Рисунок 4.1 - Структурная схема объекта управления

Кривая разгона объекта регулирования представляется кривой изменения во времени выходной величины в переходном процессе, который вызван однократным изменением входной величины. Кривая разгона объекта управления, представленная на рисунке 4.2 и 4.3 взята из технической литературы. [14]

Рисунок 4.2 - Кривая разгона ОР

Рисунок 4.3 - Кривая разгона объекта регулирования

К_o =0,31

фз = 11,6 с

Далее подставляем необходимые параметры в структурную схему объекта управления. Таким образом мы переходим от структурной схемы к математической модели объекта управления (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Математическая модель объекта управления

Следующий шаг - определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств. Автоматический регулятор на структурной схеме САУ представлен соединением трех типовых звеньев (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 - Структурная схема автоматического регулятора

Усилительное звено показывает коэффициент усиления К_р, который для разрабатываемой системы имеет следующее значение:

Исполнительным механизмом в автоматизированной системе управления является регулирующий клапан Vanessa 30000, передаточная функция которого имеет следующий вид:

(1)

Закон регулирования для ПИ регулятора в общем виде будет описываться следующим способом:

(2)

В нашем случае Т_и = 0,7*Т₀; и следовательно Т_и = 177,6 с. Коэффициент передачи объекта будет рассчитываться следующим способом:

(3)

Подставив значения закон регулирования примет следующий вид:

.

Далее необходимо произвести выбор закона автоматического управления в общем виде.

Максимальным в условиях эксплуатаций коэффициентом передачи объекта управления является К_o=0,31. Постоянная времени объекта управления Т₀=132,8 с. Запаздывание составляет ф_з=11,6с. Величина максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатаций объекта управления равна у_в=20%.

Основные показатели качества переходного процесса в нашем случае будут представлены:

- максимально допустимым динамическим отклонением регулируемой величины Х_Д < 5 м³/ч;

- максимально допустимым статическим отклонением регулируемой величины Х_ст < 0,3 м³/ч;

- допустимым временем регулирования t_рег < 500 c.

Данные величины позволяют произвести расчет ряда параметров. Величина, обратная относительному времени запаздывания находится по формуле:

(4)

подставив значения, получим . Нахождение допустимого относительного времени регулирования осуществляется по формуле:

(5)

Определение допустимого динамического коэффициента регулирования производим по формуле:

(6)

В нашем случае: ; .

Нахождение допустимого остаточного отклонения регулируемой величины осуществляется по формуле:

(7)

При подстановке в данной формулу значения, получим; следует произвести выражение этой величины в процентах: .

Автоматизированные металлургические процессы в САУ с регулятором непрерывного действия в большинстве своем протекают успешно, при наличии в системе одного из трех типовых процессов регулирования:

- апериодического;

- с 20% перерегулированием;

- с минимальной интегральной квадратичной ошибкой.

В соответствии со значением tз/T0 производим выбор типа регулятора. Значению =0,048 соответствует релейный тип регулятора.

Рисунок 4.6 - Динамические коэффициенты регулирования на статических объектах при 20% перерегулировании.

Поскольку показатель колебательности М входит в промежуток 1.3<М<1.8, то осуществляем выбор процесса с 20% перерегулированием.

1 - И-регулятор; 2 - П-регулятор; 3 - ПИ-регулятор; 4 - ПИД-регулятор.

Используя график зависимости от ф_з/Т₀ (рисунок 4.5) при выбранном нами оптимальном процессе, определяем, что 0,806 при 1/Z₀=0,048 может быть обеспечено И, П, ПИ, ПИД - регуляторами.

Рисунок 4.7 - Остаточное отклонение на статических объектах:

1 - апериодический процесс; 2 - процесс с 20% -ным перерегулированием; 3 - процесс с min

В нашем случае Дx_ст=0,15 ^oC. По значению определяю величину фактического остаточного отклонения:

(8)

Подставив значения, получим: x_ст=0,15*0,31*20=0,93^oC. Так как допустимое значение , следовательно П-регулятор не подходит.

Рисунок 4.8 - Проверка регуляторов по времени регулирования

1 - И-регулятор; 2 - П-регулятор; 3 - ПИ-регулятор; 4 - ПИД-регулятор

Определим, каким будет время регулирования для ПИ-регулятора. Оно должно быть меньше (tрег) доп. (tрег) доп=500 с. Для определения tр воспользуемся графиком зависимости tрег/ф=f (ф/t) (рисунок 4.6) для процесса с 20% перерегулированием

(9)

Исходя из полученных данных: tрег = 12*10,4=101,25 с. Выбранный показатель tрег < (tрег) доп следовательно, процесс с 20% перерегулированием может быть реализован в САУ ПИ-регулятором. Приближенное определение настроек регулятора произведем по следующим формулам: коэффициент усиления регулятора найдем по формуле:

(10)

В нашем случае: .

Время удвоения (изодрома) найдем по формуле

Т_и = 0,7*Т₀ (11)

Время изодрома равно: Т_и =177,6 с.

Самым важным свойством для математической модели САУ является возможность ее исследования на устойчивость. Система автоматического управления представлена совокупностью объекта управления и автоматического регулятора, которые определенным образом взаимодействуют друг с другом. Структурная схема САУ представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Структурная схема САУ

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

(12)

Преобразовав формулу получим:

(13)

Для расчета необходимо подставить следующие значения:

(14)

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет примет следующий вид:

(15)

Подставив значения получим:

(16)

Далее необходимо произвести расчет передаточной функции замкнутой системы, которая представлена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Математическая модель САР

Подставив необходимые значения в передаточную функцию получим:

(17)

Характеристическое уравнение замкнутой системы будет иметь вид:

(18)

Подставим значения получим:

(19)

4.2 Определение математической модели САУ, исследования на устойчивость

Устойчивость САУ представляет собой свойство системы осуществлять возвращение в прежнее состояние равновесия после того, как она будет выведена ее из этого состояния и окончены действия возмущающего или задающего деяния.

Замкнутым САУ с принципом управления по отклонению характеризуются неустойчивостью работы. Это связано с тем, что в них подача сигнала с выхода объекта управления осуществляется на его вход, при прохождении через множество звеньев, среди которых могут быть и колебательные. Тогда большие коэффициенты усиления системы и частота, близкая к резонансной, могут сделать систему неустойчивой (происходит рост амплитуды колебаний).

Для того чтобы определить устойчивость САУ воспользуемся следующими критериями:

- критерием Михайлова;

- критерием Найквиста;

- критерием Рауса-Гурвица [10].

Исходя из полученных данных, для построения годографа Михайлова результаты рассчета сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты вычислений

щ	Re (щ)	Im (щ)
0,0001	6,52	0,002
0,006	5,46	4,059
0,008	4,78	5,246
0,01	3,82	6,532
0,012	3,13	7,235
0,013	2,45	7,925
0,017	1,56	8,089
0,02	0,22	8,112
0,025	0	8,302
0,03	-0,76	8,166
0,035	-1,55	7,625
0,04	-2,98	7,102
0,045	-3,75	6,112
0,05	-4,22	5,147
0,055	-4,91	4,213

Графическим отображением результатов расчета является годограф Михайлова представленный на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Годограф Михайлова

Данная система автоматического регулирования будет являться устойчивой, поскольку годограф Михайлова, беря свое начало в точке на положительной части вещественной оси при изменении частоты щ от 0 до +?, обходит против часовой стрелки 3 квадранта, осуществляя поворот на угол 3р/2, при этом не обращается в нуль.

Обратимся к критерию Найквиста. Этот критерий позволяет судить об устойчивости замкнутой автоматической системы управления по расположению АФК разомкнутой системы.

Данные полученные в результате рассчетов, для построения годографа АФК разомкнутой системы сведены в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Результаты вычислений

щ	Re (щ)	Im (щ)		щ	Re (щ)	Im (щ)
0,009	-2.486	-0.777		0,09	-0.551	0.109
0,01	-2.298	-0.621		0,1	-0.451	0.171
0,02	-1.564	-0.523		0,11	-0.362	0.209
0,03	-1.338	-0.374		0,12	-0.283	0.23
0,04	-1.184	-0.212		0,13	-0.215	0.139
0,05	-1.044	-0.196		0,14	-0.157	0.138
0,06	-0.91	-0.055		0,15	-0.107	0.131
0,07	-0.782	-0.12		0,16	-0.065	-0.119
0,08	-0.661	-0.016		0,17	-0.3	0.104

Графическое представление рассчитанных данных для АФК разомкнутой системы представлено на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - АФК разомкнутой системы

В соответствии с графиком АФК определим запас устойчивости по модулю и по фазе. Запас устойчивости по фазе (г) должен находиться в промежутке . Запас устойчивости по модулю (?Н) должен составлять 0,4 - 0,6.

В соответствии с графиком получаем: ; ?Н= 0,55

Полученные данные говорят о том, что система автоматического управления с использованием ПИ регулятора будет устойчивой, поскольку АФК разомкнутой системы не охватывается на комплексной плоскости точка с координатами [-1; j0] и имеется запас устойчивости, как по модулю, так и по фазе. Данные полученные в результате моделирования позволяют говорить о том, что САР является устойчивой и полностью соответствует заданным в ТЗ требованиям:

- максимальный, в условиях эксплуатаций коэффициент передачи объектауправления: К_o =0,31;

- время чистого запаздывания объекта управления: фз = 11,6 с;

- постоянную времени объекта управления: ;

- величину максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатаций объекта управления: у_в=20%;

- максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины Х_Д < 5 м³/ч;

- максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины Х_ст < 0,3 м³/ч;

- допустимое время регулирования t_рег < 500 c.

5. Организация производства

5.1 Монтаж оборудования

Датчики и измерительные приборы устанавливаются непосредственно на трубопровод, где находится основной энергоноситель. Место, куда будет установлен расходомер Annubar 3051SFA ProBar и термометр сопротивления ТСМ Метран-203 показано на рисунке 5.1.

Определим порядок установки расходомера Annubar 3051SFA ProBar:

- выбирается прямолинейный участок трубопровода для того чтобы установить расходомер;

- наносится разметка для монтажа расходомера;

- вырезается участок трубопровода для того чтобы установить расходомер;

- устанавливаются фланцы при помощи сварочного соединения;

- крепится расходомер между фланцами;

- осуществляется монтаж кабеля и его маркировка;

- кабель выводится в шкаф контроллера.

Определим порядок установки термометра сопротивления ТСМ Метран-203:

- наносится разметка для монтажа ТСМ;

- сверлятся отверстия для того чтобы установить бобышки;

- привариваются бобышки для ТСМ;

- устанавливается через прокладку защитная гильза;

- заливается трансформаторное масло в гильзу;

- вворачивается ТСМ в гильзу;

- осуществляется монтаж кабеля и его маркировка;

- кабель выводится от ТСМ в шкаф контроллера.

Рисунок 5.1 - Место установки датчика Annubar 3051SFA ProBar

В ходе установки на трубопроводе требуется соблюдение следующих размеров:

- минимального свободного пространства во всех направлениях = 100 мм;

- требуемой длины кабеля: L + 150 мм.

Установка прибора может быть осуществлена на трубопроводе в любом положении, но в данной системе было выбрано применение горизонтальной ориентации датчика с наличием небольшого уклона для того чтобы предотвратить перегрев электроники датчика. Не зависимо от ориентации, стрелка на корпусе прибора всегда должна находится в соответствии с направлением потока.

Установка датчиков давления должна быть произведена в специальный защитный шкаф, что представлено на рисунке 5.2.

Определим порядок установки датчиков давления Sitrans P500 серии DS III.

- наносится разметка для того чтобы осуществить монтаж датчика;

- сверлится отверстие для отбора;

- устанавливается фланец при помощи сварочного соединения;

- устанавливается шаровой кран;

- устанавливается мембранный разделитель;

- устанавливается датчик;

- производится монтаж кабеля и его маркировка;

- кабель выводится в шкаф контроллера.

Рисунок 5.2 - Монтажный чертеж измерительных преобразователя давления Sitrans-PDSIII

После того как будет установлен датчик Sitrans P DSIII на трубопровод осуществляется следующая проверка:

Состояния прибора:

- есть ли внешние повреждения (при визуальном осмотре);

- находится ли прибор в соответствии со спецификацией на измерительную точку, в том числе давление и температуру процесса, окружающие температуры, диапазон измерения.

Монтажа прибора:

- находится ли стрелка на корпусе прибора в соответствии с реальным направлением потока в трубопроводе;

- корректна ли маркировка измерительной точки (при визуальном осмотре);

- корректно ли произведен выбор ориентации сенсора, иначе говоря, находится ли она в соответствии с типом сенсора, свойствами среды (содержанием газов или твердых примесей) и ее температурой.

Условий процесса / окружающих условий:

- является ли прибор защищенным от влаги и прямого солнечного света.

Отдельно стоит рассмотреть монтаж регулирующего клапана Vanessa 30000. Клапан должен быть установлен на прямолинейном участке трубопровода не менее чес за 3 метра от его изгиба.

Порядок монтаж регулирующего клапана Vanessa 30000:

- выбор прямого участка трубопровода для монтажа клапана;

- нанесение разметки для монтажа клапана;

- вырез участка трубопровода;

- установка фланцев сварочным соединением;

- крепление клапана между фланцами;

- монтаж кабеля и его маркировка;

- вывод кабеля в шкаф контроллера.

Рисунок 5.3 - Положение регулирующего клапана Vanessa 30000

5.2 Поверка датчиков и вторичных приборов

Средства измерений подвергают следующим видам поверок:

- первичная поверка - поверка при выпуске средств измерений (СИ) из производства;

- периодическая поверка - поверка при эксплуатации и хранении через интервал по графику, согласованному с государственной метрологической службой;

- внеочередная поверка - поверка, производимая при повреждении поверительного клейма, пломбы, утери свидетельства о поверки, после длительного хранения, ремонта и настройки прибора;

- инспекционная - поверка, проводимая органами метрологического надзора;

Поверка средств измерения - совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы с целью определения и подтверждения соответствия СИ в соответствии с установленными техническими требованиями. Вместе с поверкой приборов производится их калибровка. Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых калибровщиком СИ, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору с целью установления действительного значения измеряемого параметра. Обязательной государственной поверке подлежат СИ, контролируемые государственным метрологическим надзором и контроле. Поверка и калибровка СИ производится в соответствии с требованиями нормативных документов: методы и средства поверки, утвержденные поверочные схемы, инструкции и методики поверки. Поверочная деятельность осуществляется метрологическими службами юридических лиц, аккредитованных в органах государственной метрологической службы. Результатом поверки является подтверждение пригодности СИ к применению или признание СИ непригодным. Если СИ пригодно, то на него или техническую документацию наносится поверительное клеймо или выдается свидетельство поверки. Если СИ непригодно, то гасится поверительное клеймо, аннулируется свидетельство о поверке, выписывается извещение о непригодности или делается запись в технической документации. На каждое СИ д. б. составлена техническая документация: паспорт, формуляр и протоколы поверки.

5.3 Наладка ПО и ПЛК

Наладка контроллера при помощи программного обеспечения осуществляется непосредственно с рабочего места оператора. Рабочая станция должна быть оснащена операционной системой Window ХР. Для того чтобы работать с программным обеспечением контроллера требуется установка на автоматизированном рабочем месте программиста следующих программных продуктов:

- пакета программ STEP 7;

- SOFTNETS7;

- CFCv6.0;

- D7-SYSv6.0.

Поставка инструкций по установке данных приложений осуществляется вместе с программным обеспечением.

Необходима установка на рабочих станциях следующих программных продуктов:

- SIMATIC WinCC v6.2 SP2 с лицензией на 8192 переменных;

- SIMATIC WinCC/Server и WinCCAJserArchiv (опциональных пакетов) с лицензиями на каждый опциональный пакет.

Поставка инструкций по установке данных приложений осуществляется вместе с программным обеспечением.

При установке ПЛК в шкаф необходимо соблюдать размеры зазоров. Для конструкций S7-400, которые размещены на нескольких стойках, размеры зазоров между отдельными стойками, а также между соседними элементами оборудования, кабельными каналами, по отношению к стенкам шкафов и т.д. Эти минимальные промежутки необходимы как при монтаже, так и при работе:

- для того чтобы устанавливать и удалять модули;

- для того чтобы устанавливать и отсоединять фронтштекеры модулей;

- для того чтобы обеспечивать воздушный поток, необходимый для охлаждения модулей во время работы.

5.4 Структура, функции и задачи служб эксплуатации

Участок службы технологической автоматики (СТА) для обеспечения работы конвертерного производства и в частности реализации технологического процесса раздувки шлака азотом имеет два уровня автоматизации.

Функциональные задачи уровня L1 состоят в: получении данных с контрольно-измерительных приборов и их визуализации на уровне L1, их преобразовании и передаче на уровень L2 (АСУ ТП "Плавка").

Посредством АСУ ТП "Плавка" осуществляется визуализация и сбор информации по технологическому процессу на уровне L2, подготавливается технологическая информация по собранным данным и производится слежение за технологическим процессом через протоколирование и преобразование данных, которые поступают с уровня L1.

Подготовленные данные с уровня L2 поступают на следующие уровни автоматизации технологического процесса, которые находятся по всему производству. Структуру управления сталеплавильного производства представим на рисунке 5.4.

Рисунок 5.4 - Структура управления сталеплавильного производства

Структура управления конверторного производства, участок выплавки стали представлен на рисунке 5.5.

К основным службам цеха следует отнести:

- технологическую службу;

- механическое подразделение;

- энергетическое подразделение;

- гидравлическое подразделение;

- электриков;

- службу технологической автоматики.

Рисунок 5.5 - Структура управления конверторного производства, участок выплавки стали

Заключение

По итогам проведенного исследования можно сделать следующие выводы.

Благодаря технологическим возможностям рассмотренного оборудования возможно проведение последующей модернизации АСР раздувки шлака азотом. Осуществлено описание организационных и технических мероприятий, обеспечивающих безопасность работ с АСР, а также правил обслуживания системы, была разработана новая САР, основанная на реально действующей системе, с современным оборудованием по контролю и управлению ТП, а так же учитывающая тенденции развития промышленной автоматики. В ходе разработки было выполнено следующее:

- заменены датчики;

- заменены исполнительные механизмы.

Был внедрен программно-технический комплекс, в который входят:

- Управляющая станция 1-ого уровня (ПЛК);

- удаленные станции распределенной периферии;

- управляющая станция 2-ого уровня (АРМ оператора);

- серверы процесса и серверы баз данных;

- сетевые устройства;

- пакет программного обеспечения.

Внедрение новой системы автоматизированного регулирования раздувки шлака азотом в кислородном конвертере должно приводить к экономии ресурсов и уменьшать временные затраты, полученные при простое оборудования, возникающие в связи с человеческим фактором, поскольку на данный момент работа системы осуществляется в ручном режиме.

Список использованных источников

1. Афонин, А.М. Теоретические основы разработки и моделирования систем автоматизации: учеб. пособие / А.М. Афонин, Ю.Н. Царегородцев, А.М. Петрова, Ю.Е. Ефремова. - Москва: Форум, 2011. - 192 c.

2. Аристова, Н.Н. Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП / Н.Н. Аристова, Н.А. Корнеева, - Санкт-Петербург: ПГТУ им. Баумана, 2014. - 245 с.

3. Алиев, Н.И. Кабельные изделия / Н.И. Алиев, С.Б. Казинский, - Москва: Радио СОФТ, 2012. - 244 с.

4. Глинков Г.М. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. Пособие по курсовому и дипломному проектированию / Г.М. Глинков, В.А. Маковский. - Москва: Металлургия 2010. - 412 с.

5. Теория, конструкции и расчёты металлургических печей. Том 1. / под ред.В.А. Кривандина. - Москва: Металлургия, 2015. - 356 с.

6. Кангин, В.В. Промышленные контроллеры в системах автоматизации технологических процессов: учеб. пособие / В.В. Кангин. - Старый Оскол: ТНТ, 2013. - 408 c.

7. Котов, К.И. Средства измерения, контроля и автоматизации технологических процессов. Вычислительная и микропроцессорная техника / К.И. Котов, М.А. Шершевер, - Москва: Металлургия, 2010. - 456 с.

8. Компания "Siemens" [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://www.siemens.com/.

9. Компания ООО "Метран" [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://www.metran.ru/.

10. Компания "Vanessa" [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http://www.vanessa.com/.

11. Попов, И.И. Операционные системы, среды и оболочки: учебник для вузов / И. И Попов, Т. Л Патрыка. - Москва: Форум инфра-м, 2014. - 511 с.

12. Таненбаум, Э. Современные операционные системы / Э. Таненбаум, - Москва: Ренессанс 2012. - 520 с.

13. Целиков, А.И. Машины и агрегаты доменных цехов: учебник для вузов / А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребник. - Москва: Металлургия, 2014, - 415 с.

14. Шишмерев, В.Ю. Технические характеристики и описание технологического процесса выплавки стали в конвертерном производстве. "ОАО Северсталь" / В.Ю. Шишмерев. - Моксква: Академия, 2011. - 148 с.

Приложения

Приложение 1

Функциональная схема действующего варианта САР

Рисунок 1.1 - функциональная схема действующей САР

Приложение 2

План прокладки трасс

Рисунок 2.1 - план прокладки трасс

Размещено на Allbest.ru