Микроконтроллерный ПИ-регулятор давления пара в ПК

Размещено на http://www.allbest.ru

24

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра АСПСУ

Курсовая работа

По дисциплине: «Технические средства автоматизации»

На тему: «Микроконтроллерный ПИ-регулятор давления пара в ПК»

Выполнил курсант

Факультета автоматики

Группы 4401

Кузнецов А. В.

Одесса 2015



Содержание

Введение

1. Описание котла, как объекта регулирования давления пара

2. Требования к автоматизации

2.1 Обзор регулятора, использованного в системе по регулированию давления пара

2.2 Достоинства выбранного регулятора

2.3 Принципиальная, функциональная и структурная схема регулятора

2.4 Передаточная функция, уравнение динамики и статики регулятора

3. Расчет исполнительного механизма

4. Эксплуатация регулятора

Выводы

Список литературы



Введение

На современных судах для управления различными механизмами, устройствами и системами широко применяется автоматика. Автоматизация судов облегчает эксплуатацию сложной судовой техники, повышает производительность труда моряков, позволяет сократить численность экипажей. Не менее важно и то, что средства автоматизации обеспечивают более эффективное использование судовых механизмов и судна в целом за счет постоянного поддержания оптимальных режимов их работы.

Комплексная автоматизация отечественных судов была начата в 60-х годах. Надзору на судне подлежат системы автоматизации главных двигателей, котельной установки, судовой электростанции, системы компрессоров сжатого воздуха, осушительной системы, вспомогательных механизмов и т.д.

На современных автоматизированных судах общее число средств так называемой «периферийной автоматики» достигает 500--700 ед. Практика эксплуатации показывает, что именно эта аппаратура наименее надежна. Многочисленные датчики и сигнализаторы имеют ресурсные характеристики в 2--2.5раза ниже, чем гарантированный ресурс самих комплексных систем автоматизации. Характеристики надежности комплексных систем автоматизации, поставляемых на флот, гарантируются разработчиками без учета входящих в системы датчиков.

Первостепенными задачами на современном этапе развития автоматизации являются: повышение надежности элементной базы; организация технического обслуживания систем автоматизации в судовых условиях и в порту; подготовка кадров, способных технически грамотно эксплуатировать системы автоматизации и выполнять необходимые профилактические мероприятия.



1. Описание котла, как объекта регулирования

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СУДНА - это комплекс технических средств (машины, механизмы, системы, электрооборудование и т.д.), предназначенный для автономного обеспечения судна всеми необходимыми видами энергии.

Паросиловая энергетическая установка судна, характеризуется тем, что в качестве главного двигателя используется паровая турбина, а рабочее тело (пар) генерируется в паровом котле. Вращение от турбины на винт передается через турбозубчатый агрегат.

Паровой котел как объект регулирования.

Паровой котел представляет сложную динамическую систему с несколькими взаимосвязанными входными и выходными величинами. Однако выраженная направленность участков регулирования по основным каналам регулирующих воздействий позволяет осуществлять стабилизацию и изменение регулируемых параметров с помощью независимых одноконтурных систем, связанных через объект регулирования - котельный агрегат.

Автоматическая система регулирования (АСР) барабанного парового котла в целом состоит из отдельных замкнутых контуров:

- давления перегретого пара и тепловой нагрузки;

- экономичности процесса горения топлива;

- разрежения в верхней части топки;

- температуры перегретого пара;

- питания котловой водой;

- качества котловой воды.

Требования высокой точности регулирования параметров для обеспечения надежной и экономичной работы котельного агрегата обуславливает необходимость применения быстродействующих автоматических регулирующих устройств. В регулировании котлоагрегатов широко применяются электрические схемы с электронными регуляторами. В качестве исполнительных механизмов используются электромеханические сервоприводы с редукторами и колонки дистанционного управления.

Технические и конструктивные характеристики

По типу омывания поверхности нагрева газами труб или иных элементов судовые котлы подразделяются на две основные группы: газотрубные и водотрубные. В газотрубном котле горячие газы как основной теплоноситель движутся внутри труб, а вода окружает их снаружи, в водотрубном котле -- наоборот: вода и пароводяная смесь находятся внутри труб, а горячие газы омывают их снаружи. При наличии двух групп котлов всегда имеется промежуточная группа, обладающая свойствами газотрубных, и водотрубных котлов (см, рис. 1).

котел регулятор давление пар

Рис. 1. Схема котельной установки с комбинированным отоплением.

На современных судах в качестве главных применяются только водотрубные котлы. Вспомогательные котлы на теплоходах и газотурбоходах могут быть газотрубными и водотрубными (или газоводотрубными). У газоводотрубных котлов имеются элементы поверхности нагрева, скомпонованные по газотрубному и водотрубному принципам. Газотрубные и газоводотрубные котлы чаще встречаются на судах зарубежной постройки. В последние годы преимущественное распространение стали получать водотрубные котлы.

Вертикальный газотрубный котел (рис. 2, а), В цилиндрическом корпусе 3 котла размещены топочная 4 и дымовая 1 камеры, соединенные прямыми трубами 6. Топливо и воздух в топку подаются от топливно-форсуночного агрегата (на рис. 2, а не показан) через патрубок 5, а продукты сгорания отводятся через патрубок 2в дымоход.

Рис. 2. Газотрубный (а) и водотрубный (б) котлы.

Водотрубный котел (рис. 2, б). Котел состоит из верхнего парового 2 и нижнего водяного 9 коллекторов, соединенных трубами 12. Пучок труб 4, расположенных на боковой стенке, называется боковым экраном. Трубы5 второго ряда экрана, загороженные трубами первого ряда, и трубы 7, расположенные вне топки или в специальных выгородках, называются опускными. У некоторых котлов опускными называют также трубы 11,наиболее отдаленные от топки. Все остальные трубы подъемные.

В зависимости от расположения различные поверхности нагрева котла получают неодинаковое количество теплоты, что в значительной степени обусловливает характер теплообмена. На рис. 2, б схематично показаны также экономайзер 1, воздухоподогреватель 14, обшивка котла 13, форсунка котла 6, кирпичная кладка 3, под 8,пароперегреватель 10.

Знакомясь с классификацией различных типов рассмотренных котлов, можно отметить основные достоинства и недостатки водотрубных и газотрубных котлов.

Водотрубные котлы имеют значительно большую паропроизводительность при меньших массовых показателях, чем газотрубные. Вспомогательные, особенно газотрубные котлы обычно ограничены давлением до 1,8 МПа и температурой 300 -- 320 °С.

В зависимости от конструкции котла и эксплуатационных условий минимальное время на подъем пара до рабочего давления составляет 1,5 -- 3,0 ч для водотрубных котлов и 4 -- 24 ч для газотрубных. Все это объясняется меньшим количеством воды в водотрубном котле, хорошей ее циркуляцией, эластичностью труб, соединяющих коллекторы котла.

Сравнивая дополнительно взаимные достоинства и недостатки газотрубных и водотрубных котлов, можно также отметить: в водотрубном котле воды меньше его часовой паропроизводительности, поэтому изменение уровня воды от наивысшего до найнизшего допустимых может произойти очень быстро. Во избежание аварийных ситуаций и четкого поддержания уровня приходится применять более сложные автоматические системы регулирования и питания котла, связанные с автоматическим регулированием горения топлива. Необходимо использовать и сложную систему автоматического регулирования давления пара. На газотрубные котлы относительно мало влияет качество питательной воды. У более теплонапряженных водотрубных котлов при отложениях накипи на поверхности нагрева может создаться опасность перегрева металла труб и их разрыва. Газотрубный котел имеет сравнительно небольшую паропроизводительность, но зато более высокую степень сухости пара вследствие невысокой интенсивности парообразования. Газотрубный котел имеет меньшую чувствительность к колебаниям нагрузки, что объясняется его большой аккумулирующей способностью.

При всех достоинствах водотрубных утилизационных котлов с многократной принудительной циркуляцией они обладают меньшей надежностью из-за необходимости установки циркуляционных насосов, работающих в сравнительно тяжелых условиях перекачки горячей воды и пароводяной смеси.



2. Требования к системам автоматизации

По своим динамическим свойствам ПК как объект регулирования (ОР) уровня воды значительно отличается от других ОР тем, что после нанесения возмущения, отклонение уровня совпадает по знаку с возмущением, а через некоторое время знак меняется на противоположный. Связано это с тем, что положение уровня воды в ПВБ в переходных режимах определяется совместным влиянием следующих факторов:

-небалансом подвода воды и расхода пара;

-изменениями давления в котле;

-изменениями температуры питательной воды;

-изменениями теплонапряженности парообразующей части котла.

Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на уровень изолированно при сбросе паровой нагрузки скачком.

Вследствие того, что расход пара стал меньше подвода воды, уровень воды в пароводяном барабане повышается. Скорость изменения уровня зависит от величины возникшего небаланса и площади зеркала испарения. Так как в области допустимых отклонений уровня площадь зеркала испарения изменяется очень мало, а величина небаланса неизменна, можно считать, что скорость изменения уровня постоянна и прямо пропорциональна величине возникшего небаланса.

При сбросе паровой нагрузки давление в котле в начальный период возрастает (в дальнейшем система автоматического регулирования топливосжигания прекратит изменения давления), что приводит к соответствующему повышению температуры насыщения. Пар, находящийся под зеркалом испарения, оказавшись в недогретом состоянии, начинает конденсироваться. Конденсация пара произойдет частично или полностью в зависимости от величины отклонения давления и аккумулирующей способности котла. Если пар сконденсируется не весь, то произойдет также уменьшение его удельного объема. В результате уровень воды снизится на конечную величину по экспоненте, соответствующей характеру возрастания давления в котле

Так как современные котельные установки оборудованы системами автоматического регулирования топливосжигания, при сбросе нагрузки подача топлива в топку уменьшится или прекратится. Теплонапряженность парообразующей части котла уменьшится, а следовательно, уменьшится или прекратится парообразование в трубной системе котла, что также снизит на некоторую конечную величину уровень воды.

Требования к точности поддержания регулируемых величин

В установившихся режимах АСР главных котлов должна обеспечивать устойчивое поддержание регулируемых величин с отклонениями не более: давление пара ±0,05 МПа; уровень воды ±30 мм; давление топлива за насосом ±0,1 МПа; перепад давления топлива на регулирующем топливном клапане ±0,02 МПа; температура топлива ±2°С.

В переходных режимах АСР должна поддерживать заданное давление пара. При этом допускаются следующие отклонения: «провал» давления пара, не превышающий 10% номинального значения при изменении нагрузки котла от минимальной до максимальной; повышение давления пара, не приводящее к подрыву предохранительных клапанов при изменении нагрузки котла от максимальной до минимальной за время не менее 30 с. Причем давление пара в указанных пределах должно сохраняться при изменениях расхода пара из котла со скоростью не более 1,5% в секунду при увеличении нагрузки и 3% в секунду при сбросе нагрузки.

В установившихся режимах АСР вспомогательных котлов должна гарантировать устойчивое поддержание параметров с отклонениями не более: давление пара ±2%, но не менее ±0,02 МПа от значения, определяемого статической характеристикой регулятора давления пара; уровень воды ±15 мм от значения, определяемого статической характеристикой регулятора уровня; вязкость топлива ±3 мм2/с от значения, определяемого статической характеристикой регулятора (для котлов, работающих на топливе, требующем подогрева); давление распыливания (для котлов с паро-механическими форсунками) ±0,01 МПа; перепад давления топлива на исполнительном органе регулятора давления пара ±0,02 МПа; давление воздуха в коробе котла ±104МПа от его значения на данном режиме.

На переходных режимах при изменении нагрузки от 0 до 100% или обратно в течение не менее 2 мин СУ вспомогательным котлом должна обеспечивать поддержание давления пара с отклонениями, не вызывающими подрыва предохранительных клапанов (при бездымном горении, без отклонения уровня воды за допустимые пределы и без срабатывания защиты по уровню). Переходные процессы при этом должны быть апериодическими или с быстрозатухающими колебаниями.

2.1 Обзор регулятора

В зависимости от вида энергии, идущей от вспомогательного источника для формирования сигнала, различают следующие виды приборов и устройств: пневматические, электрические, гидравлические. В последнее время стали часто применять электронные регуляторы в основе работы которых лежат микроконтроллеры. Кроме того, имеются приборы и устройства без источника вспомогательной энергии: в этом случае сигнал формируется за счет энергии контролируемой среды.

Основная регулируемая величина -- давление пара, которая характеризует баланс между производимым паром в котле и потребляемым. Нарушение этого баланса сопровождается отклонением давления, которое измеряется регулятором давления пара, изменяющим через исполнительный орган подачу топлива в топку и восстанавливающим тем самым нарушенный тепловой баланс.

Измеритель ПИД-регулятор микропроцессорный одноканальный ТРМ10 совместно с первичным преобразователем (датчиком) предназначен для измерения и регулирования температуры и других физических параметров, значение которых внешним датчиком может быть преобразовано в сигналы постоянного тока или напряжения.

* высокая помехоустойчивость к электромагнитным воздействиям;

* увеличенный срок гарантии, гарантийный срок обслуживания составляет 5 лет;

* повышение универсальности прибора, позволяющее более гибко использовать приборы и уменьшить их номенклатуру за счет использования:

выходных аналоговых устройств (ЦАП) или других низковольтных цепей АСУ;

* использование усовершенствованной математической модели ПИД-регулятора и автонастройки.

Приборы выпускаются класса точности 0,25; 0,5. Класс точности зависит от типа подключаемого внешнего датчика.

Прибор позволяет осуществлять следующие функции:

* измерение давления в одной точке с помощью стандартного датчика, подключаемого к универсальному входу прибора;

* регулирование измеряемой величины по пропорционально-интегрально-(ПИ) закону;

* отображение текущего измерения на встроенном светодиодном цифровом индикаторе;

* автоматическое определение коэффициентов ПИ-регулятора (автонастройка);

* формирование управляющего воздействия на Выходе 1 с помощью выходного аналогового сигнала (при использовании в качестве выходного устройства цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)) или широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (при использовании дискретного выходного устройства);

* формирование на Выходе 2 дополнительного сигнала управления по двухпозиционному закону или сигнала «Авария».

2.2 Достоинства регулятора

Широкая номенклатура - ассортимент микроконтроллеров Atmel включает в себя множество решений, от 8-разрядных микроконтроллеров tinyAVR® до 32-разрядных микропроцессорных блоков на базе ARM, предлагая различные наборы функций для широкого спектра приложений.

Компактный форм-фактор - Микроконтроллеры tinyAVR с высокой степенью интеграции выпускаются в компактных корпусах, что является преимуществом для промышленных датчиков. Микроконтроллеры Atmel AVR прекрасно подходят для внедрения стандартов связи между датчиками, таких как стандарт IO-Link, в условиях строго ограниченного пространства, при этом минимизируя количество комплектующих (BOM).

Энергоэффективность - К инструментам контроля производственных процессов предъявляются такие требования, как ограниченность потребления питания и одновременно мощные возможности по обработке сигналов, и в этом разработчики могут положиться на широкий ассортимент эффективных 32-разрядных микроконтроллеров Atmel.

Поддержка возможностей связи - Промышленные приложения сегодня требуют исключительно широких возможностей связи. 32-разрядные микроконтроллеры Atmel поддерживают множество коммуникационных периферийных интерфейсов, таких как высокоскоростные SPI, USART, CAN, Ethernet и пр., удовлетворяя растущий спрос на решения с подключением магистральной шины и промышленного Ethernet в реальном времени.

Надежный человеко-машинный интерфейс (HMI) - Передовые технологии емкостного сенсорного ввода, предлагаемые компанией Atmel, позволяют разрабатывать промышленные человеко-машинные интерфейсы нового поколения.

Функции обеспечения безопасности - В микроконтроллеры Atmel встроено множество аппаратных защитных механизмов, упрощающих внедрение стандартов SIL IEC61508.

Защищенная связь - Многие приложения промышленной автоматизации требуют применения защищенной аутентификации и зашифрованных каналов связи. Аппаратные решения аутентификации от Atmel, разработанные с применением современных методов и технологий аппаратной защиты, а также с учетом низкого энергопотребления, представляют собой экономичные решения наряду с микроконтроллерами Atmel, оснащенными криптоускорителями.

В переходных режимах работы котельной установки система автоматического регулирования должна обеспечить возможно меньшие отклонения давления пара, исключить подрыв предохранительных клапанов и уменьшить влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования уровня воды. Кроме того, необходимо учитывать влияние контура регулирования давления пара на контур регулирования подачи воздуха. Последний налагает ряд существенных ограничений на процесс регулирования давления пара -- необходимо исключить колебательность процесса при возможно меньших динамических рассогласованиях в подаче топлива и воздуха. Очевидно, что различные структуры регуляторов обеспечивают неодинаковое качество переходных процессов. Введение импульса по скорости отклонения давления пара с помощью дифференцирующей приставки в одноимпульсный П-регулятор несколько уменьшает динамическое отклонение давления пара. Введение же его в двухимпульсный регулятор практического улучшения процесса не дает. Наиболее благоприятный процесс обеспечивает двухимпульсный П-регулятор (динамическое отклонение 6.6 %, время процесса 65 с, отсутствует колебательность). ПИ-регулятор уменьшает динамическое отклонение до 6%, однако при этом наблюдаются значительное перерегулирование, колебательность и увеличение времени процесса.

Из сказанного выше следует, что наиболее высокая статическая точность обеспечивается ПИ-регулятором. В то же время в переходных режимах с ПИ-регулятором трудно обеспечить апериодический процесс при допустимых динамических отклонениях, что увеличивает динамические рассогласования между подачей топлива и воздуха. Так как установившихся режимов в строгом понятий в судовых котельных установках нет (постоянно существуют возмущения в виде включений различных механизмов и аппаратов, изменения упора винта на волнении и т. п.), во избежание дымности возникает необходимость сжигания топлива с повышенным коэффициентом избытка воздуха, что снижает коэффициент полезного действия (к. п. д.) котельной установки.

Колебательность процесса исчезает при двухимпульсном П-регуляторе, однако этот регулятор не обеспечивает высокой статической точности, т. е. уступает по этому показателю ПИ-регулятору.

Таким образом, в контуре регулирования давления пара следует отдавать предпочтение ПИ-регуляторам, если имеется возможность посредством настройки регулятора обеспечить апериодический переходный процесс с допустимой величиной динамического отклонения давления пара.

2.3 Принципиальная, функциональная и структурная схема микропроцессорного ПИ- регулятора давления

Рис.3. Принципиальная схема электронного ПИ-регулятора на базе микроконтроллера фирмы Atmel

Рис. 3.1 Датчик DMK331

Рис. 4. Функциональная схема одноимпульсного ПИ-регулятора

ЧЭ - чувствительный элемент;

ЗУ - задающее устройство;

ПДТ -преобразователь давления в ток;

ПИ - ПИ-ячейка;

ИМ - исполнительный механизм.

Рис. 5. Структурная схема одноимпульсного ПИ-регулятора



2.4 Передаточная функция, уравнение динамики и статики регулятора

По структурной схеме получим передаточную функцию ПИ регулятора:

Уравнение динамики регулятора



3. Расчет исполнительного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru

24

Размещено на http://www.allbest.ru

Так как корнем р2 можно пренебречь, то получаем новую ПФ исполнительного механизма:



4. Эксплуатация регулятора

Условия эксплуатации прибора

По устойчивости к механическим воздействиям при эксплуатации прибор соответствует группе исполнения N2 по ГОСТ Р 52931-2008. По устойчивости к климатическим воздействиям при эксплуатации прибор

соответствует группе исполнения В4 по ГОСТ Р 52931-2008. При этом прибор эксплуатируется при следующих условиях:

* закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов;

* температура окружающего воздуха от минус 20 до +50 оС;

* верхний предел относительной влажности воздуха - не более 80 % при +35оС и более низких температурах без конденсации влаги;

* атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Техническое обслуживание прибора проводится не реже одного раза в шесть месяцев и состоит в проверке крепления прибора, винтовых соединений, а также удалении пыли и грязи с клеммника прибора.



Вывод

Эксплуатация современного судна немыслима без автоматизации процессов управления разнообразным техническим и технологическим оборудованием, судовыми системами и судном в целом. Возрастают мощности судовых устройств и механизмов, повышаются требования к точности, надежности, быстродействию и другим показателям качества процессов управления, повышаются эксплуатационные требования, связанные с экономичностью и эффективностью работы судовых систем и оборудования. Причем эти требования касаются работы не только отдельных систем управления, но и систем управления комплексами технических средств.

Поэтому в настоящее время основным требованием при постройке нового судна является требование наличия на нем комплексной системы автоматизации. А в случае модернизации эксплуатируемого судна - переход от автоматизации отдельных устройств и систем к комплексной автоматизации процессов управления на судне.



Список использованой литературы

Шифрин М. Ш., Новопашенный В. Н., Кадыров Ю. М. Проектирование автоматических систем управления судовыми паротурбинными установками. - Л., «Судостроение», 1974.

Печененко В. И., Козьминых Г. В. Основы автоматики и комплексная автоматизация судовых пароэнергетических установок. Учебное пособие для вузов морск. трансп. - М.: Транспорт, 1979. - 264 с.

Беляев И. Г. Автоматизация судовых пароэнергетических установок: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1991. - 368 с.

Журенко М. А., Таранчук Н. В. Технические средства автоматизации судовых энергетических установок: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1990. - 319 с.

Журенко М. А. Статика и динамика автоматический системы регулирования давления пара и уровня воды в судовых котлах: Учеб. пособие. - М.: В/О «Мортехинформреклама», 1990. - 32 с.

Беляев И. Г., Седых В. И., Слесаренко В. Н. Автоматизация процессов в судовой энергетике: Учеб. для вузов/ Под ред. В. Н. Слесаренко. - М.: Транспорт, 2000. - 395 с.

Размещено на Allbest.ru