разогрев по заданной программе не менее важен, т.к. позволяет существенно увеличить ресурс футеровки.

Для решения этой задачи применяются установки сушки и разогрева футеровки ковшей. Состав любой такой системы выглядит следующим образом:

- Газогорелочное устройство

- Запорная арматура с блоком регулирования мощности

- Система управления, с набором датчиков и исполнительных устройств

Очень важным пунктом при проектировании такого рода систем является выбор горелки, которые являются передаточным звеном между системой подачи топлива и технологическим процессом. Именно тип, мощность и способы установки выбранной горелки определяют эффективность процессов теплообмена в рабочем пространстве.

Не менее важным пунктом является и выбор оптимального способа регулирования тепловой мощности. Метода плавного изменения мощности горелок в данном случае оказывается недостаточно, т.к. выпускаемый на данный момент ассортимент горелок не перекрывает весь необходимый диапазон мощностей.

Поэтому наиболее оптимальным для данных систем является комбинированный метод регулирования, т.е. когда на разных стадиях протекания процесса применяется или плавное регулирование или импульсно дискретное изменение мощности. При этом следует отметить, что такое регулирование позволяет повысить эффективность использования топлива и соответственно повышается КПД всей системы.

Помимо этого применение импульсного режима приводит к тому, что тепловой поток постоянно перемещается по высоте ковша, что в свою очередь способствует более равномерному прогреву футеровки и снижает вероятность возникновения локальных перегревов.

1 Общая часть

1.1 Описание технологического процесса объекта

При разливке стали открывают шиберный затвор сталеразливочного ковша и начинают заполнение металлом промежуточного ковша. Непосредственно перед открытием шиберного затвора через стопор- моноблоки начинают продувку аргоном с объемным расходом 3-10л/мин(2-15 л/мин). С началом наполнения промежуточного ковша металлом в район стопоров подают шлакообразующую смесь ШОС-ПК. После наполнения промежуточного ковша не менее чем на одну треть его высоты открывают стопора и начинают наполнение кристаллизаторов металлом (время заполнения 60-80 с). Затем подают воду на вторичное охлаждение. После прохождения зоны окончательного охлаждения металл режется с помощью газорезки на мерные длины. Схема МНЛЗ представлена на рисунке 1.

Одним из путей повышения серийности разливки МНЛЗ является улучшение состояния рабочего слоя футеровки промежуточного ковша. Футеровка промковша после ремонта обрабатывается с помощью специальных с стендов сушки (рис. 2).

Сушку рабочего слоя футеровки ковша, выполненного в течение 6 ч по следующему графику: увеличение температуры до 250°С в течение 2 ч; выдержка при 250°С в течение 2 ч; подъем температуры до 450°С в течение 2 ч. Высушенный по рабочему слою ковш находился в ожидании разогрева 1 - 2 сут.

Для сушки промковша используется природный газ и воздух. Подача воздуха производится под давлением с помощью вентилятора в область ковша. Природный газ по трубопроводу поступает в горелку, которая в свою очередь подает газ в ковш. В процессе сжигания продукта сушки в области ковша рабочая температура, которая будет меняться с течением времени, путем повышения подачи горючего газа.



Рисунок 1 - Схема МНЛЗ

Рисунок 2 - Схема стенда сушки

1.2 Описание автоматизированного объекта и его технические характеристики - регулируемые величины, управляющие и возмущающие воздействие и характер изменения их во времени.

Сушка и нагрев производятся за счет тепловой энергии горелок по температуре, измеряемой при помощи термопреобразователей. Измерение температуры может быть реализовано на базе термоэлектрических преобразователей или на базе инфракрасных пирометров.

Сушка промежуточных ковшей, как правило, выполняется на участке ремонта, в этом случает, промежуточный ковш устанавливается на неподвижный постамент. Установки нагрева промежуточных ковшей обычно размещаются на рабочих площадках МНЛЗ и обеспечивают нагрев к разливке, в этом случае промежуточный ковш устанавливается на тележку и перемещается по рельсовому пути.

Стенд предназначен для разогрева футеровки промежуточных ковшей. Разогрев производятся за счет тепловой энергии факелов газо-воздушных горелок. Реализация режимов разогрева осуществляется с помощью АСУ ТП по технологическим диаграммам или в ручном режиме.

Основной задачей системы управления является отработка выбранных оператором температурно-временных диаграмм с контролем всех основных параметров технологического процесса, а также немедленная реакция на аварийные события в ходе нагрева. Кроме того, система должна обеспечивать диалог с человеком, включающий:

· информирование о текущих значениях параметров техпроцесса;

· редактирование температурно-временных диаграмм;

· отображение сообщений об аварийных событиях;

· ведение архива событий и его отображение (по требованию).

АСУ обеспечивает:

· изменение температурно-влажностного режима по заданной программе;

· стабилизацию температурно-влажностных параметров процесса сушки;

· стабилизацию параметров теплоносителя (температура, давление и т.д.);

· управление отопительно-вентиляционным, электросиловым и иным оборудованием;

· визуализацию процесса сушки изделий, цифровую индикацию, регистрацию, протоколирование и архивацию технологических параметров, предупредительную и аварийную сигнализацию.

Управление горелками стендов осуществляется по программе с помощью контроллера. Программа включает в себя выполнение 5-ти режимов сушки в диапазоне температур от 50 єС до 750єС ( ±5 ° С).

Давление природного газа от 0,4 МПа до 0,05 МПа, расход вентиляторного воздуха от 200 до 4500 нм3/час.

На рис. 3 представлен общий вид стенда сушки.

