Материал: Модернизация системы автоматического регулирования нагрева металла в двухзонной методической печи

Заданная величина давления под сводом томильной зоны автоматически поддерживается при помощи регулятора РП2ПЗ (ПИ-регулятор), работающего в комплексе с приборами ДКОФМ-01, ВФС и исполнительным механизмом МЭО. При неисправности регулятора необходимо перейти на дистанционное управление клапаном давления универсальным переключателем. Температура труб первой секции рекуператора автоматически контролируется с помощью хромель-алюмелевой термопары ТХА-УШ и милливольтметра М-64. Для безопасной эксплуатации печи предусмотрена звуковая и световая сигнализация падения давления газа и воздуха, а также автоматическая отсечка газа в случае падения давления газа или воздуха ниже 0,98 кПа (100 мм вод.ст.).

Недостатки существующей САР нагрева металла в двухзонной методической печи являются:

неудобства обслуживания;

моральное старение оборудования; неточность регулирования технологических параметров (температура, расход, давление и т.д.), следствие этого перерасход газа; частый выход из строя элементов САР;

недостаток специалистов по обслуживанию данного оборудования; отсутствие технической базы подготовки специалистов по данным видам оборудования;

большие погрешности приборов; большая инерционность САР;

отсутствие возможности диагностики САР;

невозможность визуализации технологического процесса.

Существующая САР нагрева металла не соответсвует уровню представлений современной автоматизации. Морально и физически устаревшая система управления печью не может эффективно решать задачи качественного ведения нагрева металла, энергосбережения и экологии.

2. Расчетная часть

.1 Составление функциональной схемы САР и выбор принципиальных схем ее элементов

Функциональная схема САР нагрева металла в двухзонной методической печи представлена приложении. Схема включает в себя следующие локальные САР: температуры, расхода и давления газа, расхода и давления воздуха, соотношения газ-воздух и давления в печи. Регулирование температуры в зонах печи осуществляется изменением расхода топлива. Коэффициент расхода воздуха поддерживается на заданном уровне регулятором соотношения расходов воздуха и топлива. Если процесс горения сопровождается малым расходом воздуха, то полного сжигания газа не происходит.

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

Для описания функциональной схемы, ее можно представить в упрощенном виде (рисунок.1)

Рисунок 1 - Упрощенная схема САР

ЧЭ - чувствительный элемент (датчик).

РО - регулирующий орган.

ОР - объект регулирования.

ИМ - исполнительный механизм.

УУ - устройство управления.

ЗУ - задающее устройство.

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

Температура в рабочем пространстве должна измеряться термопреобразователями термоэлектрическими типов КТХА, КТХК, ТППТ и ТПРТ. Выбираем тип преобразователя ТППТ (от 0 до 1600 0С), для измерения температуры в рабочем пространстве нагревательной печи (6 шт.), длина монтажной части L= 1250 мм, так как данный тип термопреобразователя подходит по градуировке. В рабочих диапазонах температур термопреобразователи имеют следующие уровни рабочего сигнала: ТППТ - термо-ЭДС в пределах от 0 до 13,2 мВ;

Средний срок службы термопреобразователей при номинальной температуре применения 1,5 года - для ТППТ.

Измерительные преобразователи (ИП) предназначены для преобразования сигналов от термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления в унифицированный аналоговый сигнал силы или напряжения постоянного тока. Выбираем ИП:

ИП-Т10-09 (в обыкновенном исполнении, ГСП, градуировка ТПП(S), пределы измерения 0-1600 °С, выходной сигнал 4-20 мА, класс 0,5, шкафное исполнение, УХЛ 4.2, АО ЗЭИМ г. Чебоксары) как удовлетворяющий нас по ценовым и качественным показателям;

Для установки сигнала задания соотношения газ-воздух, и задания температуры используется компьютер. В качестве задатчика выбираем наиболее подходящий РЗД-22, предназначенный для ручной установки сигналов задания для стабилизирующих регуляторов и регуляторов соотношения, преобразования одного вида унифицированного сигнала постоянного тока или напряжения в другой.

Для переключения цепей управления исполнительными устройствами, индикации положений цепей управления в АСУ ТП применяются блоки ручного управления (БРУ). Выбираем БРУ-42-03 с пределом изменения входного сигнала 4-20 мА и входным сопротивлением 200 Ом. Электрическое питание - переменный ток номинальным напряжением 24 В и частотой 50 Гц. Потребляемая мощность - не более 2,5 В.А. Масса, не более: 0,5 кг - БРУ-22; 0, 7 кг - БРУ-32; 0,8 кг - БРУ-42.

Технограф-160 - цифровой показывающий, регистрирующий и сигнализирующий прибор, с возможностью подключения от одной до шести точек измерения. Регистрация значений осуществляется в аналоговом (в виде цифры соответствующие номеру канала) или цифровом режиме (в виде текста с указанием даты, времени опроса и значения измеряемого сигнала).

В качестве показывающих приборов давления газа и воздуха на зону и давления в рабочем пространстве печи применены миллиамперметры узкопрофильные со световым указателем М-1730А. Класс точности: 0,5; входной сигнал: 0 - 5 мА.

Для измерения расхода топлива и воздуха в топливо- и воздухопроводе устанавливают сужающие устройства - диафрагмы. В комплекте c диафрагмой устанавливается датчик разности давлений Метран-150 RFA. Данный датчик давления имеет невысокую стоимость и удовлетворяющие нас пределы основной относительной погрешности измерений объемного расхода (±2,5%) и следующие преимущества:

интегральная конструкция расходомера исключает потребность в импульсных линиях и дополнительных устройствах, сокращается количество потенциальных мест утечек среды;

низкие безвозвратные потери давления в трубопроводе сокращают затраты на электроэнергию;

установка расходомера экономична и менее трудоемка по сравнению с установкой измерительного комплекса на базе стандартной диафрагмы.

2.4 Выбор исполнительных устройств

Выбор исполнительных механизмов (ИМ) обусловлен:

типом регулятора (электрический, пневматический, гидравлический);

величиной усилия необходимого для перемещения регулирующего органа;

требуемым быстродействием;

условиями эксплуатации, т.е. температурой, влажностью, запыленностью, агрессивностью окружающей среды, взрывоопасностью;

условиями размещения и сочленения с регулирующим органом и условиями монтажа; номенклатура выпускаемых механизмов.

Выбираем электрические исполнительные механизмы, так как они имеют ряд преимуществ:

простое программное или ручное управление;

работа при любых погодных условиях, в том числе зимой;

не требуют дополнительной техники во время монтажа: он очень прост;

электричество - всегда доступный и недорогой ресурс энергии

они могут перемещать фактически на любое расстояние со сколько угодно быстрой или медленной скоростью;

Исполнительные механизмы предназначены для изменения положения регулирующего органа воздействующего на технологический процесс. В состав электрического исполнительного механизма входят электродвигатель, редуктор, выходной рычаг а так же дополнительные устройства различных типов.

Выбираем МЭО, как наиболее дешевый из всех вариантов и удовлетворяющий скорости и качеству работы:

) для регулирования расхода газа: МЭО 100/25-0,25У имеющего следующие характеристики: 100*Н*м -номинальный крутящий момент на выходном валу, номинальное время полного хода выходного вала: 25 сек, номинальный полный ход выходного вала: 0,25 r/мин, “У” - умеренное климатическое исполнение, потребляемая мощность: 240 Ватт, тип электродвигателя: ЗДСОР 135-1,6-150). Тип электродвигателя - ЗДСОР 135-1,6-150 (напряжение: 220 В, частота: 50 Гц, потребляемая мощность: 240 Ватт, частота вращения: 150 r/мин).

) для регулирования расхода воздуха: МЭО 250/25-0,25У (номинальный крутящий момент на выходном валу: 250 Н*м, номинальное время полного хода выходного вала: 25 сек, номинальный полный ход выходного вала: 0,25 r/мин, “У” - умеренное климатическое исполнение, потребляемая мощность: 250 Ватт, тип электродвигателя: ЗДСТР 135-4,0-150). Тип электродвигателя - ЗДСТР 135-4,0-150 (напряжение: 380 В, частота: 50 Гц, потребляемая мощность: 250 Ватт, частота вращения: 150 r/мин).

) для регулирования давления в печи: МЭО МЭО 630/25-0,25У (номинальный крутящий момент на выходном валу: 630 Н*м, номинальное время полного хода выходного вала: 25 сек, номинальный полный ход выходного вала: 0,25 r/мин, “У” - умеренное климатическое исполнение).

