Разработка АСУТП установки получения холода в цехе №43 ОАО «СНОС»

Аннотация Пояснительная записка содержит 86 страниц, в том числе 65 формул, 9 рисунков, 7 таблиц, 25 источников информации. Графическая часть выполнена на 6 листах формата А1.

В данной дипломной работе разработан проект автоматизации системы управления технологическим процессом установки получения холода в цехе № 43 ОАО «СНОС» для замены устаревшей системы несущей локальный характер управления.

При разработке общей части был проведен анализ существующего технологического оборудования. В результате была поставлена задача разработки системы управления процессом получения холода.

В специальной части анализируются возможные технические решения поставленной задачи. Производится выбор конкретных аппаратных средств входящих в состав системы управления, в этой же части дипломного проекта производится разработка управляющей программы для данной системы управления.

Экономическая часть содержит расчет экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы.

В разделе безопасность и экологичность проекта рассмотрены вопросы связанные с основными опасностями производства, к которым относится вибрация на рабочем месте, рассмотрены методы борьбы с вибрацией, а так же был произведен расчет числа витков пружинных виброизоляторов.

1. Общая часть

1.1 Характеристика изготавливаемой продукции исходного сырья Установка получения холода и перекачки этиленгликоля предназначена для обеспечения холодом изотермы плюс 3^оС? минус 7^оС производств завода и Общества. Проект установки получения холода разработан ГосНИИхлорпроектом. Охлаждение хладоносителя осуществляется турбокомпрессорными агрегатами типа ХТМФ-248−4000 в количестве 6 штук, из которых три агрегата работают на хладагенте R-134а, три других на хладагенте хладон-12. Режим работы — круглосуточный.

Проектная производительность установки при температуре испарения минус 10 °C и температуре конденсации плюс 35 °C составляет 14 900 000 кКал/ч Количество часов работы установки получения холода в году по проекту — 7500. Установка введена в эксплуатацию в марте 1973 года. Генеральным проектировщиком для производств Общества является Салаватский Государственный институт проектирования предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности (Салаватгипронефтехим).

1.2 Описание технологического процесса производства холода

Процесс получения холода осуществляется в турбокомпрессорных агрегатах типа ХТМФ-248−4000 и состоит из следующих стадий:

1. Испарение хладагента Испарение хладагента осуществляется в испарителях типа ИТР-1800 за счет тепла хладоносителя, циркулирующего по трубному пространству испарителя. Циркуляция хладоносителя осуществляется насосами позиции 6.

2. Компремирование хладагента Компремирование хладагента до давления не выше 8,9 кгс/см² производится турбокомпрессорами ХТМФ-248−4000 позиция 4.

3. Конденсация хладагента Конденсация паров хладагента, скомпремированных до давления 8,9 кгс/см², осуществляется в кожухотрубных конденсаторах КТР-600 позиции 1 и 2 за счет поступающей в трубное пространство конденсаторов оборотной воды.

4. Промежуточное охлаждение хладагента Промежуточное охлаждение хладагента осуществляется в поплавковом баке БП-200 за счет двухкратного дросселирования жидкого хладона с помощью поплавковых клапанов.