Сушку рабочего слоя футеровки ковша проводили в течение 6 ч по следующему графику: увеличение температуры до 250°С в течение 2 ч; выдержка при 250°С в течение 2 ч; подъем температуры до 450°С в течение 2 ч.

Вес установки 34 тонн.

Установка состоит из:

· горелки, 4шт;

· Вентилятор;

· магистраль регулирования воздуха;

· магистраль регулирования газа;

· распределительный шкаф.

Регулирование:

· количество измерения воздуха - расходомер Prowirl 72, выходной сигнал 4-20 мА;

· количество измерения газа - расходомер Prowirl 72, выходной сигнал 4-20 мА;

· регулирование количества воздуха - поворотная, упорная заслонка;

· регулирование количества газа - поворотная, упорная заслонка;

· регулирование температуры сушки - термопреобразователь ТППТ.



Рисунок 3- стенд сушки промковша.

1- крышка промковша.

2 - горелка.

3 - трубопровод подачи природного газа.

4 - трубопровод подачи воздуха.

5 - шкаф управления.

Горелку внутри ковша размещают на расстояние ее торца от крышки в пределах 0,001-0,2 м и ориентируют факел горелки в направлении дна ковша.

Температура в промежуточном ковше определяется интенсивностью подвода и сжигания топлива и в этом смысле она является регулируемым параметром. Однако температура в промежуточном ковше может рассматриваться и как регулирующее воздействие по отношению, например, к температуре нагрева футеровки. Футеровку ковшей необходимо сушить до температуры не менее 750°С и не снижать ее ниже 50°С в течение всего цикла.

Узлы регулирования обеспечивают поддержание заданной температуры в рабочем пространстве нагревательных ковшей.

1.3 Технические требования к САР - допустимые ошибки в установившихся режимах, прямые показатели качества переходного режима.

В системе должна быть предусмотрена зашита информации от воздействия следующих факторов: аварий в системе электропитания и кратковременных резких изменений напряжения питания с помощью источников бесперебойного питания; несанкционированных действий пользователя путем программной защиты, хранения эталона ПО и нормативно-справочной информации на резервных носителях, периодического копирования информации на резервных носителях и сверке её с эталоном, своевременной замене эталона и его защите от несанкционированного доступа организационными мерами.

1.4 Анализ известных вариантов САР.

Номер публикации патента: 2140831.

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и может применяться для сушки и нагрева футеровки промежуточных ковшей. Устройство содержит неподвижную крышку, установленную с зазором относительно верхнего торца ковша. Ковш завозится под стенд с помощью тележки промковша, так как не имеется механизма для автоматического подъема крышки. Данный стенд представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - стенд сушки известных вариантов.

На рисунке 5 представлена функциональная схема автоматизированной системы регулирования стенда сушки промковшей.

Рисунок 5 - Функциональная схема САУ

В таблице 1 приведена спецификация функциональной схемы.

Таблица 1 - Спецификация

Поз.	Наименование	Кол.
1а, 2б	Рабочие области датчиков	2
1в	Термопреобразователь ТППТ	1
1з	Поворотная заслонка	2
1к	Исполнительный механизм МЭО - 40/12,5 - 0.25	2
2а	Расходомер природного газа Метран-100-ДД	1
2б	Расходомер воздуха Метран-100-ДД	1
3а, 3б	Преобразователь сигнала БИК- 40	2
3в	Вторичный измерительный преобразователь ИП-Т10-09	1
4а, 4б	Бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-3А	2
5а	Программируемый микроконтроллер Simatic серии S7-300	1
6а	АРМ оператора	2
7а	Датчик наличия пламени «Пламя-М07»	4

На рисунке 5 представлена схема для сушки промковшей используемая в настоящем времени. Принцип действия ее заключатся в следующем, после ремонта футеровки ковш нужно как следует высушить. В ковш подается природный газ и воздух, расход которых регистрирует датчиками разности давления Метран-100-ДД (FT) и отправляет данные о расходе в микропроцессорный контроллер Simatic S7-300 (UYIC), далее на АРМ (UIH). С контроллера подается сигнал на исполнительный механизм МЭО, который в свою очередь открывает заслонку на подачу воздуха. Температура в ковше измеряется термопреобразователем ТППТ (TT), который посылает преобразованный сигнал на микропроцессорный контроллер Simatic S7-300 (UYIC), далее на АРМ (UIH). Изменение температуры изменяется на АРМ (UIH), сигнал с микропроцессорного контроллера Simatic S7-300 (UYIC) поступает на исполнительный механизм МЭО, который в свою очередь открывает заслонку на подачу воздуха. Наличие пламени регистрируется датчиком Пламя-М07 (R), с которого сигнал поступает на контроллера Simatic S7-300 (UYIC), а далее на АРМ (UIH).

2 Расчетная часть

2.1 Составление функциональной схемы САУ и выбор принципиальных схем элементов её неизменяемой части

Для перехода к математической модели системы представим функциональную схему на рисунке 6.

Рисунок 6 - Функциональная схема САУ после модернизации

В таблице 2 приведена спецификация функциональной схемы.

