ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПООБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственноеобразовательное учреждение среднего профессионального образования
«Омскийхимико-механический колледж»
Специальность: 220301Автоматизация технологических процессов и производств
Курсовая работа
по автоматическомууправлению
Тема: Проектирование принципиальнойсхемы стенда для исследования свойств позиционного регулятора
студент Колесников КонстантинАндреевич
группы А- 317
Руководитель ГригорьеваЛ.В.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Исследование свойств объекта проектирования
2. Проектирование принципиальной схемы стенда
3. Методика выполнения лабораторной работы
4. Расчет надежности проектируемого стенда
Вывод
Литература и нормативно- техническая документация
ВВЕДЕНИЕ
Позиционныерегуляторы предназначены для позиционного регулирования, а также они могутприменяться в качестве сигнализации крайних значений регулирующего параметра.Регулирующий параметр может быть любым (температура, давление, расход и т.д.)
Позиционныерегуляторы реализуют принцип «включено-выключено»
Позиционныерегуляторы не сложны по конструкции, надёжны в работе, просты в обслуживании инастройке.
Их применяютна инерционных объектах с малым запаздыванием. Примеры позиционных регуляторов:ПР 1.5; КВД 1; ПР 1.6-М1; Х-2; МРЩПр-54
Внедрениеавтоматических устройств в нефти – химическое производство ведет к сокращениюбрака и отходов, уменьшению затрат сырья и энергии, также ведет к повышениюпроизводительности труда, улучшению качества выпускаемой продукции.
1. ИСЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Позиционныйрегулятор — такой автоматический регулятор, у которого регулирующий орган можетзанимать ограниченное число определённых положений. Позиционные (Пз) регуляторыотносятся к группе регуляторов прерывистого действия. Чаще всего применяютсядвух- или трёхпозиционные регуляторы.
Классификация:
1) По видурегулируемого параметра:
— давления
— уровня
— расхода
2) По режимуработы:
— непрерывного действия
— прерывистого действия
3) Поконструкции:
— приборные
— аппаратные
— агрегатные
4) По способудействия:
— прямогодействия
— косвенногодействия
5) По видуиспользуемой энергии:
— электрические
— пневматические
— гидравлические
— комбинированные
6) По закону:
— пропорциональные ( П )
— интегральные ( И )
— пропорционально-интегральные ( ПИ)
— пропорционально-дифференциальные ( ПД )
— пропорционально-интегрально- дифференциальные ( ПИД )
Рассмотрим несколькопримеров позиционных регуляторов:
/>
Рис. 1 Схематрехпозиционного регулятора МРЩПр-54
Регуляторы МРЩПр-54 предназначены для позиционного регулирования исигнализации предельных значений температуры и подразделяются на двух- итрехпозиционные.
Регулятор состоит из измерительной части 1, двухэлектронных управляющих устройств 2 и 3, выполняемых на лампах Л1 иЛ2, трех электромагнитных реле Р, Р1 и Р2 с контактами иисполнительного механизма ИМ.
Измерительной частью прибора является магнитоэлектрический милливольтметрс присоединенной к нему термопарой, установленной в объекте регулирования.
Каждое из управляющих устройств представляет собой одноламповыйгенератор высокой частоты. Катушки индуктивности Lн1 и Lн2сеточныхконтуров генераторов расположены за шкалой прибора на подвижных кронштейнах имогут устанавливаться вручную во всем диапазоне шкалы около заданного значениятемпературы. Положение катушек можно определить при помощи двух стрелокиндексов, вынесенных на шкалу прибора. Взаимное расположение катушек ифлажка-экрана таково, что при повороте рамки милливольтметра флажок входит взазор одной из катушек. Действиеуправляющих устройств основано на изменении индуктивности катушек Lк1 и Lк2сеточныхконтуров. Параметры управляющих устройств подобраны таким образом, чтопоследние могут находиться в двух состояниях: генерации колебаний высокойчастоты, когда в зазоре катушки находится флажок-экран, и срыва генерации,когда флажок вне зазора. В первом случае ток на выходе управляющего устройстваравен 5 ма. Во втором случае сила тока повышается до 25 ма.
Выходной ток управляющих устройств поступает в катушки электромагнитныхреле Р, Р1и Р2, которые составляютрелейный блок прибора. Каждое реле снабжено парой ртутных контактов (К, К1и К2). Кроме того, реле Р2имеет два нормальнозамкнутых контакта а1 и а2, а реле Р1г — одинконтакт b.