1.2.1 Описание технологической схемы Хладагент (хладон-12 или R-134а) на установку получения холода завозится в контейнерах или баллонах. Освобождение их от хладагента хладона-12 производится в ресивер, от хладагента R-134а в ресивер через фильтр и осушитель или минуя их, непосредственно в ресивер. Ресиверы предварительно вакуумируются с помощью вакуум-насоса до остаточного давления 10−30 мм рт.ст. через вентили. Контроль за давлением в ресивере ведется по мановакуумметрам. После того, как ресивер отвакуумирован и подсос воздуха отсутствует, контейнеры устанавливаются на специальные подставки в горизонтальном положении так, чтобы один вентиль находился снизу, а другой сверху и соединяются с помощью специальных трубок с коллектором ресиверной станции. За счет разности давления хладагент через фильтр и осушитель через вентили для хладона-12 перепускается в ресивер, через вентили перепускается в ресивер. Когда давление в ресиверах и баллонах (контейнерах) уравнивается, компрессором АКФУ-40 пары из ресиверов откачиваются в турбокомпрессорные агрегаты, понижая тем самым давление в ресиверах и хладагент из баллонов (контейнеров) за счет разности давления продолжает поступать в ресиверы. Контроль за уровнем хладагента в ресиверах осуществляется непосредственно по уровнемерным стеклам каждого ресивера и в операторной по прибору. Перед заполнением турбокомпрессорного агрегата хладагентом его также вакуумируют с целью осушки хладагентной полости и удаления воздуха. Вакуумирование турбокомпрессорного агрегата ведется в течении 8−12 часов и контролируется по мановакуумметру. Заполнение турбокомпрессорного агрегата производится из ресиверов через вентили. При этом хладагент за счет разности давления в ресивере и турбокомпрессорном агрегате поступает в испаритель заполняемого агрегата. После того, как давление в ресивере и турбокомпрессорном агрегате сравняется, дальнейшее заполнение хладагентом производится с помощью компрессора следующим образом: 1-ый вариант: открыть вентиль на заполняемом агрегате и вентиль на компрессоре. Включить в работу компрессор и открыть вентиль, в зависимости от того, из которого ресивера производится заполнение. При этом давление в испарителе заполняемого агрегата будет понижаться, а давление в ресивере повышаться и хладагент из-за разности давлений будет поступать в испаритель.2-ой вариант: открыть вентиль, закрыть вентиль на ресивере, из которого производится заполнение. Включить компрессор. При этом газообразный хладагент из ресивера перекачивается в испаритель заправляемого турбокомпрессорного агрегата через вентиль. Уровень в испарителе позиция 5 (в зависимости от заполняемого турбокомпрессорного агрегата) определяется по уровнемерным стеклам испарителей и должен быть в пределах 2−3 болта нижней части верхнего стекла Клингера. Принцип работы и обвязка турбокомпрессорных агрегатов одинаковы, поэтому ниже дается описание технологической схемы одного турбокомпрессорного агрегата. Хладагент, находящийся в испарителе турбокомпрессорного агрегата, за счет тепла циркулирующего хладоносителя по трубкам испарителя, испаряется с температурой испарения не ниже минус 17^оС. Испарившийся газообразный хладагент из испарителя давлением не ниже 0,7 кгс/см² отсасывается турбокомпрессорным агрегатом, сжимается в нем до давления конденсации не выше 8,9 кгс/см² и подается в межтрубное пространство двух параллельно работающих конденсаторов позиция 1 и 2. В конденсаторах газообразный хладагент конденсируется за счет охлаждения оборотной водой, циркулирующей по трубкам конденсаторов. Контроль за давлением в конденсаторах осуществляется по приборам, а уровень жидкого хладагента по уровнемерным стеклам. Из конденсаторов жидкий хладагент сливается в камеру высокого давления поплавкового бака позиция 3, в котором поддерживается постоянный уровень хладагента. Уровень поддерживается автоматически, с помощью поплавкового клапана, который при повышении уровня поднимается и жидкий хладагент дросселируется в камеру низкого давления до промежуточного давления, равного давлению перед вторым рабочим колесом. Рпр= Ро Рк, где Ро — давление хладагента в испарителе, Рк — давление хладагента в конденсаторе. Для контроля за давлением в поплавковым баке установлен мановакууметр. Уровень жидкого хладагента не должен превышать средней части поплавкового бака по смотровым стеклам на камерах низкого и высокого давления. При неисправности поплавков уровень в камерах регулируется обводными вентилями вручную. При повышении уровня в поплавковом баке предусмотрена сигнализация по МЭСУ. При дросселировании жидкого хладагента снижается его температура. Кроме того в процессе дросселирования часть жидкого хладагента испаряется, дополнительно охлаждая оставшийся жидкий хладагент. Пары хладагента, образовавшиеся в процессе первого дросселирования, подаются на второе рабочее колесо турбокомпрессора, охлаждая пары хладагента после сжатия первым рабочим колесом, а жидкий хладагент из камеры низкого давления, в которой уровень поддерживается автоматически поплавковым клапаном, дросселируется до температуры испарения и поступает в испаритель турбокомпрессорного агрегата. В испарителе за счет тепла циркулирующего по трубкам хладоносителя хладагент испаряется, охлаждая при этом хладоноситель и цикл повторяется. Холодопроизводительность турбокомпрессорного агрегата регулируется изменением количества циркулирующего хладагента, путем открытия или закрытия регулировочных лопаток, расположенных непосредственно на входе в первое рабочее колесо. Для конденсации хладагента и для охлаждения масла системы смазки турбокомпрессора, редуктора электродвигателя используется оборотная вода, поступающая с водооборотного узла. Оборотная вода на установку поступает от магистрального коллектора по четырем вводам. Каждый ввод врезан в общий коллектор прямой воды, проложенный по машзалу. Коллектор разделен на две части задвижкой.