Таблица 2 - Спецификация

Поз.	Наименование	Кол.
1а, 2б	Рабочие области датчиков	2
1в	Термопреобразователь ТППТ	3
1з	Поворотная заслонка	2
1к	Исполнительный механизм МЭО - 40/25 - 0.25	2
2а	Расходомер природного газа Prowirl 72	1
2б	Расходомер воздуха Prowirl 72	1
3в	Вторичный измерительный преобразователь ИП-Т10-09	1
4а, 4б	Бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-3А	2
5а	Программируемый микроконтроллер Simatic серии S7-300	1
6а	АРМ оператора	2
7а	Датчик наличия пламени «Пламя-М07»	4

На рисунке 6 представлена схема для сушки промковшей после модеонизации. Отличие ее от предыдущей заключатся в следующем расход подачи природный газ и воздух осуществляется датчиками Prowirl 72 (FT) и отправляет данные о расходе в микропроцессорный контроллер Simatic S7-300 (UYIC), далее на АРМ (UIH). С контроллера подается сигнал на исполнительный механизм МЭО, который в свою очередь открывает заслонку на подачу воздуха. Температура в ковше измеряется термопреобразователем ТППТ (TT), который посылает преобразованный сигнал на микроконтроллера Simatic S7-300 (UYIC), далее на АРМ (UIH). Изменение температуры теперь может вестись как с пульта на АРМ (UIH) так и программой, сигнал программируемого микроконтроллера Simatic S7-300 поступает на исполнительный механизм МЭО, который в свою очередь открывает заслонку на подачу воздуха. Также для контролирования наличия пламени установлен датчик Пламя-М07 (R).

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

Для перехода к математической модели системы представим функциональную схему в более простом виде на рисунке 7.

В данной АСУ стендом сушки (рис. 7) в качестве пульта управления (ПУ) используется персональный компьютер с установленной на нем системой визуализации InTuch, которая позволяет как следить за технологическим процессом так и вносить коррективы в процесс сушки промковшей. Исполнительным механизмом (ИМ) в системе является МЭО-40 так как позволяет с достаточной точностью отрабатывать сигнал поступающий с контроллера, механизм МЭО-40 прост в обслуживании и способен работать в тяжелых промышленных условиях. В качестве регулирующего органа (РО) используется поворотная, упорная заслонка, выбор упорной заслонки обусловлен тем что при полном её закрытии предотвращается утечка газа в область промковша. Объект регулирования (ОР) - это горелки стенда. Чувствительным элементом (ЧЭ) системы является термопреобразователь. Так же в системе установлены датчики расхода воздуха и расхода газа Prowirl 72, которые не отображены на схеме так как используются только для контроля расхода воздуха и газа. Установка датчиков Prowirl 72 вместо расходомерных диафрагм позволяет отслеживать расход как газа так и воздуха с высоко точностью, они имеют высокую отказоустойчивость, интуитивный интерфейс настройки и функции самодиагностики. Сигналы с датчиков поступают на контроллер S7-300. Замена CPU 313C-2 PTP на CPU 314C-2 PTP контроллера Simatic S7-300 обусловлена тем что после усовершенствования системы CPU 314C-2 PTP является более гибким для модернизации, он полностью конфигурируется с датчиками и исполнительными механизмами, достаточно просто осуществляется подключение к промышленным сетям, обеспечивает высокую надежность работы за счет современной конструкции.

Рисунок 7 - Упрощенная функциональная схема

2.3 Выбор измерительно-пеобразовательных элементов (первичных и вторичных) диапазон измерения, условия работы, инерционность вопросы сглаживания с устройствами

Для измерения температуры рабочей среды используется термопреобразователь (рис.8) градуировки ТПП (В) конструктивной модификации 01.20-022 с термоэлектродами диаметром 0.5мм (А), класс допуска 3, два изолированных (И2) рабочих спая, двойной чехол из алюмооксидной керамики (К795) диаметром 20мм, общая монтажная длина (L) 800мм, длина керамической части чехла ( lK) 600мм.

Рисунок 8 - ТППТ 01.22 с двойным чехлом

Технические характеристики термопреобразователя:

1. диапазон рабочих температур, оС - от 0 до 1300;

2. рабочее давление - 0,1 МПа;

3. класс допуска - 1 и 2;

4. метал металлургической арматуры защитного чехла - С10 сталь 12Х18Н10Т;

5. материал рабочей части защитного чехла:

· К530 - мулито-алюмосиликатная керамика с содержанием Al2O3 не менее 80%;

· К795 - алюмооксидная керамика с содержанием Al2O3 не менее 95%;

· К799 - алюмооксидная керамика с содержанием Al2O3 не менее 99,5%.

Для измерения природного газа и воздуха применяется Prowirl (рис. 9).

Вихревые расходомеры Prowirl предназначены для измерения объемного расхода и объема мало-вязких жидкостей, насыщенного и перегретого пара, газов: при значительных перепадах температуры измеряемой среды и окружающего воздуха. Применение: в тепловых станциях, газораспределительных узлах и пунктах в распределенных системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами, а так же в автономном режиме.

Рисунок 9 - Вихревой расходомер Prowirl 72

Принцип измерения и конструкция.

Основан на принципе вихревой дорожки Кармана: при обтекании потоком препятствия - вихревого тела первичного преобразователя расхода, возникают завихрения, которые на его поверхностях вызывают перепады давления, их частота пропорциональна скорости потока и объемному расходу Вторичный электронный преобразователь фиксирует количество перепадов давления и преобразует его в электрический аналоговый-цифровой сигнал.

Вихревой расходомер Prowirl 72 представляет собой программируемое средство измерений и состоит из первичного вихревого преобразователя расхода и электронной части в герметичном корпусе Настройка прибора осуществляется соответственно условиям применения, как оперативно с помощью кнопок на самом приборе, так и удаленно в программном режиме через интерфейс цифровой коммуникации. Измерительная информация отображается на цифровом жидкокристаллическом дисплее или на мониторе компьютера или контроллера. Монтаж осуществляется непосредственно в трубопровод в зависимости от конструкции преобразователя расхода: с помощью штуцеров, резьбовой монтаж.

