Реализация схемы автоматизации технического процесса
Задание
1
Выбрать по
справочной литературе необходимые приборы для реализации информационной цепи
(датчик – преобразователь – контрольно-измерительный прибор) и управляющей цепи
(регулятор – преобразователь, если необходим, – исполнительный механизм –
регулирующий орган).
Дать краткое
описание приборов и их параметров.
Приборы в
цепи должны иметь согласованные параметры входные – и выходные сигналы,
соответствовать уровню технологического параметра (информационная цепь) и
мощности, требуемой для перемещения регулирующего органа в цепи управления.
Если мощность
выходного сигнала датчика или его преобразователя позволяет, то этот сигнал
можно одновременно подать на вход контрольно-измерительного прибора (КИП) и
регулятора. В обратном случае для подачи на вход регулятора информации о
текущей величине регулируемого параметра необходимо установить отдельный датчик
(например, двойную термопару). Обратить внимание на класс точности используемых
в информационной цепи приборов и диапазон шкалы контрольно-измерительного прибора.
Номинальная величина технологического параметра должна находиться в последней
трети диапазона шкалы контрольно-измерительного прибора.
Составить:
1.
Структурную
схему автоматизации.
2.
Функциональную
схему автоматизации.
3.
Спецификацию
оборудования.
Исходные
данные:
Вариант – последняя
цифра шифра
|
Технологический
параметр и условие
|
Величина параметра
|
Регулирующий орган
|
Техническая
характеристика рег. органа
|
Дополнительные
требования к цепи приборов
|
10
|
Температура
Среда щелочная
|
300 0С
|
Поворотная заслонка
|
Момент равен 80 Нм
|
Приборы пневматические
|
Датчик
– преобразователь температуры.
Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом
13ТД73
1. Назначение
Предназначен
для преобразования в унифицированный пневматический сигнал температуры жидких и
газообразных агрессивных сред, в т.ч. в условиях АЭС.
2. Технические характеристики
1. Верхние
пределы измерения:
|
+100…+400;
|
2. Длина
соединительного капилляра, м
|
4
|
3. Длина
погружения термобаллона, мм
|
200
|
4. Классы
точности
|
0,6
|
5. Давление
питания, кгс/см 2
|
1,4±0,14
|
6. Рабочий
диапазон выходных
пневматических сигналов, кгс/см 2
|
0,2…1
|
7.
Температура окружающей среды, °С
|
–50…+80
|
8.
Относительная влажность, %, не более
|
95
|
9. Давление
измеряемой среды,
кгс/см 2, до
|
64 без
защитной гильзы
250 с защитной гильзой
|
10.
Изготавливаются по
|
ТУ 25–7310.032–86
|
11.
Габаритные размеры, мм
|
182х140х97
|
Регулятор.
Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы
ПВ10.1
1. Назначение
Приборы
контроля работают совместно с пневматическими датчиками и другими устройствами,
выдающими унифицированные аналоговые сигналы в пределах 20…100 кПа. ПВ10.1Э – прибор
для непрерывной записи и показания величины регулируемого параметра, указания
положения контрольной точки и величины давления на исполнительном механизме.
2. Технические характеристики
Параметры
|
Значение
|
Диапазон аналоговых
давлений, подаваемых на вход.
|
20…100 кПа
|
Питание прибора
осуществляется осушенным и очищенным от пыли и масла воздухом давлением.
|
40 кПа ± 14 кПа
|
Класс загрязненности
сжатого воздуха питания.
|
0 и 1
|
Предел допускаемой
основной погрешности по всем шкалам и диаграмме.
|
не превышает ± 1,0% от
номинального диапазона входного сигнала
|
Нижний предел измерения
приборов с расходной шкалой.
|
30% верхнего предела
измерения
|
Изменение показаний
прибора, вызываемое отклонением давления питания в пределах.
|
± 14 кПа от
номинального, не превышает 0,5 абсолютного значения предела допускаемой
основной погрешности.
|
не превышает ± 5 мин.