Контакты К1 и К2 управляют электромоторнымисполнительным механизмом, а контакт К включает сигнальную лампу принормаль-лом значении регулируемой температуры.
Регулятор работает следующим образом. При низкой температуре вобъекте флажок-экран находится вне зазоров катушек Lк1 и Lк2.Силатока на выходе управляющих устройств — 25 ма. Возбуждены включенныепоследовательно катушки реле Р% и Р. Нормально разомкнутыйртутный контакт К2 замкнут, привод исполнительного механизмасрабатывает на увеличение подачи греющего агента в объект регулирования.Нормально замкнутый ртутный контакт К — разомкнут. Нормально замкнутыеконтакты а1и а2 разомкнуты. Катушка реле Р1обесточена вследствие размыкания контакта а2, и ртутный контакт Кгразомкнут.
При повышении температуры и повороте стрелки милливольтметрафлажок войдет в зазор катушки Lк2.Управляющее устройство правой части схемы будетработать, как генератор высокой частоты, и сила тока на его выходе снизится до5 ма. Но это изменение состояния управляющего устройства не вызоветникаких изменений в состоянии релейного блока, так как управляемый реле Р2контакт а2 остается разомкнутым, а катушка реле Р1обесточенной.
При достижении температурой заданного значения флажок войдет взазоры обеих катушек Lк1 и Lк2. Оба управляющих устройства самовозбуждаются и ихвыходные токи уменьшаются до 5 ма. Сердечники электромагнитов Р иР2отпустят поворотные якоря. Ртутный контакт К 2разомкнется, а контакт К замкнется. Замкнутся также и контакты а1и а2 — Сигнальная лампа загорается, оповещая о том, чтотемпература нормальная.
При дальнейшем подъеме температуры флажок-экран выйдет из зазоракатушки LК2, но останется в зазоре LКгВ управляющем устройстве 2произойдет срыв генерации и увеличение выходного тока до 25 ма, в товремя как в управляющем устройстве 3 по-прежнему будут генерироватьсяколебания высокой частоты и выходной ток будет иметь силу около 5 ма. Катушкареле Р1окажется возбужденной, а ртутный контакт К гзамкнутым. Электромоторный привод сработает на уменьшение подачи греющегоагента в объект регулирования. Одновременно с замыканием контакта Кгпроизойдет размыкание контакта b, шунтирующего катушку реле Р, котораяоказывается соединенной последовательно с катушкой реле Р1, и ртутныйконтакт К разомкнется. Сигнальная лампа, показывающая нормальнуютемпературу, погаснет.
Возможностьвыхода флажка из катушки в направлении повышения температуры исключенаблагодаря специальному ограничителю хода стрелки милливольтметра. [1, с333]
/>
Рис. 2 Двухпозиционный регулятор:дилатометрический термометр с контактной системой
1, а). Термометр состоит из трубки 2, изготовленнойиз металла с большим коэффициентом линейного расширения (медь, латунь,алюминий, сталь) и стержня 3, изготовленного из материала с малымкоэффициентом линейного расширения (кварц, фарфор, инвар). Стержень 3 опираетсяна пробку в трубке 2, которая ввернута в головку 5. В последней помещенрычажный передаточный механизм 6, 7, 8 и 12, снабженныйэлектрическими контактами. Термометр при помощи ниппеля 4 ввинчивается вбобышку, укрепленную в нагревательной печи 14
Вместе с ним перемещаются вниз концы рычагов 6 и 7. Движениедалее передается стрелке 10, которая указывает на шкале 9 температурув градусах.
При перемещении рычага 7 вниз контакт между ним и рычагом 8 контакта16 на рис. 10.1,6 размыкается. При этом обесточивается катушка 17 контактора,что обеспечивает размыкание контакта 20 и отключение нагревателя 21. Припонижении температуры в печи трубка 2 укорачивается, что вызываетзамыкание контактов между рычагами 7 и 8 и в конечном итоге включениеэлектронагревателя 21 печи 14 (рис. 10.1,6).
Установка заданного значения регулируемой величины (температуры)производится изменением жесткости пружины 11.
В реальныхдвухпозиционных регуляторах изменение выходного сигнала от минимального домаксимального значения и наоборот происходит при различных значениях входнойвеличины. Разность между значениями входной величины в моменты изменениявыходного сигнала называют зоной нечувствительности регулятора.Минимальная величина зоны нечувствительности зависит от зазоров и сил трения, атакже обусловлена необходимостью создания определенных усилий для размыканияэлектрических контактов. [2, с175]
/>
Рис. 3. Принципиальная схема (а)и статическая характеристика (б) Пз регулятора уровня
Принципдействия Пз регулятора следующий. Например, в объекте управления – бак 1 потрубе 2 подается жидкость, а по трубе 10 она расходуется потребителем (рис.3,а).
Чувствительныйэлемент регулятора – поплавок 6 измеряет уровень в баке; текущее значениеуровня определяется положением штока 5 и жестко с ним соединенного рычага –контакта 7, который через пружину 11 соединен с источником питания напряжением U.Заданные значения верхнего и нижнего уровней определяются положениемпередвижных упоров – контактов 8 и 9, устанавливаемых вручную.
При подъемеуровня выше заданного контакта 7 замкнется с контактом 8 и под напряжениемокажется обмотка Б тягового электромагнита, благодаря чему сердечник 4мгновенно переместится вверх, что приведут к закрытию регулирующего органа 3(клапана). При понижении уровня ниже заданного контакт 7 замкнется с контактом9, под напряжением окажется обмотка А тягового электромагнита, якорь 4переместится вниз, что приведет к открытию регулирующего органа. Приведеннаясхема является примером двухпозиционного регулирования.
Уравнениярегулятора:
m=0 приDy> 0 и m=1 при D y
Изстатической характеристики двухпозиционного регулятора (рис.3, б) видно, чтоповышение уровня в баке соответствует перемещению по точкам 1,2,3,4; точки 2 и3 соответствуют мгновенному перемещению регулирующего органа из положения“открыто” в положение “закрыто”, когда замкнутся контакты 7 и 8. Понижениеуровня соответствует перемещению по точкам 4,5,6,1 статической характеристики. [3,с237]
/>
Рис.4 Схема двухпозиционногорегулятора температуры
Объект регулирования 1 представляет собой сушильную камерус электрообогревом, причем система обогрева устроена так, что, если температурастанет ниже допустимой, то должна включаться обмотка обогрева w1 большой мощности, аесли температура стала выше допустимой, то вместо обмотки w1должнавключиться обмотка обогрева w2 малой мощности, вследствие чего резкого снижениятемпературы не произойдет.
В качестве чувствительного элемента применяется электрическийтермометр сопротивления 2 который подключен к электронному автоматическомумосту 3по трехпроводной схеме. Если температура в сушильной камереизменится, изменится сопротивление термометра и в диагонали a—b моста появится сигналнебаланса. Усиленный электронным усилителем 4 сигнал приводит вовращение ротор реверсивного двигателя 5; направление вращения зависит от знаканебаланса, т. е. от того, повысилась или понизилась температура. Сротором реверсивного двигателя кинематически связаны диски б и 7, положениекоторых зависит от угла поворота ротора, а следовательно, от положения движка ареохорда и показывающей стрелки 10 моста. К профилю дисков с помощьюпружин 8 и 9 прижаты ролики направляющих контактов k1 и k2.
Диски 6 и 7 имеют вид профилированных кулачков совпадинами. При их вращении контактная группа k1 замкнута в интервалепоказаний прибора от начала шкалы до впадины диска 6 и разомкнута винтервале от впадины до максимума шкалы. Контактная группа k2, наоборот,разомкнута в интервале показаний прибора от начала шкалы до впадины диска 7 изамкнута в интервале от впадины до максимума шкалы.
Настройкарегулятора на заданное значение температуры в сушильной камере осуществляетсявручную установкой впадины диска 6 на нижний предел регулирования, авпадины диска 7 на верхний предел регулирования (для этого диски снабженыспециальной шкалой). [4, с223]
/>
Рис. 5 Принципиальная схемарегулятора ПР 1.5-М1
Принцип действия основан на сравнении двух давлений Р3 и Рп.
Задатчик I и постоянный дроссель II предназначены для изменениядавления в камере задания элемента сравнения IV. Задатчик I имеет пружину 1 ишариковый клапан 2, через который воздух из камеры В1 сбрасывается вкамеру А1 и далее в атмосферу. Вращая ручку задатчика и изменяя усилиенатяжения пружины 1, можно настраивать его выходное давление в пределах0,02…0,14 МПа. Для контроля заданного значения параметра служит манометр М.
Настройка работы регулятора «на минимум» или «намаксимум» выполняется поворотом диска III.
При настройке регулятора «на максимум» текущее значениеизмеряемого параметра в виде давления сжатого воздуха РП поступает вкамеру В4 элемента сравнения IV. Заданное давление РЗ, установленноезадатчиком I, подводится к камере Б4 элемента IV.
При работе регулятора «на минимум» заданное давление РЗподается в камеру В4, а давление от измерительного блока РП – в камеруБ4. Сравнение происходит в трехмембранном элементе сравнения IV (пневматическомусилителе давления), который состоит из двух пневматических сопротивлений типа«сопло-заслонка» (сопла С1, С2 и шток мембранного блока) имембранного блока, образующего вместе с корпусом глухие камеры. Мембранный блоксодержит три эластичные мембраны, соединенные общим штоком, торцы которого ислужат заслонками сопл.
Мембранный блок может перемещаться в вертикальном направлении. Егодвижение останавливается, когда торец штока упирается в сопло. Эффективныеплощади мембран 3, 5 равны друг другу и значительно меньше эффективнойплощади мембраны 4. Камеры А4 и Г4, в которых располагаются сопла, соединяютсяпоследовательно и образуют тем самым проточную камеру с двумя управляемымипневматическими сопротивлениями. К соплу С1 подводится давление питания РПИТ,сопло С2 сообщается с атмосферой.
Усилитель мощности предназначен для повторения входного сигнала иусиления его по мощности (расходу воздуха). Усилители применяются в качествевыходных элементов в большинстве приборов, построенных из элементов УСЭППА.
В связи с тем, что в таком усилителе мембранный блок собран изгрубых (менее чувствительных) мембран и не разгружен от действия постороннихусилий, повторение сигнала осуществляется со значительной статической ошибкой(до 5 % от стандартного диапазона пневматических сигналов). В то же времябольшие проходные сечения шариковых клапанов обеспечивают усилителю высокиединамические свойства. [5]
В данномразделе были рассмотрены позиционные регуляторы: МРЩПр-54; Двухпозиционный регулятор:дилатометрический термометр с контактной системой; Позиционный регуляторуровня; Двухпозиционный регулятор температуры; ПР 1.5-М1.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ СТЕНДА
Дляпроектирования принципиальной схемы стенда берется за базовую: схемаизображенная на рис. 3, рассмотренная в I разделе.
Для тогочтобы этот регулятор можно было использовать в лабораторных условиях в базовуюсхему добавляем следующие элементы:
1) Тумблер (SA)- для подачи напряженияна стенд.
2) Сигнальнаялампа (HL1)- для наличия или отсутствия напряжения на стенде.
3)Предохранитель (FU)- для защиты стенда от скачков напряжения.
4)Трансформатор (TV)- для понижения напряжения.
5) Амперметр(A)- для уведомления оналичии тока в цепи.
6) Задатчикуровня(Lзаданное)- для изменения заданного значения уровня, путём одновременногоперемещения двух жёстко сцепленных между собой контактов.
7) Сигнальнаялампа (HL2)-для уведомления о превышении заданного значения уровня.
8)Сигнальнаялампа (HL3)-для уведомления о снижении текущего значения ниже заданного.
9) Ёмкость сводопроводной водой- для обеспечения условий проведения лабораторногоисследования, которое находится перед исполнительным устройством и в неёобеспечивается сбор вытекающей жидкости из объекта регулирования. Также вёмкости имеется механический индикатор уровня жидкости.
На лицевойпанели изображены приборы:
Тумблер, лампа,предохранитель, задатчик, шкала амперметра, лампы «много-мало».
ЛИЦЕВАЯ ПАНЕЛЬ СТЕНДА
/>
3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
позиционный регуляторпроектирование
«Исследованиепозиционного регулятора уровня»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1) Закрепитьна практике знания работы регулятора с дистанционной передачей посредствомдиференциально- трансформаторного передающего преобразователя.
2) Построитьвременную характеристику и по ней сделать вывод о свойствах регулятора.
ПОРЯДОКВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:
1) Передначалом выполнения работы необходимо проверить, чтобы тумблер включениянаходился в положении «выкл.», а ручка задатчика выставлена на «0». Привключении системы амперметр, показывающий наличие тока в цепи должен показывать«0» .
2) Ручкой задатчиказадать заданное значение до 12 л.
3)Включитьтумблер «сеть», загорится сигнальная лампа НL1, засечь время.
4) Сниматьпоказания Lтекчерез каждые 10 секунд до момента, когда текущее значение сравняется сзаданным. Данные заносить в таблицу.
5) Отключитьподачу напряжения.
6) Ручкойзадатчика задать заданное значение 4 литра.
7) Включитьтумблер «сеть», загорится сигнальная лампа НL1 начать отсчёт времени.
8) Повторитьпункт №4t°, сек 10 20 30 40 50 60 Lтек, л
9) Построитьвременные характеристики при разных значениях Lзад.
/>
10)Определить показатели качества временных характеристик и сравнить их междусобой.
11) Сделатьвывод о работе регулятора и качестве его регулирования.
4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИПРОЕКТИРУЕМОГО СТЕНДА
Надежность — способность любого изделия, в том числе приборов и средств автоматизации,сохранять свои характеристики в заданных пределах в течение заданногопромежутка времени.
Работоспособность- это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции сзаданными параметрами.
Отказ — событие, которое заключается в нарушении работоспособности прибора.
Безотказность- это свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторого временибез вынужденных перерывов
1) />светодиод – (3шт.)
2) />элект. маг – (1 шт.)
3) /> конт– (1 шт.)
4) />пруж. – (1 шт.)
5) />предохр. – (1 шт.)
6) />рукоят. – (2 шт.)
7) />тумбл. – (1 шт.)
8) />трансф. – (1 шт.)
9) />амперм. – (1 шт.)
10) />оси – (3 шт.)
1. По таблицеопределить интенсивность отказа каждого элемента спроектированной схемы стенда.
/>светодиод = 0,2∙10-6(1/ч)
/>элект. Маг = 0,5∙10-6(1/ч)
/> конт. = 0,5∙10-6(1/ч)
/>пруж. = 0,35∙10-6(1/ч)
/>предохр. = 0,5∙10-6 (1/ч)
/>рукоят. = 0,075∙10-6 (1/ч)
/>тумбл. = 0,4∙10-6 (1/ч)
/>трансф .= 0,2∙10-6 (1/ч)
/>амперм. = 0,75∙10-6 (1/ч)
/>оси = 0,35∙10-6 ∙6(1/ч)
2. Определить интенсивностьотказа всех элементов стенда
/>
/>= (0,4+(0,2∙3)+0,5+0,2+0,75+(0,075∙2)+0,35+(0,35∙3)+0,5+0,5)∙10-6 = 5∙10-6 (1/ч)
/>/>= 5∙10-6 (1/ч)
3. Определитьинтенсивность отказа всех элементов стенда с учетом монтажа:
/>с = R • />/>, где R=1,2- коэффициент монтажа
/>с = 5∙1,2 = 6∙10-6
/>с =0,000006 (1/ч)
4.Определение среднего времени наработки на отказ: Тср= 1//>с
Тср= 1/0,000006 = 166666,67 час
Среднее времянаработки на отказ составляет 166666,67 часов или 19 лет 1 месяц.
5. Определитьвероятность безотказной работы в течение 1000 часов:
P1000=/>
P1000 = 1 – 0,000006∙1000 = 99,4%
Вывод: такимобразом, расчеты показали, что среднее время наработки на отказ стенда допервой поломки составило 19лет 1 месяц, а вероятность работы стенда без каких- либоизменений в в течении 1000 часов составило 99,4%.
ВЫВОД
В данномкурсовом проекте были рассмотрены позиционные регуляторы:
— Трехпозиционныйрегулятор модификации МРЩПр-54
— Двухпозиционныйрегулятор: дилатометрический термометр с контактной системой.
— Позиционныйрегулятор уровня
— Двухпозиционныйрегулятор температуры
— Регулятор модификации ПР1.5-М1
На базе позиционногорегулятора уровня была спроектирована принципиальная схема и лицевая панельстенда для исследования свойств данного регулятора.
Также былиразработаны методические указания для проведения лабораторной работы наспроектированном стенде. На основании этих разработок можно определить свойстваи показатели качества работы спроектированного регулятора. Также в даннойкурсовой работе были произведены расчеты надежности стенда и по данным расчетамвыяснили, что среднее время наработки на отказ стенда до первой поломкисоставило 19лет 1месяц, а вероятность работы стенда без каких- либо изменений втечении 1000 часов составило 99,4%. Эти результаты расчёта дают примерноепредставление о пригодности спроектированного стенда на практике.
ЛИТЕРАТУРА И НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
1) Круг Е.К «Электрические регуляторыпромышленной автоматики»- М.: Химия, 1962 г.
2) Шарков А.А, ПритыкоГ.М, Палюх Б.В «Автоматическое регулирование и регуляторы.» -М.: Химия 1990г.
3) Мелюшев Ю.К «Основы автоматики и автоматизации химическихпроизводств»-М.: Машиностроение, 1970г.
4) Кошарский«Автоматические приборы, регулирование и автоматические системы»
5) Конспект по дисциплине«Автоматическое управление» за 2009- 2010 у.г. ОХМК студента гр А- 317 КолесниковаК. А
/>