Для регистрирования наличия пламени на всех горелках установлены датчики «Пламя-М07». Пламя-М07 -- предназначены для непрерывного автоматического контроля наличия пламени в камерах сгорания газотурбинных установок и сигнализации об отсутствии и наличии пламени. Все характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Технические характеристики

Освещенность фотодатчика, лк, не более	20000
Инерционность, с, не более	2
Температура воздуха, °С,	окружающего фотодатчик	от -20 до +70
	преобразователь	от -40 до +50
Выходные параметры	2 переключающие группы контактов реле
Напряжение питания, В	27 В пост. тока
Потребляемая мощность, не более	15 Вт
Длина линии связи, м, не более	300

2.4 Выбор исполнительных устройств

Механизмы исполнительные электрические однооборотные (рисунок 10) постоянной скорости МЭО предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. Технические характеристики МЭО-40/25-0.25: крутящий момент - 40 Нм; время полного хода - 25 с.; полный ход (доля полного оборота) - 0,25; питание - 220В 50Гц; потребляемая мощность - 110 Вт; электродвигатель - ДСОР-80-0.4-136.

Режим работы: вид - повторно-кратковременный с частыми пусками S4 по ГОСТ 183; частота включений - до 320 в час; продолжительность включений - до 25% при нагрузке на выходном органе в пределах от номинальной противодействующей до 0.5 номинального значения сопутствующей; Максимальная частота включений - 630 в час при продолжительности включений до 25%; При реверсировании интервал времени между выключением и включением на обратное направление - не менее 50мс.

Рисунок 10 - Габаритные и присоединительные размеры механизма МЭО.

2.5 Математическое описание САУ и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

2.5.1 Определение математической модели объекта- статические характеристики, кривая разгона, частотные характеристики

Объект управления на структурной схеме САУ представляется виде соединения двух звеньев:

Апериодического и звена чистого запаздывания рисунок 11.

Рис. 11 - Структурная схема объекта управления

Кривая разгона взята на основании теоретических данных из технической литературы [3] и представлена на рисунке 12.

Рис. 12 - Кривая разгона

Динамические характеристики Коб, Тоб и фоб находятся по графику кривой разгона (рис. 12). Из этого графика находим что

Коб=4

,

Исходя из полученных результатов, объект управления на математической модели САУ будет иметь вид представленный на рисунке 13.

Рисунок 13 - Математическая модель объекта управления

2.5.2 Определение передаточных функций измерительно- преобразовательных и исполнительных устройств

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ представляется в виде соединения трех звеньев: звена усилителя, звена исполнительного механизма и закона регулирования, представленный на рисунок 14.

Рисунок 14 - Структурная схема автоматического регулятора.

Звено усиления отражается коэффициентом усиления Кр, который для разрабатываемой системы имеет следующее значение:

Кр=0,4(% хода ИМ/ оС)

Исполнительным механизмом в автоматизированной системе управления является механизм электрический однооборотный (МЭО 40), передаточная функция которого имеет следующий вид:

Закон регулирования в общем виде описывается следующим выражением:

Подставив значения закон регулирования примет следующий вид:

2.5.3 Выбор закона автоматического управления в общем виде

Чтобы выбрать регулятор и рассчитать параметры его настройки, необходимо знать следующее.

Динамические параметры объекта регулирования.

Максимальный в условиях эксплуатации коэффициент передачи объекта управления

К0=4

Постоянную времени ОУ

Т0=92с

Запаздывание с

Величину максимального возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации ОУ

Ув=12%

Основные показатели качества переходного процесса

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

Допустимое время регулирования tрег<282 c

По этим известным величинам рассчитываем следующее

Величину обратную относительному времени запаздывания находим по формуле

(1)

подставив значение получим

Допустимое относительное время регулирования находим по формуле

(2)

Допустимый динамический коэффициент регулирования находим по формуле

(3)

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины находим по формуле

(4)

подставим в эту формулу значения, получим

=0,04%

Выразим эту величину в процентах

=4%

Большинство автоматизированных металлургических в САУ с регулятором непрерывного действия протекает успешно, если в системе имеет место один из трех типовых процессов регулирования:

· Апериодический

· С 20% перерегулированием

· С min интегральной квадратичной ошибкой

По значению /выбираем тип регулятора.

Значению /=0,435 соответствует непрерывный тип регулирования.

Так как показатель колебательности М принадлежит промежутку 1,4<М<1,8, то выбираем процесс с 20% перерегулированием.

Пользуемся графиком зависимости от / рисунок 15 при выбранном оптимальном процессе, определяем, что =0,4 при 1/=0,435 могут обеспечить П, ПИ, ПИД-регулятора.

Рисунок 15 - Динамический коэффициент регулирования на статических объектах. Апериодический процесс, где 1 - И-регулятор, 2 - П-регулятор, 3 - ПИ-регулятор, 4 - ПИД-регулятор.

Выбираем ПИД-регулятор.

По графику зависимости =f() рисунок 16. Определим отклонение при установке ПИД-регулятора

Рисунок 16 - Остаточное отклонение на статических объектах.

=0,58

Выразим ,

=0,58 *4*12

=27,84 оС

Так как допустимое значение <3оС, то П-регулятор не может быть применен. Определим, каким будет время регулирования для ПИ-регулятора. Оно должно быть меньше

<282 с

Для определения воспользуемся графиком зависимости рисунок 17 для процесса с 20% перерегулирования

Рисунок 17 - Время регулирования на статических объектах. Апериодический процесс, где 1 - И-регулятор, 2 - П-регулятор, 3 - ПИ-регулятор, 4 - ПИД-регулятор.

=282 с

< следовательно, процесс с 20% перерегулированием может быть реализован с САУ ПИ-регулятором

Приближенное определение настроек регулятора произведен по следующим формулам.

