Система автоматического регулирования температуры в зоне спекания вращающейся печи
Федеральное
агентство по образованию
Белгородский
государственный технологический университет
имени В. Г.
Шухова
Кафедра электротехники и автоматики
Контрольная
работа
по
дисциплине:
«Системы
управления химикотехнологическими процессами»
на тему:
«Система автоматического регулирования температуры в зоне спекания вращающейся
печи»
Белгород 2007
Задание №1
Раздел 1
Объектом управления (ОУ) вращающейся печи является
процесс регулирования разряжения в горячей головке вращающейся печи.
Автоматизация вращающейся печи направлена на
оптимизацию ее работы. Оптимальная работа вращающейся печи является самым
важным фактором, влияющим на качество получаемого клинкера и экономию
энергоресурсов.
При оптимизации режима работы вращающейся печи решаются
следующие основные задачи:
максимальное использование тепла горения топлива на
обжиг клинкера;
точное соблюдение технологических параметров
вращающейся печи с целью получения клинкера высокого качества;
предотвращение пылевыделения из печи с целью обеспечить
более экологически чистую среду вокруг предприятия;
увеличение службы работы всех механизмов и
теплообменных устройств.
Классификация переменных величин характеризующих
работу объекта:
разрежение в горячей головке вращающейся печи;
расход дымовых газов;
Раздел 2
Дано уравнение движения ОУ:
где
Y(t) - расход дымовых газов;
X(t) -
разрежение в горячей головке вращающейся печи;
tоу - постоянная
времени объекта управления, tоу = 13 с;
t - время
запаздывания, t = 0 с;
Kоу -
коэффициент передачи объекта управления, Kоу = 15 Па/%;
Определяем
передаточную функцию:
Учитывая,
что необходимо определить переходную характеристику объекта управления,
считаем, что выходная величина это единичная функция Y(t)=1(t).
Преобразуем
это условие по Лапласу и получим:
Подставим
начальные условия в предыдущее уравнение:
Корни
характеристического уравнения (tоуp+1)p =0;
p1=0; p2=-1/tоу
Применим
формулу Хевисайда:
Подставляем
значения и строим зависимость:
Определим
импульсную характеристику:
Подставляем
значения и строим зависимость:
Определим
КЧХ:
Так
как p=jw, то W(p)= W(jw)= U(w)+jV(w).
Подставляем
значения и строим зависимость:
Определим
АЧХ:
Подставляем
значения и строим зависимость:
Из
графика видно, что полоса пропускания лежит в области низких частот.
Определим
ФЧХ:
Подставляем
значения и строим зависимость:
Раздел
1
Построение
и описание функциональной схемы автоматизации ОУ в соответствии со стандартом
(рис 1):
PY, GY -
преобразователь разряжения, перемещения;
GE - датчик
перемещения;
PI, CI -
вторичные приборы;
PC, GC -
регуляторы разряжения, перемещения, причем GC - внутренний
контур регулирования, необходим для формирования пропорционально-интегрального
закона регулирования регулятора PC; PC - внешний регулирующий контур.
H - задатчики,
входящие в состав регулятора;
HS -
коммутирующий элемент;
SA - тумблер;
SB - кнопочный
переключатель;
NS - усилитель
мощности (магнитный пускатель).
М1
- исполнительный механизм;
М2
- электропривод дымососа;
ПК
- пылеосадительная камера;
Ф
- электрофильтр;
ВП
- вращающаяся печь;
К1
- клапан воздушный регулирующий;
ГГ
- горячая головка печи;
Х
- печной холодильник.
Построение
блок-схемы автоматизации ОУ в соответствии со стандартом (рис 2):
ДР
- датчик разряжения;
ЭР
- электронный регулятор (локальный контроллер);
УМ1
- усилитель мощности;
ИМ1
- исполнительный механизм;
КС1
- контроллер среднего уровня (телеметрии);
ПУ1
- пульт управления оператора. На мониторе оператора выводятся все
контролируемые параметры в автоматическом режиме: состояния оборудования и
технологических параметров.
ЭП1
- электропривод дымососа.
Система
автоматизации работает следующим образом.
Датчик
разряжения через отборное устройство измеряет величину разряжения в горячей
головке печи. Выходной сигнал датчика 1а подается на регулятор 1в, на вход
которого поступает сигнал задатчика 1г. При равенстве нулю алгебраической суммы
этих сигналов выходной сигнал регулятора отсутствует. В противном случае
регулятор 1в вырабатывает сигнал рассогласования, который в электронных блоках
регулятора усиливается до заданной величины и преобразуется в соответствии с
пропорционально-интегральным законом регулирования.