Одна часть коллектора питает водой турбокомпрессорные агрегаты, вторая часть коллектора питает водой турбокомпрессорные агрегаты позиция 4, вакуум насос, конденсатор КТР-18Б. От общего коллектора вода через задвижки подается на конденсаторы турбокомпрессорных агрегатов. После задвижки на линии входа в конденсаторы позиции 1 и 2, врезана линия Ду 150 в СТС для слива воды после промывки конденсаторов обратным ходом в коллектор, разделившийся на два потока: один поток подается в маслохолодильник закрытого контура смазки, а другой — в маслохолодильник открытого контура, а также на воздухоохладитель СД. Вода от конденсаторов турбокомпрессорных агрегатов, воздухоохладителей синхронного двигателя собирается в общий коллектор обратной оборотной воды. Вода от конденсаторов турбокомпрессорных агрегатов позиция 4, от компрессора АКФУ-40, воздухоохладителей синхронного двигателя собирается в другой коллектор и также идет в магистральный коллектор оборотной воды и по нему поступает на водооборотный узел. Вода после вакуум — насоса, маслохолодильников сливается в коллектор самотечных теплых стоков и далее поступает на водооборотный узел.

Контроль за давлением оборотной воды, поступающей на охлаждение в турбокомпрессорные агрегаты ведется по прибору. Расход воды регистрируется по приборам, а температура входа и выхода оборотной воды по прибору. Для смазки и отвода тепла от подшипников турбокомпрессора, редуктора, электродвигателя, от сальников турбокомпрессорного агрегата и от соединительных муфт служит система смазки. Чистое масло привозится на установку в бочках или на специальной машине. Для закрытого контура смазки компрессорных агрегатов позиция 4 используется масло Planetelf ACD 46, для закрытого контура смазки компрессорных агрегатов и открытых контуров смазки всех агрегатов используется масло Тп-22Б. Масло Тп-22Б перекачивается насосом в емкость чистого масла, масло Planetelf ACD 46 перекачивается насосом в емкость чистого масла. Масло Planetelf ACD 46 насосом через фильтр закачивается в маслобаки закрытого контура смазки агрегатов позиция 4. Масло Тп-22Б насосом через фильтр закачивается в остальные баки холодильных агрегатов. В турбокомпрессорном агрегате предусмотрено два контура системы смазки. Открытый контур обеспечивает смазку подшипников редуктора, электродвигателя и соединительных муфт «редуктор — электродвигатель» и «редуктор — турбокомпрессор». Закрытый контур смазки обеспечивает смазку подшипников и сальника турбокомпрессора. Закрытый контур смазки включает в себя маслобак, рабочий маслонасос, резервный маслонасос, маслохолодильник, два щелевых маслофильтра. Открытый контур смазки включает в себя маслобак, пусковой маслонасос, комбинированный клапан, маслофильтр, маслохолодильник, главный маслонасос. Система смазки принудительная, циркуляционная. Перед пуском турбокомпрессорного агрегата включается пусковой маслонасос, установленный на маслобаке. Масло из маслобака через заборный фильтр пусковым маслонасосом прокачивается через фильтр, маслохолодильник в нагнетательный коллектор. От нагнетательного коллектора масло подводится к редуктору, зубчатым муфтам, подшипникам электродвигателя. Масло после подшипников электродвигателя, возбудителя и зубчатой муфты «редуктор — электродвигатель» собирается в сливной маслопровод и сливается в маслобак. Масло после смазки подшипников редуктора, зубчатой муфты «редуктор — турбокомпрессор» сливается в маслобак по другому сливному трубопроводу. С помощью комбинированного клапана, открывая и закрывая его, регулируется подача масла на смазку. Контроль за уровнем масла в маслобаке осуществляется по стеклу «Клингера». Падение давления масла после маслохолодильников ниже 0,4 кгс/см² по прибору влечет за собой отключение главного электродвигателя компрессора. Перепад между давлением до маслофильтра и после маслохолодильников контролируется по техническим манометрам. В закрытом контуре смазки масло из маслобака через заборный фильтр рабочим маслонасосом прокачивается последовательно через щелевой фильтр тонкой очистки, межтрубное пространство маслохолодильника и подается в нагнетательный коллектор масла. От нагнетательного коллектора по трем трубопроводам подается к каждому из подшипников и сальнику турбокомпрессора, причем масло в сальник турбокомпрессора для создания масляного затвора подается снизу, а выводится сверху.

Для обеспечения правильного распределения смазки на трубопроводах подачи масла устанавливаются калибровочные шайбы. Из подшипников масло сливается в камеру подшипников и оттуда в сливной трубопровод, по которому масло стекает в маслобак. Для уравнивания давления подшипниковые камеры соединены уравнительной линией с маслобаком. Для отвода паров хладагента, растворенного в масле, предусмотрен трубопровод (промотсос), объединяющий маслобак и всасывающую полость турбокомпрессора. Резервный маслонасос закрытого контура смазки установлен параллельно с рабочим. Для регулирования давления масла на нагнетательном коллекторе до маслохолодильника предусмотрен байпасный вентиль, открывая или закрывая его можно регулировать давление масла на смазку подшипников. В маслобак закрытого контура смазки вмонтирован электроподогреватель, автоматически поддерживающий температуру масла в маслобаке в пределах 55−75^оС. При понижении уровня в маслобаке ниже 90 мм линейки уровнемерного стекла срабатывает датчик прибора и происходит остановка турбокомпрессорного агрегата. Контроль за уровнем масла в маслобаке ведется по мерной линейке, установленной на уровнемерном стекле. Давление масла в маслобаке, после маслонасоса и после фильтров контролируется по мановакууметрам. При понижении перепада между давлением масла в маслобаке и в нагнетательном коллекторе ниже 1,3 кгс/см² схемой защиты предусмотрена подача светового и звукового сигнала по прибору, а ниже 0,8 кгс/см² происходит остановка турбокомпрессорного агрегата по прибору. По мере загрязнения масла в системах смазки масло Planetelf ACD 46 сливается в емкость грязного масла, масло Тп-22Б сливается в емкость грязного масла, откуда насосами соответственно перекачивается в машину, далее утилизируется через УМТС или вывозится на площадку «Г». Масло, годное для дальнейшего использования, перекачивается из емкостей насосами, соответственно через пресс-фильтр по шлангу в емкости чистого масла, контроль за качеством масла проводится через каждые 750 часов работы турбокомпрессора. В связи с высокой гигроскопичностью масла Planetelf ACD 46 хранится в емкостях под избыточным давлением азота 0,03 кгс/см?. Азот с давлением 5,5 кгс/см2 с цеховой эстакады подается в емкости через клапан-регулятор давления, давление контролируется по прибору. Для предотвращения повышения давления выше допустимого на линии подачи азота в емкости установлен гидрозатвор, в качестве запорной жидкости используется оборотная вода, замена воды проводится раз в год. Охлаждение электродвигателя турбокомпрессорного агрегата осуществляется охлажденным воздухом, проходящим через воздухоохладители, по трубкам которого циркулирует оборотная вода. Давление рассола к потребителям контролируется по техническому манометру. После заполнения системы хладоносителем включаются насосы позиция 6. С давлением в пределах 0,8−1,5 кгс/см² хладоноситель поступает на всас насосов. После насосов позиция 6 хладоноситель поступает в нагнетательный коллектор. Из нагнетательного коллектора хладоноситель поступает в испарители работающих турбокомпрессорных агрегатов где он, пройдя по трубкам испарителя, охлаждается до температуры не ниже минус 7^оС, и по коллектору прямого хладоносителя давлением в пределах 4,0−6,5 кгс/см² поступает к потребителям холода.

1.3 Анализ существующей системы управления В настоящее время на установке получения холода цеха № 43 объект 1625 Нефтехимического завода ОАО ''СНОС'' установлена и используется система автоматизации построенная на базе пневматических приборов и регуляторов системы ''Старт''. Эта система морально и физически устарела (многие приборы эксплуатируются с 60-х, 70-х годов), очень громоздка и занимает много места (используется операторная площадью 105 м2). Система не обеспечивает требуемой надежности — приборы часто отказывают, ломаются, тем самым нарушая технологический режим. Не обладает необходимой в условиях современного рынка гибкостью. Перестройка системы на новый уровень производительности технологической установки или на сырье с новыми характеристиками требует значительных затрат времени и сил обслуживающего персонала. Отсутствует своевременная передача данных о ходе процесса, потреблении сырья, выработке продукции на вышестоящие уровни управления. Чтобы избавится от перечисленных выше недостатков, в проекте предлагается АСУ ТП установки цеха № 43 получения холода построенная на базе регулятора — измерителя «МЕТАКОН — 515» и регулирующего клапана «КАМПФЛЕКС».

Эта система обеспечивает повышение эффективности оперативного управления технологическими процессами, по сравнению с существующей системой управления, обусловленное увеличением информационного обеспечения, его обработки и предоставления технологическому персоналу, повышение дрейфовой стабилизации технологических переменных и качественных показателей продукции, уменьшение вероятности возникновения аварийных ситуаций, обеспечение условий и повышение культуры труда технологического персонала за счет представляемого системой сервиса; уменьшение количества выполняемых технологическим персоналом функций за счет их автоматизации, повышение производительности установки за счет улучшения качества управления технологическим процессом; экономия энергозатрат.

Данное оборудование выбрано исходя из того, что на ОАО ''СНОС'' на нескольких объектах уже внедрен данный комплекс, накоплен опыт наладки, эксплуатации, обслуживания, поиска неисправностей и ремонта. Кроме того комплекс отвечает всем современным требованиям, но при этом значительно дешевле импортных аналогов.

2 Специальная часть

2.1 Выбор средств управления технологическим процессом В данном дипломном проекте предлагается АСУТП установки цеха № 43 получения холода построенная на базе регулятора — измерителя «МЕТАКОН — 515» и регулирующего клапана «КАМПФЛЕКС».

Эта система обеспечивает повышение эффективности оперативного управления технологическими процессами, по сравнению с существующей системой управления, обусловленное увеличением информационного обеспечения, его обработки и предоставления технологическому персоналу, повышение дрейфовой стабилизации технологических переменных и качественных показателей продукции, уменьшение вероятности возникновения аварийных ситуаций, обеспечение условий и повышение культуры труда технологического персонала за счет представляемого системой сервиса; уменьшение количества выполняемых технологическим персоналом функций за счет их автоматизации, повышение производительности установки за счет улучшения качества управления технологическим процессом; экономия энергозатрат.

Данное оборудование выбрано исходя из того, что на ОАО ''СНОС'' на нескольких объектах уже внедрен данный комплекс, накоплен опыт наладки, эксплуатации, обслуживания, поиска неисправностей и ремонта. Кроме того комплекс отвечает всем современным требованиям, но при этом значительно дешевле импортных аналогов.

2.1.1 Обоснование выбора приборов контроля, регулирования и управления Преобразователи, устройства и средства вычислительной техники, используемые в АСУ ТП, должны выбираться желательно в рамках ГСП. Необходимо учитывать следующие факторы: требуемая точность и быстродействие приборов, физико-химические свойства среды (токсичность и агрессивность), вид измеряемого технологического параметра, пожарои взрывоопасность объекта, дальность передачи сигналов от датчиков и исполнительных устройств до управляющих приборов, допустимая погрешность измерения, место установки устройства. При этом предпочтение следует отдавать однотипным и серийно выпускаемым приборам и устройствам. Это значительно упростит заказ, поставку и эксплуатацию системы управления. Технологические объекты, в состав которых входят блоки первой категории взрывоопасности, должны оснащаться системами, базирующимися на резервируемых электронных средствах с самодиагностикой и световой индикацией исправного состояния. Эти системы должны работать по специальным программам, задающим последовательность и время выполнения операций отключения при аварийных выбросах. Исполнительные механизмы систем противоаварийной защиты, кроме указателей крайних положений непосредственно на механизмах, должны иметь устройства сигнализации в операторных. Системы противоаварийной защиты должны исключать срабатывание при случайных и кратковременных сигналах нарушения технологического режима, а также при переключениях на резервный или аварийный источник питания. В случае отключения питания система должна обеспечивать перевод объекта управления в безопасное состояние.