Коэффициент усиления регулятора найдем по формуле

(5)

Кр=0,4

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле

(6)

2.5.4 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

SIMATIC -- торговая марка компании Siemens AG, объединяющая различные средства промышленной автоматизации, предназначенные для решения задач автоматизации технологических процессов, производств и предприятий:

· SIMATIC S5, SIMATIC S7 -- линейки программируемых логических контроллеров (ПЛК).

· SIMATIC NET -- сетевые решения на основе промышленных сетей PROFInet, Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS-Interface, KNX.

· SIMATIC HMI -- средства человеко-машинного интерфейса.

Контроллеры Simatic это самые передовые свободно программируемые ПЛК (программируемые логические контроллеры). Принцип работы ПЛК Simatic заключается в следующем: производится сбор сигналов от датчиков, их обработка по прикладной программе пользователя, а также выдача управляющих сигналов на исполнительные устройства.

Промышленное программное обеспечение SIMATIC - это система тесно связанных инструментальных средств для программирования и обслуживания систем автоматизации SIMATIC S7/C7, а также систем компьютерного управления SIMATIC WinAC. Эти инструментальные средства содержат исчерпывающий набор функций, необходимых для всех этапов разработки и эксплуатации систем автоматического управления:

· Планирование, проектирование, конфигурирование и настройка параметров аппаратуры и систем связи.

· Разработка программы пользователя.

· Документирование.

· Тестирование и отладка.

· Обслуживание.

· Управление процессом.

· Архивация данных.

Модификации контроллеров:

· SIMATIC S7-300 -- программируемые контроллеры для построения систем управления средней и высокой степени сложности.

· SIMATIC S7-300H -- программируемые контроллеры с резервированной структурой, обеспечивающие высокую надежность функционирования системы управления

· SIMATIC S7-300F/FH -- программируемые контроллеры для построения систем противоаварийной защиты.

Так как в данной области промышленности производственного процесса связана с большими материальными потерями, поэтому к надежности функционирования их систем управления предъявляются повышенные требования. Для автоматизации таких производств может использоваться только резервированный контроллер. SIMATIC S7-300 имеет дублированную структуру и обеспечивает высокую надежность функционирования систем автоматизации, построенных на его основе. Он способен продолжать работу при наличии одного или нескольких отказов в различных частях системы. Благодаря этому программируемый контроллер SIMATIC S7-300H может применяться для автоматизации:

· процессов с высокими затратами на перезапуск системы в результате отказа контроллера;

· процессов с высокой стоимостью простоя;

· процессов, в которых используются дорогостоящие материалы;

· необслуживаемых процессов;

· процессов с ограниченным количеством обслуживающего персонала.

2.5.5 Определение математической модели САУ, исследованные на устойчивость

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления и автоматического регулятора определенным образом взаимодействующих друг с другом.

Структурная схема САУ изображена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Структурная схема САУ

Разомкнутая система САУ с числовыми значениями изображена на рисунке 19.

Рис. 19 - Разомкнутая система САУ

Передаточная функция имеет следующий вид

(7)

То=92 с

Тс=1 с

Коб=4(оС/%хода РО)

=8 с

Ти=64,4 с

Кр=0,4(% хода ИМ/ оС)

Подставим числа тогда передаточная функция разомкнутой системы примет вид:

(8)

Характеристическое уравнение разомкнутой системы

Передаточная функция замкнутая системы имеет вид

(9)

Подставим значения

То=92 с

Тс=1 с

Коб=4( оС /%хода РО)

=8 с

Ти=64,4 с

Кр=0,4(% хода ИМ/ оС)

Передаточная функция замкнутой системы

Характеристическое уравнение замкнутой системы

Основанным назначением автоматической системы регулирования является поддержание заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону. При отклонении в данный момент времени регулируемого параметра от заданного значения, что может произойти или в результате появления возмущающих воздействий на систему, или при изменении заданного значения регулируемой величины, автоматический регулятор воздействует на систему таким образом, чтобы ликвидировать это отклонение. В системе возникает переходный процесс, определяемый ее динамическими свойствами.

Если после окончания переходного процесса система снова приходит в первоначальное или в другое равновесное состояние, то такую систему называют устойчивой.

Если при тех же условиях или возникают со все возрастающей амплитудой, или происходит монотонное увеличение отклонения регулируемой величины от ее заданного равновесного значения, то систему называют неустойчивой.

Для того, чтобы определить, устойчива или неустойчива система, необходимо изучить ее поведение при малых отклонениях от равновесного состояния.

Если при этом система стремится вернуться к равновесному состоянию, то она устойчива. Если в системе возникают силы, которые стремятся увеличить отклонение системы от равновесного состояния, система неустойчива.

Системы, в которых одной и той же входной величине (воздействию, выводящему систему из равновесного состояния) соответствует множество значений выходной величины, называют нейтрально-устойчивыми.

Различают 2 вида устойчивости системы:

1) устойчивость в малом.

2) устойчивость в большом.

Система устойчива в малом, если она устойчива при определенных значениях параметров и условий работы системы, т.е. такая устойчивость оценивается с помощью линейных дифференциальных уравнений.

Система устойчива в большом - это устойчивость системы без ограничений. Устойчивость определяется по нелинейным дифференциальным уравнениям.

Математически устойчивость системы можно записать следующим образом:

Хвых(t)=Хс(t)+Хв(t);

где Хвых(t) - переходный процесс системы;

Хс(t) - собственные колебания системы;

Хв(t) - вынужденные колебания системы. Система будет устойчива, если после снятия возмущающего воздействия собственные колебания системы стремятся к нулю, т.е.

limXc(t)=0;

С помощью критерия устойчивости можно судить об устойчивости системы непосредственно по коэффициентам характеристического уравнения без вычисления его корней.