С
выхода регулятора 1в сигнал подается на вход регулятора положения 2г, на вторые
входы которого поступают сигналы с датчика положения 2а и задатчика 2д. При
неравенстве нулю алгебраической суммы этих сигналов формируется сигнал
рассогласования который подается на усилитель мощности 2е через ключ SA1,
предназначенный для выбора режима управления «автоматический - ручной».
Усиленный
по мощности сигнал с выхода усилителя 2е поступает на управляющую обмотку
электрического исполнительного механизма М1, состоящего из размещенных в одном
корпусе электродвигателя и редуктора.
Исполнительный
механизм М1 перемещает поворотную заслонку К1, установленную на дымососе, что
приводит к изменению проходного сечения дымососа и расхода удаляемых из печи
отходящих газов. Изменение расхода отходящих газов происходит до тех пор, пока
выходной сигнал регулятора 1в не станет равным нулю, то есть пока регулируемый
параметр разряжение в горячей головке вращающейся печи не достигнет заданного
значения.
Для
контроля разряжения на щите пульта управления установлен вторичный прибор 1б с
функциями показания, непосредственно связанный с датчиком разряжения. Также на
пульте управления размещен дистанционный указатель положения 2в заслонки К1,
связанный с датчиком положения 2а и размещенный в корпусе исполнительного
механизма.
Кнопочный
переключатель SB1 предназначен для дистанционного включения
электродвигателя исполнительного механизма М1 в ручном режиме управления.
Контур
стабилизации разрежения в горячей головке вращающейся печи обеспечивает
нормальный режим горения и соответствующую скорость газов. Разряжение в горячей
головке характеризует интенсивность теплообмена и пылевынос из печи, а также
состояние газового тракта печного агрегата.
Раздел
2
Подбор
приборов для системы автоматического контроля.
Обычно
разряжение в горячей головке печи составляет 1,23…1,72 кПа.
Для
представленной схемы выбираем датчик разряжения фирмы «Метран», который имеет
чувствительный элемент, выполненный по технологии КНС (кремний на сапфире).
Техническая
характеристика датчика Метран-100-ДВ-1430-02
Измеряемые среды
|
жидкости, пар, газ, в т.ч.
газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси; пищевые продукты
|
Диапазоны измеряемых
давлений
|
0,04…6,3 кПа
|
Основная погрешность
измерений
|
до 0,1% от диапазона
|
Выходной сигнал
|
цифровой (RS-485,
HART), аналоговый
|
Ток выходного сигнала
|
от 4 до 20 мА
|
Постоянная времени
|
5,0 с
|
Диапазон перенастроек
пределов измерений
|
до 25:1
|
Устойчивость к атмосферному
воздействию
|
от 84,0 до 106,7 кПа
|
Степень защиты от
воздействия пыли и воды
|
IP65
|
Межповерочный интервал
|
3 года
|
Гарантийный срок
эксплуатации
|
3 года
|
печь вращающийся регулятор отборный
Подбор вторичных приборов.
На верхнем уровне АСДУ находится диспетчерский пульт управления (ДПУ).
Этот уровень предназначен для наблюдения, регулирования, получения информации,
документации данных по процессам, протекающим в ОУ. Здесь происходит
взаимодействие оператора с различными процессами с помощью интерфейса
«человек-машина». Этот уровень реализован с помощью специального программного
обеспечения.
Параметры объекта управления выводятся на мониторе ДПУ.
Задание №3
Раздел 1
Обобщенная функциональная схема с учетом применения аналогового
регулятора.
(t) -
регулирующая величина ОУ.
Df(t)=fзад-fдат(t)
Df(t) - отклонение регулируемой величины от заданной;
fзад - задающая
величина, формируется задатчиком;
fдат(t) -
выходной сигнал датчика.
Б2
- регулятор положения, это внутренний контур СА, необходимый для формирования
регулятором Б1 заданного закона регулирования.
Обобщенная
функциональная схема на базе технологического контроллера.
ТК - технологический контроллер.
Раздел 2
Определение параметров ОУ с учетом датчика технологического параметра и
построение переходной характеристики.
Параметры ОУ: Kоу=15 Па/%, tоу=13 с; t=0 с.
Параметры датчика: датчик для измерения разряжения Метран-100-ДВ
Imin=
4 мА; Imax= 20 мА; Pmin= 40 Па; Pmax= 6300 Па; tдат=
5 с.
Найдем Kдат:
Строим переходную характеристику ОУ с учетом параметра датчика ТП.
ОУ:
Датчик
Д1:
Определяем
передаточную функцию:
Пересчитаем
передаточную функцию при последовательном соединении:
Учитывая,
что переходная характеристика этой системы это реакция элемента (элементов)
системы на единичную функцию, то тогда:
;
Определяем
корни характеристического уравнения:
Учитывая,
что корни простые и один корень равен нулю, то можно применить формулу
Хевисайда:
Подставим
значения:
Построим
график передаточной функции: