Министерство образования и наукиУкраины
Приазовский государственныйтехнический университет
Кафедра АТП и П
Пояснительная записка
к курсовому проекту по дисциплине «АСУТП в ЧМ»
на тему: «АСУ ТП колпаковой печи»
Мариуполь, 2010
Реферат
Пояснительная записка: 41с., 4 рис., 1 табл., 2 приложения, 5 источников.
В первой частипояснительной записки описывается процесс термической обработки металла вколпаковых печах, выделяются основные контуры контроля и регулирования,колпаковая печь рассматривается как объект управления.
Во второй части, наоснове рассмотренного технологического процесса, создается системаавтоматизации колпаковой печи. Приводится описание контуров, созданных чертежейи т.д. Разрабатывается структурная и функциональная схемы автоматизации,принципиально-электрическая схема подключения приборов контура контроля ирегулирования.
В третьей частипояснительной записки рассмотрена математическая модель процесса регулированиятемпературой и соотношением «топливо-воздух» в колпаковой печи.
АВТОМАТИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКАМЕТАЛЛА, КОЛЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, МУФЕЛЬ, ЗАЩИТНЫЙ ГАЗ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА,КОНТУР УПРАВЛЕНИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, МАТЕМАТИЧЕСКАЯМОДЕЛЬ.
Содержание
Введение
1. Конструкция агрегата и описаниетехнологического процесса1.1 Теория термической обработки1.2 Характеристика металла, подвергаемого термическойобработке1.3 Режим термической обработки листов и полос в рулонах
2. Колпаковаяпечь как объект автоматизации
3. Разработка структурной схемы АСУТП
4. Функциональная схема системыавтоматизации, выбор технических средств контроля и управления АСУТП
5. Построение принципиальнойэлектрической схемы
6. Решение поставленныхфункциональных задач
6.1 Постановка и описание задач
6.2 Алгоритм расчетауправляющего воздействия регулятора
6.3 Блок схема расчетной части задач
Заключение
Список используемой литературы
Приложения
Введение
автоматизация колпаковаяпечь металл
Автоматизацияуправления производственными процессами, энергетическими системами,транспортными объектами, научно-испытательными установками и т.п. являетсяодним из самых прогрессивных направлений в общем развитии науки и техникинашего времени.
Автоматизация широковнедряется в металлургическое производство. Уже сейчас невозможно представитьсебе теплотехнический агрегат современного металлургического завода, работающийбез необходимых приборов контроля и регулирующей аппаратуры.
Внедрение автоматизациитепловых металлургических агрегатов приводит к сокращению участия рабочей силыв их управлении. Благодаря автоматизации появляется возможность увеличитьпроизводительность агрегата и снизить себестоимость продукции. Труд работников,обслуживающих автоматизированные агрегаты, значительно облегчается в результатеприменения механизмов и регуляторов.
Уменьшение количестваручного труда позволяет работникам значительную часть времени уделятьнаблюдению и анализам технологического процесса, искать средства для егоинтенсификации, своевременно предупреждать возможности появления бракапроизводства и возникновения аварий агрегата.
Успешное внедрениеавтоматики и правильная эксплуатация автоматизированного агрегата во многомзависит от того, насколько обслуживающий персонал знаком с принципом работы,установленной на агрегате системы автоматического контроля и регулирования.
1. Конструкцияагрегата и описание технологического процесса
Длятермической обработки металла в цехах холодной прокатки широко применяютсяколпаковые печи. Основная масса металла в них находится в виде рулонов, носуществуют также колпаковые печи для отжига бунтов проволоки, листов инекоторых видов сортового проката.
Задача управленияпроцессом нагрева в колпаковых печах заключается в обеспечении режима работы,при котором получается металл заданного качества при работе печи с максимальнойпроизводительностью.
Колпаковые печи относят кпечам камерного типа с изменяющимся во времени тепловым режимом. В первыйпериод нагрева необходимо получить максимальную скорость нагрева и поэтомуподается количество тепла, соответствующее наибольшей тепловой мощности. Этопроисходит до тех пор, пока наиболее быстро нагревающаяся часть садки иликолпака не достигнет заданной температуры. После этого начинается периодвыравнивания температуры при постепенно понижающемся расходе топлива.
В колпаковых печах верхсадки нагревается и остывает быстрее чем низ, так как теплообмен происходит сбоковой и верхней частями муфеля. Иногда быстрее нагревается нижний рулон, чтопроисходит благодаря влиянию горелок, расположенных в нижней части колпака.Большая неравномерность наблюдается и по сечению садки — средние витки рулоновгреются медленнее. Эта неравномерность может быть уменьшена за счет достаточнойдлительности выдержки.
/>
Рис. 1.1 Внешний видколпаковой печи
1. Вход в дымовойборов.
2. Инжектор.
3. Кольцевой каналсжатого воздуха.
4. Конвекторноекольцо.
5. Рулон
6. Нагревательныйколпак.
7. Крышка
8. Двойной муфель
9. Рабочее колесовентилятора
10. Газопровод
11. Горелка
12. Песочный затвор.
Продолжительность подачив печь максимального количества тепла зависит от равномерности нагрева. Прибольшой неравномерности сокращение подачи топлива приходится начинать еще в тотпериод, когда садка способна воспринимать тепло и характеризуется невысокойсредней температурой. Практика работы показывает, что рациональным значениемтепловой мощности следует считать такое, при котором температура муфелядостигает 800-850 0С за 2-3ч. Мощность одностопных печей обычнопринимают 17.5-23.5 кВт/т садки.
1.1 Теория термической обработки
Отжиг – процесстермической обработки, обуславливающий получение равновесных (устойчивых)структур распада аустенита во время охлаждения, с определённых температурнагрева в интервале превращений или выше. Отжиг осуществляется путём нагревастальных листов и рулонов до (или выше) температуры в интервале превращений,продолжительной выдержки при этой температуре и последующего медленногоохлаждения. В процессе отжига происходит изменение дисперсных фаз и размеразёрен аустенита; в результате получается равновесная структураферрито–цементной смеси, снижается твёрдость и повышается пластичность ивязкость.
Отжиг применяется сцелью снятия напряжений, улучшения пластичных свойств, устранения структурнойнеоднородности.
Применяемаятермообработка может быть классифицирована следующим образом:
а) смягчающий отжиг;
б) рекристаллизационныйотжиг;
в) отпуск.
Смягчающий отжигпроводится для разупрочнения горячекатанных листов и заготовок легированныхсталей. Сталь после прокатки может иметь различную структуру и различныемеханические свойства в зависимости от степени деформации, от температуры концагорячей прокатки, от скорости охлаждения и т.п. Поэтому при выборе режимаотжига стали после прокатки, кроме химического состава, учитывается такжеструктура и твёрдость стали.
Смягчающим отжигомдобиваются коагуляции карбидов стали, увеличения размера зерна, снятиян6апряжений и понижение твёрдости.
Рекресталлизационныйотжиг – процесс термической обработки, обуславливающий исправление искаженийкристаллической решётки., полученной при холодном деформировании металла.
Рекресталлизационныйотжиг осуществляется путём нагрева стали до температуры 150 — 250°С, выше температуры начала ростановых зёрен, образующихся взамен деформированных, выдержки при этой температуреи последующего медленного охлаждения. При рекресталлизационном отжигепроисходит рост новых зёрен, образовавшихся взамен легированных, снятие наклёпаи внутренних напряжений при коагуляции цементита и образование зернистогоперлита, увеличение пластичности стали, снижение прочностных свойств.
Отпуск процесстермической обработки, обуславливающий превращение неустойчивых структурзакалённого (полученного в процессе ускоренного охлаждения) состояние в болееустойчивые. Отпуск осуществляется путём нагрева металла до температуры нижеинтервала превращений, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения.
В результате отпускаполучаются более устойчивые структуры по схеме мартенсит – троостит – сорбит,как следствии этого, получаются требуемые механические свойства как снятие внутреннихнапряжений.
В термическом отделенииимеется 8 газовых колпаковых печей. Каждая печь имеет один нагревательныйколпак, три стенда и три муфеля. Есть один резервный стенд на все отделения,используемый при ремонте основных стендов.
Нагревательный колпаксостоит из металлического сварного каркаса и футеровки толщиной 230 мм. Из легковесного шамотного кирпича БЛ – 08. Между металлической обшивкой каркаса и кладкой –слой асбестового картона (5мм.) для уплотнения и компенсации расширения кладкив процессе её нагрева.
Масса колпака 45 т.,внутренние размеры: длина 7,5 м., ширина 3,0 м., длина 2,3 м. В нижней части нагревательного колпака установлены три мижекционные горелки – по 12 на каждойбоковой и по 4 на каждой торцевой стенке колпака, работающие на природном газе,калорийностью 8300 ккал/мм3.
В верхней частинагревательного колпака имеются проёмы для отбора продуктов сгорания, которыеотсасываются с помощью двух воздушных эжекторов, укреплённых вместе сдымонаправляемыми патрубками на каркасе печи. Подача газа к печным коллекторами горелкам, а также воздуха к эжекторам производится с помощью гибких шланговот стационарных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой.
Точность установкиколпака на печь обеспечивается вертикальными направляющими штырями,закреплёнными на стенде, и направляющими проушины на колпаке.
Сверху нагревательныйколпак имеет специальный захват для переноса его мостовым краномгрузоподъемностью 125/20 с двурогим крюком.
Стенд представляетсобой сварную металлическую раму, обшитую листами железа, сваренным между собойсплошным газоплотным швом и футерованную. Огнеупорным кирпичом. Длина рабочейчасти стенда 6300 мм., ширина 2500 мм. Верхняя часть кладки стенда накрываетсяплитами из стали СТ 3, толщиной от 20 до 40 мм. На стенд укладываются плиты одной толщины. Под стендовой плитой упакованы электронагреватели в виде проволочныхленточных спиралей из нихрома. Диаметр проволоки 4,5 мм., сечение полосы 2,0 * 20,0 мм. Общая мощность электронагревателей одного стенда составляет 75кВт.