Электрическое питание механизмов МЭО-250-99К осуществляется от сети трёхфазного напряжения 220/380, 230/400, 240/415 В, частотой 50 Гц и 220/380 В, частотой 60 Гц; механизмов МЭО-99 - от сети однофазного напряжения 220, 215, 230 В, частотой 50 Гц и 220 В, частотой 60 Гц.

Пускателем бесконтактным реверсивного типа ПБР-3А происходит управление МЭО, который предназначен для бесконтактного управления электрическими исполнительными механизмами.

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

.5.1 Определение математической модели объекта - статические характеристики, кривая разгона, частотные характеристики

Первый этап разработки САР - определение статических и динамических характеристик при помощи теоретических или экспериментальных методов. Объектом управления является двухзонная методическая печь. Объект статический обладающий свойством самовыравнивания и возможностью находиться в установившемся режиме, потому что соблюдается материальный и энергетический баланс, то есть приток различных веществ в объект равен их расходу из объекта, при этом количество получаемой энергии равно количеству отданной энергии. Объект управления является инерционным, то есть с запаздыванием. Передаточная функция статического объекта с запаздыванием:

, (1)

где - коэффициент передачи объекта;

 - постоянная времени объекта, сек;

 - время запаздывания, сек.

Экспериментальным путем находим динамические параметры объекта управления (запаздывание, постоянную времени, коэффициент передачи).  - величина ступени. В установившемся режиме получаем на выходе системы функцию реакции цепи на ступенчатое воздействие. Зафиксируем изменение во времени реакции, т.е. получим график кривой разгона объекта (Рисунок.2).

Рисунок 2 - Кривая разгона объекта управления

По рисунку 2 определяем и постоянную времени объекта:

Коэффициент объекта управления

Ко=

Передаточная функция объекта управления примет вид:

2.5.2 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных устройств и исполнительных устройств

Исполнительными устройствами в газовых и воздушных магистралях являются устройства типа МЭО (электродвигатели переменного тока, управляемые бесконтактными реверсивными пускателями). Контроль выполнения команды перемещения исполнительного механизма осуществляется датчиком положения. В модели САР нагрева металла исполнительный механизм может быть представлен следующей структурой, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Модель исполнительного устройства типа МЭО

Где ХЗ - задание на положение рабочего органа (задвижки), которое может быть выдано оператором или регулятором. Задание выдается в виде токового сигнала от 0 до 20 мА.

Параметрами и обозначены скорость перемещения и перемещение рабочего органа соответственно, которые могут измеряться в относительных или абсолютных единицах измерения.

Работу пускателя в структуре моделирует звено 1. Параметр Н - соответствует напряжению управления пускателя, а параметр К - напряжению питания двигателя (Н=0,01; К=0,1).

Звено 2 упрощенно моделирует сам электродвигатель в виде апериодического звена. Коэффициент КД связывает напряжение питания и частоту вращения вала МЭО.

Звено 3 моделирует переход от скорости перемещения рабочего органа  к величине перемещения .

Звено 4 - датчик положения, осуществляющий преобразование параметра Х в соответствующий сигнал обратной связи.

2.5.3 Выбор закона автоматического управления в общем виде

Для того чтобы выбрать регулятор и рассчитать параметры его настройки, необходимо знать следующие параметры:

Динамические параметры объекта регулирования:

Коэффициент передачи объекта

Ко=

Постоянная времени объекта

То=187,91c

Полное запаздывание

τ3=66,79с

Величину максимально возможного возмущения по нагрузке в процессе эксплуатации объекта управления

Ув=15%

Основные показатели качества переходного процесса

Максимально допустимое динамическое отклонение регулируемой величины

Хд<25

Максимально допустимое статическое отклонение регулируемой величины

Хст<10

Время регулирования, которое допустимо для данной системырег<900с

По этим известным величинам рассчитываем следующее:

Величину, обратную относительному времени запаздывания находим по формуле

(2)

подставив значения, получаем

,79/187,91=0,36

Допустимое относительное время регулирования

(3)

Допустимый динамический коэффициент регулирования

(4)

подставив в эту формулу значения, получим

Допустимое остаточное отклонение регулируемой величины

 (5)

подставив значения, получаем