за 24 часа
|
Длина шкал приборов и
ширина поля записи диаграммы.
|
100 мм
|
Шкалы приборов.
|
0–100 линейные
|
Скорость движения
диаграммы.
|
20 мм/ч
|
Температура окружающей
среды.
|
+5…+50 °С
|
Относительная влажность
воздуха при 35 °С и более низких температурах, без конденсации влаги.
|
80%
|
Синхронный двигатель
привода диаграммы питается от сети переменного тока напряжением.
|
220 В
|
Расход воздуха:
|
6,5 л/мин
|
Масса прибора:
|
8,0 кг
|
Исполнительный
механизм.
Механизм исполнительный пневматический МИП-П
1. Назначение
Предназначены
для перемещения регулирующих и запорно-регулирующих органов в системах
автоматического и дистанционного управления.
2. Технические характеристики
Рабочая среда
|
Сжатый воздух
|
Ход поршня (мм)
|
200
|
Давление питания (МПа)
|
0,4.. 1,0
|
Входной сигнал (МПа)
|
0,02.. 0,15
|
Величина расхода
воздуха при неподвижном штоке
|
1,2 м3/ч
|
Скорость перемещения
штока при отсутствии
нагрузки (при давлении
питания 0,6 МПа) (м / с)
|
0,08
|
Максимальные усилия,
развиваемые при
давлении питания 0,6 МПа
(кН)
толкающее:
тянущее:
|
4,1
3,1
|
Рабочая температура
окружающего воздуха (°С)
|
-30..+50
|
Относительная влажность
(%)
|
95
|
Габаритные размеры (мм)
|
175×190×560
|
Масса (кг)
|
20
|
Регулирующий орган.
Заслонка поворотная. Nemen серия 5000
1. Назначение
Заслонки
поворотные используются в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры.
2. Технические характеристики
Диаметр
|
125 мм.
|
Температура
|
-100 – +6000С
|
Давление
|
2,0 МПа
|
Среда
|
агрессивные среды,
щёлочи
|
Исполнение
|
В-сквозные отверстия Т
– резьбовые отверстия
|
Возможности управления
|
-ручной рычаг (ручка) –
гребенка на площадке заслонки обеспечивает ступенчатую регулировку через
каждые 15 градусов поворота ручки
– ручная червячная передача (редуктор) – плавная регулировка
– электропривод
– пневмопривод
|
Крутящий момент для
управления заслонкой
|
80 Нм
|
Аппаратура
воздухоподготовки.
РДФ-3–1 – редукторы
давления с фильтром, предназначены для регулирования и автоматического
поддерживания давления воздуха, необходимого для индивидуального питания
пневматических приборов и средств автоматизации, а также очистки его от пыли,
масла и влаги. Применяются в машиностроении, нефтяной, сахарной, химической промышленности
и других отраслях.
ТУ 25.02.1898–75.
2. Технические характеристики
Максимальный расход
воздуха.
|
1,6 м³/ч
|
Допускаемое давление
питания.
|
0,25…0,8 МПа
(кгс/см²)
|
Пределы регулирования
давления на выходе.
|
0,02…0,2 МПа
(кгс/см²)
|
Допускаемое отклонение
выходного давления при температуре окружающего воздуха (20±5) °С:
·
при
изменении входного давления воздуха 0,25…0,8 МПа (кгс/см²);
·
при
изменении расхода воздуха 0,15…1,6 м³/ч.
|
0,008 МПа;
0,01 МПа.
|
Отклонение выходного
давления при изменении температуры окружающей среды на каждые 10 °С.
|
0,002 МПа
(кгс/см²)
|
Размер твёрдых частиц
на выходе
|
не более 10 мкм
|
Масса
|
не более 0,71 кг
|
Загрязненность воздуха
после редуктора, не ниже класса
|
3
|
Поз.
обозначение
|
Обозначение
|
Наименование
|
Кол.
|
Примечание
|
1
|
TE
|
Преобразователи
температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73
|
1
|
|
2
|
TRC
|
Приборы контроля
пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1
|
1
|
|
3
|
|
Механизм исполнительный
пневматический МИП-П
|
1
|
|
|
|
|
|
|
4
|
|
Заслонка поворотная. Nemen серия 5000
|
1
|
|
Дано:
ωнм = 0,37 (с-1)
– Наибольшая
скорость вращения исполнительного вала;
εнм = 1,48 (с-2)
– Амплитуда
ускорения исполнительного вала;
Mнс = 61 (Н×м) – Статистический момент на
исполнительном валу;
Jн = 36,2 (кг×м2) – Момент инерции нагрузки;
η = 0,97 – КПД одной ступени
редуктора;
α = 4 – Допустимый коэффициент
перегрузки ДПТ.
Требуемая
мощность на валу:
Ртреб = (2×Jн × εнм
+ Мнс) × ωнм
= (2 × 36,2 × 1,48 + 61) × 0,37 = 62.2162 (Вт).
Типоразмер ДПТ с номинальной мощностью:
Рном ≥ Ртреб
= 175 (Вт) – двигатель типа СЛ – 521.
Технические
данные двигателя постоянного тока серии СЛ типа 569
Тип
|
Рном, Вт
|
Uня, В
|
ωня, с-1
|
Iня, А
|
rя, Ом
|
Jя × 10–6, кг×м2
|
d, м
|
СЛ – 569
|
77
|
110
|
314
|
1,1
|
8,5
|
10-2
|
Рном = 77 (Вт) – номинальная мощность
двигателя;
Uня = 110 (В) – номинальное напряжение
якоря;
Iня = 1,1 (А) – номинальный ток якоря;
ωня
= 314 (c-1)
– номинальная скорость якоря;
Jя = 127×10-6 (кг×м2) – момент инерции якоря;
rя = 8,5 (Ом) – сопротивление якоря;
d = 10-2 (м) – диаметр вала
двигателя.
Номинальный полезный момент
двигателя:
Коэффициент противоЭДС обмотки
якоря:
Момент потерь на валу
двигателя:
Момент с
учетом потерь:
МS = С × Iня = 320 × 10-3 × 1,1 = 352,55 × 10-3 (Н × м).
Предварительная
оценка передаточного числа редуктора ip:
ip1 £ ip £ ip2
ip1 и ip2 находятся из уравнения:
1,7 · 10-3
· ip2 – 1,9 · ip + 118,1 = 0.
ip1 » 58;
ip2 » 1058.
Диапазон
передаточного числа редуктора:
58
£ ip £ 1058
Проверка
рассчитанного передаточного числа редуктора по ipmax = 1058.
А) Выполнение
условия по скорости:
ip · wнм ≤ (1,1.. 1,2) · ωня;
ip · wнм = 1058 · 1,4 = 386,4 (с-1);
1,1 · ωня = 1,1 · 377 = 414,7 (с-1).
386,4 (с-1)
≤ 414,7 (с-1) – условие выполняется.
В) Выполнение
условия по моменту:
MНОМ ≤ (3..4) · Mn;
MНОМ = 0,29 + 0,13 + 0,08 = 0,5 (Н·м);
3 · Mn = 3 · 464,2 · 10-3
= 1,4 (Н·м).
0,5 (Н·м)
≤ 1,4 (Н·м) – условие выполняется.
С) Выполнение
условия по перегреву:
Mt ≤ Mn;
Mn = 464,2 · 10-3 (Н·м).
248,8 (Н·м)
≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.
Выбранный двигатель
удовлетворяет всем условиям.
|
Расчёт
редуктора с цилиндрическими колёсами для ip = 200:
ip = i1 · i2 ·…· in = 200;
где:
Zn – число зубьев n-ой шестерни.
Соотношение
передаточных чисел ступеней редуктора:
Из расчёта,
что:
in = 11,2;
ИТОГ – 4
ступени.
i1 = 1,88;
i3 = 3,98;
i4 = 11,2.
ip = 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29 » 200;
Расчёт числа зубьев:
Число зубьев
ведущих шестерен:
Z1 = Z3 = Z5 = Z7 ≤ 15 = 15.
Число зубьев
ведомых шестерен:
Z2 = Z1 · i1 = 15 · 1,88 = 28;
Z4 = Z3 · i2 = 15 · 2,39 = 36;
Z6 = Z5 · i3 = 15 · 3,98 = 60;
Z8 = Z7 · i4 = 15 · 11,2 = 168.
Расчёт
диаметра колёс:
Модуль зуба
выбирается из стандартного ряда при условии обеспечения прочности зуба по
удельному давлению на зуб:
Для стальных
цилиндрических прямозубых колёс с эвольвентным профилем:
σн
|
Удельное давление на
зуб
|
≤ 1,372·108
|
kД
|
Динамический
коэффициент
|
1,7
|
Мнс
|
Статистический момент
на исполнительном валу
|
35,4 (Н× м)
|
kε
|
Коэффициент перекрытия
|
1,25
|
ψ
|
Коэффициент смещения
(5..10)
|
5
|
kф
|
Коэффициент формы
|
0,12
|
π
|
|
3,14
|
R
|
Радиус последней
шестерни редуктора
|
(Z8 · m) / 2
|
Z8
|
Количество зубьев
последней шестерни редуктора
|
168
|
m ≥ 1,3 = 2,0.
Диаметр
ведущих шестерен:
D1 = D3 = D5 = D7 = m · Z1 = 2,0 · 15 = 30 (мм).
Диаметр
ведомых шестерен:
D2 = m · Z2 = 2 · 28 = 56 (мм);
D4 = m · Z4 = 2 · 36 = 72 (мм);
D6 = m · Z6 = 2 · 60 = 120 (мм);
D8 = m · Z8 = 2 · 168 = 336 (мм).
Проверка:
A) Меньшего диаметра из
колёс, относительно диаметра вала:
D1 ≥ 2d.
30 (мм)
≥ 20 (мм) – условие выполняется.
B) Передаточного числа пар
и всего редуктора:
ip = 1,86 · 2,4 · 4,0 · 11,2 = 199,99 » 200;
Передаточное
число соответствует заданному.
Расчёт
приведённого к валу двигателя момента инерции редуктора:
Расчёт
момента инерции для шестерен по формуле для сплошного цилиндрического колеса:
J1 = J3 = J5 = J7 = KJ · D14 = 7,752 · (3 · 10-2)4
= 6,279 · 10-6 (кг·м2);
J2 = KJ · D24 = 7,752 · (5,6 · 10-2)4
= 76,237 · 10-6 (кг·м2);
J4 = KJ · D44 = 7,752 · (7,2 · 10-2)4
= 208,326 · 10-6 (кг·м2);
J6 = KJ · D64 = 7,752 · (1,2 · 10-1)4
= 1,6 · 10-3 (кг·м2);
J8 = KJ · D84 = 7,752 · (3,36 · 10-1)4
= 98,8 · 10-3 (кг·м2);
Расчёт
полного момента инерции:
π
|
|
3,14
|
ρ
|
Плотность стали (кг/м3)
|
7,9 · 103
|
b = m
· ψ
|
Ширина шестерни (м)
|
10-2
|
Di
|
Диаметр шестерни
|
30..336
|
= 6,279 · 10-6
+ 23,851 · 10-6 + 10,769 · 10-6 + 3,495 · 10-6
+ 2,47 · 10-6 =
= 46,864 · 10-6
(кг·м2).
Jред = 46,864 · 10-6
кг·м2.
|
Проверка
пригодности двигателя с рассчитанным редуктором.
А) Выполнение
условия по скорости:
ip · wнм ≤ (1,1.. 1,2) · ωня;
ip · wнм = 200 · 1,4 = 280 (с-1);
1,1 · ωня = 1,1 · 377 = 414,7 (с-1).
280 (с-1)
≤ 414,7 (с-1) – условие выполняется.
В) Выполнение
условия по моменту:
MНОМ.ред ≤ (3..4) · Mn;
= 288,387 ·
10-3 + 182,474 · 10-3 + 81,167 · 10-3 = 0,552
(Н·м);
3 · Mn = 3 · 464,2 · 10-3
= 1,393 (Н·м).
0,552 (Н·м)
≤ 1,393 (Н·м) – условие выполняется.
С) Выполнение
условия по перегреву:
Mt.ред ≤ Mn;
Mn = 464,2 · 10-3 (Н·м).
276,3 (Н·м)
≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.
Двигатель с редуктором
подходят для использования.
|
Построение
семейств механических и регулировочных характеристик двигателя.
Механическая
характеристика строится по уравнению механической характеристики ДПТ с
независимым возбуждением:
1 точка –
скорость холостого хода, при M = 0:
2 точка –
рабочая точка, при М = Mn = 464,2 · 10-3
(Н·м),
и ω = ωня = 377 (с-1).
3 точка –
пуск двигателя, при ω = 0:
1 точка –
рабочая точка, при U = Uня = 110 (В),
и ω = ωня = 377 (с-1).
2 точка –
трогание двигателя, при U = UТр, и ω = 0;
Расчёт
усилителя мощности.
Максимальное напряжение усилителя
мощности Umax.ум и добавочный резистор Rдоб,
ограничивающий ток якоря при пуске:
Umax.ум = α × Iня × (Rдоб
+ rя); – (уравнение якорной цепи для пускового режима).
Umax.ум = = Iня × Rдоб + Uня. – (уравнение якорной цепи
для номинального режима).
α × Iня × (Rдоб
+ rя) = =
Iня × Rдоб + Uня;
Umax.ум = = Iня × Rдоб + Uня.
Umax.ум = = 2 × Rдоб + 110.
Rдоб = 13,5 (Ом)
– добавочный
резистор;
Umax.ум = = 137,1 (В) – максимальное напряжение усилителя мощности.
Как следует
из уравнения механической характеристики, скорость двигателя, а, следовательно,
и его мощность (P = M · ω), при постоянном моменте
нагрузки, можно регулировать изменением напряжения на якоре двигателя.
Напряжение на якоре изменяется либо с помощью реостата, либо с помощью
усилительно – преобразовательного устройства, при этом поток возбуждения
остаётся постоянным.
Из уравнений
для ДПТ и воспользовавшись графиками характеристик можно рассчитать напряжение
на выходе усилительно – преобразовательного устройства в зависимости от
требуемой мощности; и мощность в зависимости от напряжения.
ω2 = (U2 – UТр) · tgφ;
В итоге:
Используя
паспортные данные, получается расчёт усилителя для данного двигателя:
U2 = P2 · 0,6 + 6,13;
P2 = U2 · 1,68 – 10,33.
Пример:P2 = 200 Вт;
U2 = 200 · 0,6 + 6,13 = 126 В;
ω2 = P2 / Мn = 200 / 0,4642 = 431 с-1.
U3 = 60 В;
P3 = 60 · 1,68 – 10,33 = 90 Вт;
ω2 = P2 / Мn = 90 / 0,4642 = 195 с-1.
Параметры
нагрузки для AD
N
|
wнм, с-1
|
eнм, с-2
|
Мнс, Н·м
|
Jн, кг×м2
|
4
|
2,2
|
45
|
0,32
|
2,17·10-3
|