Муфели сварные, изжаростойкой листовой стали типа 318Н10Т толщиной 3,00. Масса муфеля 1,6 т.Внутренние размеры: 2*80*6720*2160мм.1.2 Характеристика металла,подвергаемого термической обработке
Светлому отжигуподвергаются:
- травленныегорячекатаные листы (заготовки) углеродистых сталей, травленные горячекатаныелисты легированных сталей, мартенситных и мартенсито – ферритных усталей(нержавеющих);
- холоднокатаныелисты легированных и углеродистых сталей после окончательной прокатки;
- листывысокопрочных сталей в промежуточной толщине;
- горячекатаные ихолоднокатаные рулоны низколегированной и углеродистой стали.
Смягчающий отжиггорячекатаных нетравленых рулонов мартенситных и мартенсито – ферритныхнержавеющих сталей производится без защитного газа.
Листовой прокатвысокопрочных легированных и мартенситных нержавеющих сталей толщиной более 6,0 мм. перед травлением подвергаются отпуску без подачи защитного газа по температурному режиму.
Горячекатаные нетравленные рулоны легированных сталей перед порезкой на разделочном агрегате №2 подвергаются отпуску без подачи защитного газа по температурному режиму.
Нагартованные листывысокопрочных сталей СП28 – 43 конечной и промежуточной (не более 3,8 мм) толщин (кроме листов шириной разной или более 2000 мм.) перед отжигом подвергаютсяобезжиривающей обработке в моечном агрегате для удаления прокатной смазки.
Листы промежуточныхтолщин перед обеззараживанием, с целью предотвращения гуммированных в икапроновых роликов моечного агрегата, при необходимости подвергается обрезкеутоненной кромки переднего конца
(второй коней необрезается).
Размеры листов длятермической обработки в отжигательных прямоугольных печах (мм.):
горячекатаныетолщина 3,0 – 10,2 ширина 1000 — 2500 длина до 6000
холоднокатаныетолщина 1,0 – 6,0 ширина 1000 — 2500 длина до 6000 1.3 Режим термической обработкилистов и полос в рулонах
Цели термическойобработки горячекатаных и холоднокатаных листов и полос в рулонах – снятиенаклёпа, полученного металлом при прокатке и получение требуемых нормативно –технической документацией механических свойств металла при сохранении светлойповерхности.
По своему характеруприменения термообработка может быть классифицирована по следующим видам:
а) смягчающий отжиг –для разупрочнения горячекатаных листов и заготовок легированных сталей;
б) рекристализационныйотжиг — для разупрочнения холодно — катаного металла;
в) отпуск для снятиянапряжений – для предотвращения растрескивания горячекатаных заготовок притравлении;
Весь циклтермообработки разделяется на нагрев, выдержку и охлаждение.
При достижениизональной термопарой температурного задания в соответствии с режимом отжига,указанным в технологических картах, производится автоматическое регулированиепечи, осуществляемое через термопару типа ТХА, преобразователь, контроллер,исполнительный механизм.
При отжиге легированныхи нержавеющих сталей стендовые электрические нагреватели в обязательном порядкевключаются временно с запуском в работу нагревательного колпака.
Выдержка при отжигелистов всех марок сталей и рулонов нержавеющих и легированных сталей начинаетсяс момента достижения заданной температуры технологическими термопарами № 2(средней) № 3 (стендовой), а при отжиге рулонов углеродистой стали — с моментадостижения заданной температуры по кромочной термопаре.
В случаи перегораниятехнологических термопар отжиг ведётся по аналогии с ранее проведённымиотжигами.
После окончаниивыдержки садка металла охлаждается под колпаком или под муфелем. Во времяохлаждения под муфель непрерывно подаётся защитный газ. Перед снятиемнагревательного колпака со стенда термистом в обязательном порядке производитсяразборка микросхем печи. Подъем колпака осуществляется в три приёма:
- первоначальномедленный подъем на высоту 300 – 400 мм. с обязательным поправлением песочногозатвора (продолжительность остановки не менее 1 минуты);
- медленныйподъем на 1/2 высоты муфеля, остановка не менее 2 минут;
- подъем довысоты крыши муфеля остановка не менее 2 минут;
Во избежание подсосавоздуха в под муфельное пространство печи не допускается задувание, подрывмуфеля элементами конструкций колпака при его подъеме.
Садка металлараспаковывается при достижении отставной термопарой № 2 (при отжиге листовогометалла или термической обработке горячекатаных натравленных рулоновлегированных, мартенситных и мартенсито – ферритных нержавеющих сталей) иликромочной термопарой ( при отжиге остальных рулонов).
При распаковке пачкамили рулонам холоднокатаных листов присваивают номера партий. Контрольные пачкиили рулоны обозначаются в соответствии с требованиями нормативно – техническойдокументации.
Подогрев передпрокаткой горячекатанных заготовок и холоднокатанных сталей СП28 – 43, ВЛ – ІД, ВКС – 1 толщиной более 4,0 мм. производится по следующему режиму: температура зональной термопары – 750° С; температура среднейтехнологической термопары –100 — 200° С, без выдержки.
После снятия колпакасадки металла охлаждается под муфелем 3 – 4 часа с целью выравниваниятемпературы по ширине и длине листа.
Упаковка металла настенд согласно предыдущим инструкциям.
Партия холоднокатаныхлистов легированных сталей, имеющих повышенное содержание углерода,подвергаются повторному отжигу.
Повторный отжигпроизводится по следующей температуре:
а) перед упаковкойметалла на стенд кладка стенда должна быть регенерирована, либо выполненазаново и просушена;
б) на протяжении всегоотжига (нагрев, выдержка и охлаждение) природный газ в под муфельноепространство не подаётся;
в) горячая продувкапроизводится от момента установки колпака до его снятия;
г) температурный режимотжига – согласно настоящей технологической инструкции.
2. Колпаковая печь как объект автоматизации
Колпаковая печь с точкизрения автоматического регулирования является емкостным статическим объектом сбольшим значением постоянной времени Т и малым по величине отношением — t/Т менее 0,2.
Объект управленияхарактеризуется следующими входными параметрами:
- Расходом газа (Fг);
- Расходом воздуха(Fв);
- Расходомзащитного газа (Fзг);
- Расходомпродуктов сгорания (Fпр сг).
Основными возмущающимивоздействиями в процессе нагрева металла являются:
- Измененияхарактеристики садки (массы и размеров рулона, марки металла, его толщины,плотности намотки) (fхс);
- Изменениедавления и калорийности газа (fд);
- Изменениедавления в печи (fдп).
Управляющие воздействия:
- Температура садки(tc);
- Температура подмуфелем (tм);
- Давление в печи(Рп);
- Давление в дымовомборове (Рдб).
/>
Рис 2.1. Схематическоеизображение колпаковой печи как объекта управления.
Перечень контролируемыхпараметров объекта управления одностопной колпаковой печи, с указанием рабочегодиапазона их изменения и необходимой точности измерения, приведен в таблице 3.1
Таблица 2.1Контролируемые параметры объекта управления.Контролируемый параметр Рабочий диапазон изменения Класс точности Давление природного газа, Па 6867-7848 1,5 Давление защитного газа, Па 147,15-343,35 1,5 Давление воздуха, Па 5395 1 Температура свода, С 540-810 0,5 Температура под муфелем, С 640-910 0,5 Температура рулонов, С 540-810 0,5 Давление отходящих газов, мм.вод.ст -15…5 1
3. Разработкаструктурной схемы АСУ ТП
Структурная схемаавтоматизации представлена в графической части проекта (лист 1).
Работу системыавтоматизации колпаковой печи можно представить в виде структурной схемы.Система автоматизации представляет собой трехуровневую структуру, состоящую изтаких уровней:
1. Уровеньизмерительных средств. Состоит из датчиков, регулирующих органов,исполнительных механизмов. Он предназначен для преобразования технологическихвеличин (температура, давление и т.д.) в электрические величины, удобные дляпередачи на второй уровень автоматизации.
2. Уровень локальныхсредств контроля и регулирования. Представляет собой уровень, на которомосуществляется контроль и регулирование параметров процесса при помощи средствконтроля и измерения, находящихся на территории каждого объекта автоматизации.Эти средства расположены на щитах КИП и А и представляют собой:преобразователи, цифровые индикаторы, средства сигнализации, станцииуправления. Также на этом уровне расположен микроконтроллер, с помощью которогопроизводится ввод заданных значений, управление видеотерминалом, связь собъектом, управление устройствами ввода-вывода. Микроконтроллер осуществляетуправление технологическим процессом на данном уровне автоматизации, а такжеподдерживает связь с верхним уровнем автоматизации. На этом уровне системавыполняет такие функции: контроль параметров, дистанционное управлениетехнологическим оборудованием, измерительное преобразование, контроль исигнализацию измеряемых параметров, стабилизирующее регулирование, регистрациюпараметров, выдачу оперативной информации в АСУТП и получение от негопроизводственных заданий. На этом уровне расположены средства диспетчерской ипроизводственной громкоговорящей связи. На верхней ступени этого уровня стоитгазовщик, который с помощью видеотерминала и устройств ввода-выводанепосредственно контролирует и регулирует определенные параметры процесса.
3. На верхнем уровненаходится рабочая станция управления ходом продувки. Верхний уровеньосуществляет следующие функции: контроль и сигнализация значений параметров,ручной ввод данных, учет производства и составление данных за смену,оптимизация отдельных техпроцессов, оценка работы смены, расчеттехнико-экономических показателей, контроль выполнения плановых заданий./>
4. Функциональнаясхема системы автоматизации, выбор технических средств контроля и управления АСУТП
Функциональная схемаавтоматизации представлена графической части проекта (лист 2).
Функциональная схема автоматизации содержит следующиеконтуры контроля и регулирования:
— контур контроля ирегулирования температуры под колпаком печи;
— контур контроля ирегулирования соотношения топливо-воздух;
— контур контроля и сигнализациидавления под колпаком печи;
— контур контролятемпературы среды под муфелем;
— контур контроля расходадымовых газов;
— контур контролятемпературы отходящих дымовых газов.
— контур контроля ирегулирования расхода защитных газов.
Выбор технологическихсредств контуров контроля и регулирования был обусловлен пределами измерениятехнологических параметров и условиями эксплуатации.
1. Контур контроля ирегулирования температуры под колпаком печи.
Сигнал с термопарыпоз.1-1 тип ТХА-0192 через преобразователь поз.1-2 тип МТМ 402-01, которыйслужит показывающим прибором, поступает на вход аналоговых сигналов В1микроконтроллера. С задатчика БРУ-7 (поз. 1-3) в контроллер на дискретный вход B3 поступает информация о том, будетли температура задаваться при помощи задатчика вручную, либо задание будетосуществляться с рабочей станции на основании расчета. Если температуразадается вручную, в контроллер, кроме этого, на вход В2 заводится сигнал сзадатчика БРУ-7 (поз. 1-3).
Контроллер на основанииполученных данных определяет сигнал ошибки между текущим и заданным значениемтемпературы под колпаком, и по этой ошибке, по встроенному ПИД-алгоритмурассчитывает управляющее воздействие, которое в виде токового сигнала 4-20 мА свыхода В/ВО2 поступает на регулирующий клапан в комплекте с цифровымрегулирующим контроллером DVC6010(поз. 1-4). По этой же линии клапан и контроллер обмениваются информацией по HART-протоколу. Положение клапана,полученное по HART-протоколу на вход В/ВО2,показывается на индикаторе БРУ-7 (поз. 1-3).
2. Контур контроля ирегулирования соотношения топливо-воздух.
Сигнал с датчика расходатоплива Метран-100 ДД, поз 2-1 поступает на вход преобразователя токовогосигнала МТМ 310С, поз 2-2, который так же является показывающим прибором нащите КИПиА, после чего поступает на вход В4 микроконтроллера. Аналогично навход контроллера В5 через преобразователь МТМ 310С поз 3-2, поступает сигнал сдатчика расхода воздуха Метран 100ДД, поз 3-1. С задатчика БРУ-7 (поз. 3-3) вконтроллер на дискретный вход B7поступает информация о том, будет ли соотношение задаваться при помощизадатчика вручную, либо задание будет осуществляться с рабочей станции наосновании расчета. Если соотношение задается вручную, в контроллер, кромеэтого, на вход В6 заводится сигнал с задатчика БРУ-7 (поз. 3-3).
Контроллер на основанииполученных данных определяет сигнал ошибки между текущим и заданным значением,и по этой ошибке, по встроенному ПИД-алгоритму рассчитывает управляющеевоздействие, которое в виде токового сигнала 4-20 мА с выхода В/ВО4 поступаетна регулирующий клапан в комплекте с цифровым регулирующим контроллером DVC6010 (поз. 3-4). По этой же линииклапан и контроллер обмениваются информацией по HART-протоколу. Положение клапана, полученное по HART-протоколу на вход В/ВО4,показывается на индикаторе БРУ-7 (поз. 3-3).
3. Контур контроля исигнализации давления под колпаком печи;
Сигнал с датчика расходатоплива Метран-100 ДИ, поз 4-1 поступает на вход преобразователя токовогосигнала МТМ 310С, поз 4-2, который так же является показывающим прибором нащите КИПиА, после чего поступает на вход В8 микроконтроллера. В контроллереосущесвляется анализ полученного значения и при достижении им критическойвеличины, срабатывает световая сигнализация. Сигнал поступает на лампу HL1 с выхода ВО5 микроконтроллера.
4. Контур контролятемпературы среды под муфелем;
Сигнал с термопарыпоз.5-1 тип ТХА-0192 через преобразователь поз. 5-2 тип МТМ 402-01, которыйслужит показывающим прибором, поступает на вход аналоговых сигналов В9микроконтроллера.
5. Контур контролярасхода дымовых газов
Сигнал с датчика расхода поз6-1 тип Метран100 ДД через преобразователь поз. 6-2 тип МТМ 310С, которыйслужит показывающим прибором, поступает на вход аналоговых сигналов В10микроконтроллера.
6. Контур контролятемпературы отходящих дымовых газов
Сигнал с термопарыпоз.7-1 тип ТХА-0192 через преобразователь поз. 7-2 тип МТМ 402-01, которыйслужит показывающим прибором, поступает на вход аналоговых сигналов В11микроконтроллера.
7. Контур контроля ирегулирования расхода защитных газов.
Сигнал с датчика расходатоплива Метран-100 ДД, поз 8-1 поступает на вход преобразователя токовогосигнала МТМ 310С, поз 8-2, который так же является показывающим прибором нащите КИПиА, после чего поступает на вход В4 микроконтроллера. С задатчика БРУ-7(поз. 8-3) в контроллер на дискретный вход B14 поступает информация о том, будет ли расход газовзадаваться при помощи задатчика вручную, либо задание будет осуществляться срабочей станции на основании расчета. Если соотношение задается вручную, вконтроллер, кроме этого, на вход В13 заводится сигнал с задатчика БРУ-7 (поз.8-3).
Контроллер на основанииполученных данных определяет сигнал ошибки между текущим и заданным значением,и по этой ошибке, по встроенному ПИД-алгоритму рассчитывает управляющеевоздействие, которое в виде токового сигнала 4-20 мА с выхода В/ВО7 поступаетна регулирующий клапан в комплекте с цифровым регулирующим контроллером DVC6010 (поз. 8-4). По этой же линииклапан и контроллер обмениваются информацией по HART-протоколу. Положение клапана, полученное по HART-протоколу на вход В/ВО7,показывается на индикаторе БРУ-7 (поз. 8-3).
5. Построение принципиальнойэлектрической схемы
В курсовом проектеразработана принципиально-электрическая схема контура контроля и регулирования температурыпод колпаком печи. В состав данного контура входят: датчик температуры ТХА-0192,преобразователь сигнала термопар МТМ 402-01, блок ручного управления БРУ-7, регулирующий клапанв комплекте с цифровым регулирующим контроллером DVC-6010, микроконтроллер ROC 809, имеющий свой модуль питания и следующие модулирасширения: аналогового ввода AI-12,аналогового вывода АО-16, дискретного ввода DI, модуль HART. Преобразователь,блок ручного управления питаются от сети ~220 В. Микроконтроллер питается отвнешнего блока питания БП-24. Регулирующий клапан питается непосредственночерез информационные входы.
Сигнал с термопарыпоступает на клеммы 1-2 модуля Х2 преобразователя МТМ 402-01 (поз 1-2), и черезклеммы 1-2 модуля Х1 нормализованный сигнал подается на клеммы 1-2 модуля аналоговоговвода AI 12 микроконтроллера.
Заданная температура с блокаручного управления (поз. 1-3) (клеммы 9-10) передается на клеммы 3-4 модуляаналогового ввода AI-12.
С клемм 10-11-12 блокаручного управления (поз. 1-3) на клеммы 1-2-10 модуля дискретного входа DI контроллера поступает сигнал о том,будет ли задание расхода кислорода осуществляться вручную (замкнуты клеммы9-10) или с рабочей станции (замкнуты клеммы 11-10).
С клемм 1-2 модуляаналогового вывода АО-16 на клеммы 1-2 задатчика (поз. 6-3) поступает сигнал оположении регулирующего клапана.
Следует отметить, что таккак почти везде используются токовые сигналы, то соединение выводов должно бытьперекрестным, то есть «+» прибора подключается к «-» модуля контроллера, а «-»прибора подключается к «+» модуля контроллера.
6. Решение поставленных функциональных задач
6.1 Постановка иописание задач
Предположим,что до внесения возмущения по нагрузке объект управления находится в состояниидинамического равновесия при />.Внесенное возмущение вызовет отклонение регулируемой координаты от заданногозначения, которое можно описать следующим дифференциальным уравнением
/> (6.1.1.1)
где />/>-отклонение заданного значения регулируемой координаты от текущего (величина,противоположная по знаку сигналу ошибки);
Z –возмущение;
У –управляющее воздействие;
/> — постоянная времени;
/>-коэффициент передачи объекта управления;
Решимуравнение (9.1.7) относительно производной
/>(6.1.1.2)
Значениепроизводной величины Х можно вычислить по формуле:
/>(6.1.1.3)
где/> – значение величины /> в конце шага расчета;
/> – значение величины /> в начале шага расчета;
/>временной шаг расчета.
Приравниваяправые части уравнений (6.1.1.2) и (6.1.1.3) и решая полученное уравнениеотносительно Х(2), получим
/>.(6.1.1.4)
Начальноезначение координаты /> в начале первогошага расчета принимают равным нулю. Чтобы пользоваться уравнением (6.1.1.4) длярасчета последующих значений координаты />,необходимо после каждого шага расчета выполнить вычисление
/>(6.1.1.5)
Отметим, чтопри
/>(6.1.1.6)
выражения (6.1.1.5)и (6.1.1.6) позволяют рассчитывать кривую разгона объекта управления.
Когдастатический объект управления обладает запаздыванием, при расчете кривойразгона поступают следующим образом. Сначала вычисляют число
/>(6.1.1.7)
Затем /> округляют до ближайшегоцелого значения N и набирают массив (N+1) нулевых значений координаты />. После этого выражение длярасчета кривой разгона статического объекта управления примет вид:
/>(6.1.1.8)
Следуетотметить, что запись значений координаты /> ведутс нулевого момента времени (момента внесения возмущения Z), то есть каждый раззаписывают координату />. Каждое последующеевычисление по выражению (6.1.8) выполняют после процедуры присвоения:
/>(6.1.1.9)
Данныйалгоритм, а практически формулы (6.1.1.8) и (6.1.1.9) легли в основу построениямодели объекта.
6.2Алгоритм расчета управляющего воздействия регулятора
Рассмотрималгоритмы расчета управляющих воздействий регуляторов, реализующих типовыенепрерывные законы регулирования. Запишем уравнение идеального непрерывного П –регулятора
/>,
где /> - управляющее воздействие;
/> - коэффициент передачи И – регулятора;
/> - сигнал ошибки.
Расчетуправляющего воздействия на ЭВМ производится в дискретные моменты времени.Следовательно, вычисление управляющего воздействия П – регулятора будемпроизводить по следующему алгоритму:
/>(6.1.2.1)
конкретныеалгоритмы расчета управляющего воздействия зависят от места приложения возмущающеговоздействия. Так при расчете переходных процессов, вызванных возмущениями понагрузке, ЭВМ вычисляет в дискретные моменты времени координату
/>(6.1.2.2)
Координата />представляет собой сигналошибки с отрицательным знаком
/>(6.1.2.3)
Такимобразом, при расчете переходных процессов, вызванных возмущениями по нагрузке,управляющее воздействие П-регулятора вычисляют по выражению
/>(6.1.2.4)
Расчетпереходных процессов в АСУ потребует ввода значения управляющего воздействиярегуляторов в начальный (нулевой) момент времени. В этот момент времени, когдак объекту возмущения приложено возмущение по нагрузке, сигнал ошибки отсутствуети управляющее воздействие П-регулятора равно нулю
/>(6.1.2.5)
Когда ксистеме приложено скачкообразное возмущение по заданию, ЭВМ вычисляетотклонение регулируемой координаты от начального заданного значения
/>(6.1.2.6)
Так как длярасчета переходного процесса в ЭВМ вводится только величина скачкообразноговозмущения по заданию
/>(6.1.2.7)
то выражениедля входной величины регулятора (сигнал ошибки) будет таким
/>(6.1.2.8)
Следовательно,уравнение П-регулятора при расчете переходных процессов, вызванныхскачкообразными возмущениями по заданию, приобретает вид
/> (6.1.2.9)
В начальный(нулевой) момент времени, когда к регулятору приложено скачкообразноевозмущение по заданию, сигнал ошибки определяется выражением (6.2.7). Поэтому вэтот момент времени управляющее воздействие П-регулятора равно
/> (6.1.2.10)
Теперьостановимся на алгоритмах расчета управляющего воздействия И-регулятора.Запишем уравнение идеального непрерывного И-регулятора
/>(6.1.2.11)
где /> - коэффициент передачиИ-регулятора.
Дифференцируяобе части уравнения (6.1.2.11), перейдем к такому уравнению И-регулятора
/>(6.1.2.12)
С учетом выражения(6.1.2.10) запишем выражение И-регулятора для расчета переходных процессов,вызванных возмущениями по нагрузке :
/>(6.1.2.13)
а также сучетом выражения (6.1.2.8) – уравнение И-регулятора для расчета переходныхпроцессов, вызванных скачкообразными возмущениями по заданию:
/>(6.1.2.14)
Для начальных(нулевых) моментов времени при скачкообразных возмущениях как по нагрузке, таки по заданию управляющее воздействие И-регулятора равно нулю.
Алгоритмырасчета управляющего воздействия ПИ-регулятора получим из дифференциальногоуравнения этого регулятора
/>(6.1.2.15)
где /> — коэффициент передачирегулятора;
/> — время изодрома или время удвоения.
Уравнение(1.34) запишем в такой форме
/>
или />(6.1.2.16)
От выражения(1.35) перейдем к общему уравнению ПИ-регулятора
/>(6.1.2.17)
Учитываявыражения (6.1.2.2), а также (6.1.2.8), запишем соответственно уравнениеПИ-регулятора, для расчета переходных процессов, вызванных возмущениями понагрузке :
/>/>(6.1.2.18)
и уравнениеПИ-регулятора для расчета переходных процессов, вызванных скачкообразнымивозмущениями по заданию :
/>(6.1.2.19)
В начале(нулевые) моменты времени управляющие воздействия ПИ-регулятора определяютсякак и для П-регулятора.
6.3 Блок схема расчетной части задач
Структура программысостоит из бесконечного цикла, в котором производится имитация работы контуроврегулирования температуры под колпаком печи и регулирования соотношениятопливо-воздух.
/>
Рис.6.2.1 Блок-схемарасчета ПИД-регулятора.
/>
Рис 6.2.2 Блок-схемарасчетной части.
Заключение
В данном курсовом проектебыл рассмотрен вопрос автоматизации колпаковой нагревательной печи, быливыбраны технологические средства для модернизации и улучшения ее работы, а также разработана математическая модель контуров контроля и регулированиятемпературы под колпаком печи, расхода топлива и воздуха.
Список используемой литературы
1. «Расчетнагревательных и термических печей» ред. В.М. Тымчака 1983г.
2. «Нагрев стали впечах» В.Ф.Копытов.
3. Н.П.Свинолобов,В.Л.Бровкин «Печи черной металлургии» Учебное пособие.
4. Конспект лекцийпо дисциплине «Автоматизациятехнологических процессов и объектов черной металлургии»
5. В. Шамис. Borland C++ Builderдля профессионалов.
Приложения
Приложение А
Листинг программы
//---------------------------------------------------------------------------
#include
#pragmahdrstop
#include
#include«Unit1.h»
//---------------------------------------------------------------------------
#pragmapackage(smart_init)
#pragmaresource "*.dfm"
TForm1 *Form1;
floatT_r,T_m,T_k;
floatT_r_z,T_m_z,T_k_z;
floatF_t,F_v,F_g;
floatL,D_vn,D_v;
floatt,st,Kob=44,Tob=44,Td,Kr;
floatTi,D,y1,y2,y3,y4,y5,tz;
floatKob2,Tob2,Td2,Kr2;
float Ti2,D2;
floatKob3,Tob3,Td3,Kr3;
floatTi3,D3,x3[42];
floatx[42],x2[42],Z1,q1,im;
floatbuf1[10],buf2[10],buf3[10];
int count,ct1;
doubleent(float T)
{
im=-9e-08*T*T*T+0.0002*T*T+0.0346*T+8.6794;
return(im);
}
//---------------------------------------------------------------------------
__fastcallTForm1::TForm1(TComponent* Owner)
: TForm(Owner)
{
}
//---------------------------------------------------------------------------
double pid_t(double D)
{
t=0;
// st=30;
Td=1;
Kr=0.2;
Ti=20;
y1=Kr*D;
y2=0;
y4=0;
y5=y1;
//y1=Kr*(D-x[1]);
y2=y2+Kr*Td*(x[1]-x[0])/Ti;
y4=-Kr*Td*(x[1]-x[0])/1;
y5=y1+y2+y4;
x[41]=x[40]+(Kob*y5-x[40])/Tob;
for(inti=0;i
x[i]=x[i+1];
return(x[40]);
}
double pid_Ft(double D)
{
t=0;
// st=30;
Td2=1.2;
Kr2=0.2;
Ti2=12;
y1=Kr2*D;
y2=0;
y4=0;
y5=y1;
//y1=Kr*(D-x[1]);
y2=y2+Kr2*Td2*(x2[1]-x2[0])/Ti2;
y4=-Kr2*Td2*(x2[1]-x2[0])/1;
y5=y1+y2+y4;
x2[41]=x2[40]+(Kob2*y5-x2[40])/Tob2;
for(inti=0;i
x2[i]=x2[i+1];
return(x2[40]);
}
double pid_Fv(double D)
{
t=0;
// st=30;
Td3=0.8;
Kr3=0.2;
Ti3=17;
y1=Kr3*D;
y2=0;
y4=0;
y5=y1;
//y1=Kr*(D-x[1]);
y2=y2+Kr3*Td3*(x3[1]-x3[0])/Ti3;
y4=-Kr3*Td3*(x3[1]-x3[0])/1;
y5=y1+y2+y4;
x3[41]=x3[40]+(Kob3*y5-x3[40])/Tob3;
for(inti=0;i
x3[i]=x3[i+1];
return(x3[40]);
}
void__fastcall TForm1::Button1Click(TObject *Sender)
{
Kob=5;
Tob=10;
Kob2=12;
Tob2=10;
Kob3=25;
Tob3=27;
T_m=500;
Timer1->Enabled=true;
L=StrToFloat(Edit1->Text);
D_vn=StrToFloat(Edit2->Text);
D_v=StrToFloat(Edit3->Text);
Series1->Clear();
Series2->Clear();
Series3->Clear();
Series4->Clear();
count=0;
for (inti=0;i
x[i]=30;
}
//---------------------------------------------------------------------------
void__fastcall TForm1::Button2Click(TObject *Sender)
{
Timer1->Enabled=false;
}
//---------------------------------------------------------------------------
void__fastcall TForm1::Timer1Timer(TObject *Sender)
{
T_r_z=TrackBar1->Position;
T_r=pid_t(T_r_z);
T_m=T_m+(Kob*T_r/5-T_m)/(Tob);
Series1->AddXY(count,T_r_z);
Series2->AddXY(count,T_r);
Series3->AddXY(count,T_m);
F_t=pid_Ft(T_r);
F_v=pid_Fv(F_t);
Series4->AddXY(count,F_t);
Series5->AddXY(count+2,F_v);
count+=1;
}
//---------------------------------------------------------------------------
void__fastcall TForm1::TrackBar1Change(TObject *Sender)
{
Label8->Caption=TrackBar1->Position;
}
//---------------------------------------------------------------------------
Приложение В
Инструкция по работе спрограммой и результаты работы программы.
Призапуске приложения запускается главное окно программы, вид которого представленна рисунке В.1.
/>
Рисунок В.1 Главное окнопрограммы.
В левой части окнарасположены управляющие кнопки, поля для ввода значений.
При нажатии на кнопкуСТАРТ запускается таймер и начинает производится расчет значений температурырулона, температуры муфеля. Изменение температур выводится на графики. Наверхнем графике показаны температурные значения, а на нижнем – значения расходатоплива и воздуха. Ползунком можно менять задание, тогда на графиках становятсявидны переходные процессы при ПИД регулировании.
/>
Рис. Б.2. Запускпрограммы.
/>
Рис.Б.3. Внешний вид приизменении задания.