Частотные критерии в большинстве случаев используется в качестве графоаналитических критериев.

Отличительной чертов большинства частотных критериев является то, что они позволяют судить об устойчивости замкнутой системы по частотным характеристикам разомкнутой системы.

Так как устойчивость системы можно оценить с помощью линейный дифференциальных уравнений русский ученый Ляпунов вывел теоремы устойчивости системы на основании корней характеристического уравнения.

Теоремы Ляпунова

1) Если все корни характеристического уравнения имеет отрицательную действительную часть, т.е. расположены в левой части комплексной полуплоскости, то система будет устойчивой.

2) Если хотя бы один из корней характеристического уравнения имеет положительную действительную часть, т.е. находится в правой полуплоскости, то такая система будет неустойчива.

3) Если хотя бы один из корней характеристического уравнения имеет действительную часть, равную нулю, то система находится на границе устойчивости.

Необходимым условием устойчивости системы является требование, заключающееся в том, чтобы все коэффициенты ее характеристического уравнения были положительными. Это условия является необходимым, но недостаточным. Уже для системы выше второго порядка только положительность коэффициентов характеристического уравнения еще не гарантирует устойчивость системы. Необходимые и достаточные условия устойчивости системы определяется с помощью критерия устойчивости Рауса-Гурвица, критерия Михайлова и амплитудно-фазового критерия Найквиста.

Критерий Михайлова

Критерий устойчивости основан на связи между характером переходного процесса, возникающего при нарушении равновесия системы, и амплитудой и фазой вынужденных выходных колебаний, которые возникают под воздействием гармонического входного сигнала.

Для определения устойчивости по Михайлову необходимо в характеристическом уравнении замкнутой системы заменить оператор Р на jw и тогда получим следующую функцию:

Все слагаемые этой функции, содержащие jw в четной степени, будут являться действительной частью характеристического уравнения, а слагаемые нечетной функции - мнимой частью.

Если изменять частоту w от 0 до +, то векторопишет на комплексной плоскости кривую, которая называется годографом Михайлова.

Определение устойчивости системы по Михайлову

Для того, чтобы автоматическая система управления была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова, начинаясь на положительной части действительной оси, при изменении частоты w от 0 до +, обходил против часовой стрелки n-квадрантов, поворачиваясь на угол n* не обращаясь в нуль, где n-степень характеристического уравнения .

Для того, чтобы построить годограф Михайлова, нужно определить действительную и мнимую части характеристического уравнения при изменении частоты w от 0 до +.

(10)

Характеристическое уравнение замкнутой системы автоматического уравнения:

(11)

Заменив в левой части характеристического уравнения на и выделив действительную и мнимую части, получим для комплексной частотной характеристической функции Михайлова (годографа Михайлова) следующее выражение:

(12)

(13)

(14)

(15)

После приведения подобных членов получим:

(16)

(17)

Расчет действительной и мнимой части производится на компьютере с помощью программы TARKURS. Результаты расчета сведены в таблицу 4.

В компьютер подставляем следующие значения

То=92 с

Тс=1 с

Коб=4((0С)/%хода РО)

=8 с

Ти=64,4 с

Кр=0,4(% хода ИМ/(0С))

Таблица 4 Результаты вычислений

0,0001	1,6	0,01
0,006	1,482	0,611
0,088	1,382	0,788
0,01	1,267	0,974
0,012	1,114	1,132
0,013	1,026	1,205
0,017	0,588	1,439
0,02	0,161	1,549
0,025	-0,769	1,588
0,03	-2,012	1,431
0,035	-3,624	1,071
0,04	-5,657	0,517
0,045	-8,162	-0,209

Годограф Михайлова изображен на рисунке 20

Вывод: исследуемая замкнутая САУ является устойчивой, так как при изменении частоты от 0 до конец вектора проходит последовательно три квадранта, что соответствует степени уравнения.

Критерий Найквиста

Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой автоматической системы управления по расположению АФХ разомкнутой системы.

Устойчивость системы по Найквисту определяется на основании АФХ разомкнутой системы.

Если разомкнутая системы система устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы не охватывало критическую точку с координатами [-1;j0].

Если разомкнутая системы система не устойчива, то для ее устойчивости в замкнутом состоянии необходимо и достаточно, чтобы АФХ разомкнутой системы охватывало критическую точку с координатами [-1;j0] против часовой стрелки К/2 раза, где К-число корней правой полуплоскости. Устойчивость разомкнутой системы определяется на основании характеристического уравнения разомкнутой системы Ляпунова или Рауса-Гурвица.

(18)

заменив в уравнении на , получим передаточную АФХ разомкнутой системы:

(19)

Введем обозначения

тогда:

(20)

где: -действительная часть АФХ разомкнутой системы;

-мнимая часть АФХ разомкнутой системы.

Расчет действительной Re(w) и миной Im(w) части для построения АФХ производил на компьютере. Результаты вычислений сведены в таблицу 5.

То=92 с

Тс=1 с

Коб=4((0С)/%хода РО)

=8 с

Ти=64,4 с

Кр=0,4(% хода ИМ/(0С))

Таблица 5 Результаты вычислений

0,001	-1,176	-1,789
0,01	-0,792	-0,529
0,02	-0,591	-0,127
0,03	-0,296	0,188
0,05	-0,051	0,242
0,07	0,041	0,211
0,08	0,107	0,158
0,09	0,144	0,092
0,1	-0,001	0,012

График АФХ разомкнутой системы изображения на рисунке 14.

Определим частотные показатели. На основании этих показателей уточняют параметры настройки регулятора.

Если при проектировании системы задается показатель колебательности М, то для его выполнения необходимо, чтобы АФХ разомкнутой системы не заходила внутрь окружности, радиус которого R, а центр окружности С.

(21)

(22)

(23)

Рисунок 21 - АФХ разомкнутой системы

По графику АФХ определяем запас устойчивости по модулю и по фазе. Запас устойчивости по фазе () должен укладываться в промежуток 40-60о. Запас устойчивости по модулю (Н) должен находиться в рамках 0,4-0,6.

По графику получаем следующие значения

=24o

Н=0,6

Вывод: Система автоматического управления с ПИ регулятором устройства, так как АФХ разомкнутой системы не охватывает на комплексной плоскости критическую точку с координатами (-1;j0) и имеет запас устойчивости как по модулю так и по фазе: ,Н.

2.6 Расчет конфигурации устройства управления и основание заказной спецификации

В таблице 6 представлено CPU и максимальное количество входов/выходов контроллера SIMATIC S7-300.

Таблица 6 - Характеристики контроллера SIMATIC S7-300

Технические характеристики центральных процессоров	CPU 312	CPU 313	CPU 314
Объем встроенного ОЗУ	768 КБ	2,8 МБ	30 МБ
Объем загружаемой памяти (карта памяти)	256 КБ RAM / до 64 МБ
Время выполнения операций с битами и словами/числами с фиксированной точкой/ числами с плавающей точкой, нсек.	75/75/225	45/45/135	18/18/54
Интерфейс	1xMPI/DP	1xMPI/DP,1xDP
Адресное пространство ввода/вывода, КБ	8/8	16/16
Максимальное количество входов/выходов
Дискретных		65536/65536	131072/131072
Аналоговых		4096/4096	8192/8192

Резервированные модули ввода-вывода конфигурируются парами. Использование резервированных каналов ввода-вывода обеспечивает наиболее высокую надежность функционирования системы автоматизации, поскольку система способна продолжать свою работу при отказе одного из центральных процессоров, одной из ветвей резервированной сети PROFIBUS DP или одного из модулей ввода-вывода резервированной пары.

Модули ввода-вывода могут резервироваться следующими способами:

· Симметричной установкой двух одинаковых модулей в базовые блоки или стойки расширения программируемого контроллера S7-300.

· Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M одноканальной системы распределенного ввода-вывода программируемого контроллера S7-300.

· Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M переключаемой конфигурации системы распределенного ввода-вывода программируемого контроллера S7-300.

· Симметричной установкой двух одинаковых модулей в две станции ET 200M одноканальной системы распределенного ввода-вывода одного базового блока S7-300. Рекомендуется в случаях поэтапного внедрения H-системы (на первом этапе устанавливается один, на втором этапе - второй базовый блок программируемого контроллера S7-300).

Заказная спецификация представлена в таблице 7.

Таблица 7- Заказная спецификация оборудования

Наименование	кол.
Термопреобразователь ТППТ	3
Вторичный измерительный преобразователь ИП-Т10-09	1
Преобразователь сигнала БИК- 40	2
Поворотная заслонка	2
Исполнительный механизм МЭО - 40/25 - 0.25	2
Расходомер природного газа Prowirl 72	1
Расходомер воздуха Prowirl 72	1
Бесконтактный реверсивный пускатель ПБР-3А	2
Программируемый микроконтроллер Simatic серии S7-300	1
Датчик наличия пламени «Пламя-М07»	4
Персональный компьютер	2

2.7 Требование предъявляемые к ПО АСУ ТПиП

Программное обеспечение (ПО) должно базироваться на международных стандартах и отвечать следующим принципам:

- модульность построения всех составляющих;

- иерархичность собственно ПО и данных;

- эффективность (минимальные затраты ресурсов на создание и обслуживание ПО);

- простота интеграции (возможность расширения и модификации);

- гибкость (возможность внесения изменений и перенастройки);

- надежность (соответствие заданному алгоритму, отсутствие ложных действий), защита от несанкционированного доступа и разрушения как программ, так и данных;

- живучесть (выполнение возложенных функций в полном или частичном объемах при сбоях и отказах, восстановление после сбоев);

- унификация решений;

- простота и наглядность состава, структуры и исходных текстов программ.

Должно предусматриваться разделение ПО на базовое (фирменное), поставляемое разработчиком ПТК, и прикладное (пользовательское), которое может разрабатываться как поставщиком ПТК, так и разработчиком АСУ ТП.

Должны быть предусмотрены меры по защите информации и недопущению внесения изменений в базовое ПО без привлечения разработчика ПТК. Должна иметься возможность задания паролей и установления границ санкционированного доступа при внесении изменений в прикладное ПО АСУ ТП.

Фирменное ПО должно сопровождаться эксплуатационной документацией.

1. Требования к базовому (фирменному) программному обеспечению

Базовое ПО подразделяется на системное ПО и ПО инструментальных средств разработки, отладки и документирования (САПР).

Системное ПО включает в себя:

- стандартные операционные системы;

- пакеты программной поддержки обмена данными;

- системы управления локальными и распределенными базами данных.

Программное обеспечение инструментальных средств разработки, отладки и документирования включает в себя:

- средства настройки базового ПО, диагностики и самодиагностики работоспособности ПТК;

- средства создания и отладки прикладного ПО.

Операционные системы устройств верхнего уровня ПТК должны удовлетворять следующим требованиям:

- высокая производительность, поддержка многозадачного режима;

- высокая степень устойчивости и надежности;

- поддержка обменов информации по используемым в ПТК локальным сетям;

- удобный и понятный пользователю графический интерфейс, простота и эффективность использования;

- возможность работы с мультимедиа;

- возможность конфигурирования под конкретные условия использования.

На нижнем уровне ПТК должны использоваться высокопроизводительные операционные системы (ОС).

Операционные системы нижнего уровня должны обеспечивать:

- поддержку многозадачного или псевдомногозадачного режима;

- модульность, гибкую конфигурируемость, возможность 100%-го размещения в ПЗУ контроллера;

- малое время реакции, многоуровневую, основанную на приоритетах, обработку прерываний и присвоение меток времени зафиксированным событиям;

- развитые средства коммуникации (поддержка стандартных сетей, а также различных промышленных интерфейсов ввода-вывода);

- возможность (при необходимости) стыковки с техническими средствами сторонних разработчиков (по отдельной заявке заказчика).

Допускается использование ОС общего назначения в комплекте с приложениями, обеспечивающими реализацию свойств, характерных для мультизадачных систем реального времени.

Программное обеспечение инструментальных средств разработки, отладки, документирования и проектирования АСУ ТП (только в части ПТК) является неотъемлемой частью ПО ПТК. Инструментальные средства должны базироваться на действующих стандартах и обеспечивать решение наиболее сложных вопросов, связанных с автоматизацией процессов создания АСУ ТП и прикладных программ: прием и обработка сигналов, организация автоматического управления исполнительными устройствами, визуализация измеренных величин (в том числе в виде графиков, гистограмм и т.п.), ведение архивов и генерации отчетов. Результатом проектирования должны быть компоненты системы управления, полностью готовые к запуску.

Инструментальные средства должны, как правило, совмещать в себе функции разработки и тестирования.

Инструментальное ПО должно включать следующие программные средства:

- компоновки и генерации технических и программных средств ПТК;

- библиотеку программных модулей стандартных алгоритмов сбора и обработки технологической информации, управления, регулирования и технологических защит;

- автоматизированного формирования исполняемых программных модулей на основе технологических заданий, представленных в виде БД и технологических алгоритмов, разработанных с использованием технологических языков и библиотеки стандартных алгоритмов;

- пакеты программ создания фрагментов и их отдельных элементов;

- организации и обслуживания баз данных;

- проведения самодиагностики и тестирования аппаратуры и программного обеспечения;

- разработки и включения в состав математического обеспечения ПТК и АСУ ТП программ, написанных на универсальных языках программирования;

- средства разработки ПО (редакторы, линкеры, отладчики, трансляторы и т.п.);

- средства автоматизированного проектирования ПТК в составе АСУ ТП, включая средства автоматизированного распределения и расположения модулей УСО в контроллерах и распределения входных-выходных каналов ПТК по контроллерным шкафам и их клеммникам.

Комплект инструментального ПО должен содержать также следующий набор программ:

- редактор схем логического управления и технологических защит;

- редактор схем автоматического регулирования и программного управления;

- редактор видеограмм;

- редактор проектной документации на ПТК.

Инструментальные средства предназначены для максимального упрощения и облегчения процесса разработки и проектирования ПТК и АСУ ТП в целом.

Инструментальные средства, помимо перечисленных выше, должны также включать средства контроля и диагностики функционирования ПТК, а также его коррекции, модернизации и наладки на объекте.

Программно-технические комплексы для АСУ ТП отечественных ТЭС должны иметь полностью русифицированный интерфейс пользователя (проектировщика, разработчика, наладчика, оперативного и обслуживающего персонала).

2. Требования к прикладному программному обеспечению

Прикладное (пользовательское) программное обеспечение должно обеспечивать реализацию ПТК всех функций управления и обработки информации, включенных в техническое задание на конкретную АСУ ТП.

Все типовые задачи, оговоренные в настоящих ОТТ, связанные со сбором, обработкой, передачей, хранением и представлением информации, а также с выдачей управляющих воздействий и информации на исполнительные и другие внешние устройства, должны программироваться на технологических языках или с помощью других программных средств, не требующих знаний в области применения универсальных языков программирования.

Должна предусматриваться возможность сохранения исходных пользовательских программ на магнитных носителях и при необходимости загрузки пользовательских программ через интерфейсные каналы в память контроллеров. Аналогичная возможность должна предусматриваться и для программного обеспечения верхнего уровня ПТК.

Должна предусматриваться (в случае необходимости) возможность подготовки, изменения или коррекции (в допустимых пределах, предусмотренных при создании АСУ ТП) пользовательских программ в процессе работы ПТК в составе АСУ ТП и технологического оборудования. При этом, как правило, должна быть исключена необходимость привлечения разработчиков или профессиональных программистов. Корректировка отдельных программ должна быть локальной и не должна требовать вмешательства в остальные программы.

2.8 Требования к базовому (фирменному) программному обеспечению

2.8.1 Требования и характеристика используемого системного программного обеспечения

Требования и характеристика используемой операционной системы верхнего уровня и нижнего уровня АСУ ТПиП

На рисунок.22 приведена схема уровней автоматизации.

Рисунок 22 - Уровни автоматизации

ПО верхнего уровня:

· операционной системы (MS Windows 2000);

· коммуникационных протоколов (Ethernet 802.3, TCP/IP);

· форматов файлов (TXT, DOC, XLS);

· интерфейсов с СУБД (ODBC, SQL);

· интерфейсов динамического обмена данными DDE, NetDDE.

Программное обеспечение информационного сервера:

· операционная система MS Windows 2000 Server (SP2);

· "мастер" приложение на базе SCADA-системы Wonder ware InTouch

· InTouch Runtime;

· Сервер базы данных Industrial SQL Server.