2.2 Выбор системы контроля и управления

2.2.1 Описание клапана регулирующего органа Клапаны КАМПФЛЕКС предназначены для широкого применения в различных отраслях промышленности. Сердце конструкции — уникальный плунжер, обеспечивающий герметичное перекрытие прохода, высокую пропускную способность и низкое динамическое усиление от потока. Его эксцентричная конструкция исключает возможность контакта уплотнительных поверхностей до момента полного закрытия. При соприкосновении плунжера с седлом крупные механические частицы удаляются с уплотнительных поверхностей. После этого дополнительное усилие ИМ вызывает упругую деформацию рычагов плунжера, что способствует его более плотной посадке на седло. Плунжер стандартно изготавливается из твердого сплава или с наплавкой, что обеспечивает его высокую стойкость к абразивному износу.

Седло крепится в корпус резьбовым фиксатором и не требует регулировки для достижения стабильной герметичности. Эта конструкция обеспечивает более надежные характеристики, чем другие, более сложные седла для клапанов поворотного типа. Стандартное седло соответствует IV классу герметичности.

Корпус обеспечивает устойчивость к эрозионному износу и исключает вероятность образования застойных зон. Тройная система подшипников обеспечивает исключительную опору и направление вала плунжера. Кроме обеспечения возможности местного управления клапаном ручной дублер можно использовать как регулируемый ограничитель хода. Для фиксации его положения предусмотрена контргайка, которая одновременно защищает резьбу шпинделя маховика. Приводной вал соединен как с плунжером, так и с рычагом при помощи шлицов. Исключительная прочность и точность этого соединения, а также однонаправленный динамический момент, свойственной конструкции КАМПЛЕКС, полностью исключает люфты и холостой ход.

Стойка исполнительного механизма обеспечивает полную защиту движущихся частей, таких как рычаг и шток исполнительного механизма, вал плунжера, а так же подшипников. Кроме того, для работы в особо агрессивной внешней среде предусматривает выпуск воздуха из позиционера внутрь привода. Это полностью очищает полость кожуха и пружины исполнительного механизма чистым, сухим воздухом, не допуская попадания внешней среды и предотвращая коррозию.

В отличие от большинства регулирующих клапанов, в конструкции КАМПЛЕКС решена проблема установки привода как вертикально, так и горизонтально для обоих исполнений — «Нормально открыт» и «Нормально закрыт». Это обеспечивает восемь возможных вариантов монтажа исполнительного механизма на клапане. Действие воздуха может быть реверсировано на месте без необходимости в дополнительных деталях. Желтая отметка хорошо видна через защитное стекло и позволяет легко определить положение плунжера.

Установка кулачка позиционера непосредственно на торце вала исключает применение дополнительной передачи. Устранение возможных люфтов обозначает исключительную точность и стабильность управления плунжером. Путем перестановки стандартного кулачка можно получить десять стандартных характеристик регулирования.

Удлиненная шейка корпуса позволяет использовать один и тот же тип сальниковой набивки «Кевлар PTFE» с малым коэффициентом трения в широком диапазоне температур рабочей среды от минус 200 до плюс 400 °C, при этом температура непосредственно в зоне сальника не превысит 100 °C. Низкое трение снижает усилие затяжки и превышает точность регулирования. Кроме того, такое уплотнение обеспечивает надежную герметичность и имеет длительный срок службы без необходимости в частой подтяжке крепежа.

Для фланцевых клапанов предусмотрено исполнение с паровым обогревом. Циркуляция пара в рубашке обогрева позволяет использовать клапаны КАМФЛЕКС для работы с кристаллизующимися и полимезирующимися средствами. КАМФЛЕКС может быть использован в качестве надежного отсечного клапана, позволяющего герметично и быстро перекрыть трубопровод. В этом случае клапан комплектуется конечными выключателями, трехходовым электромагнитным клапаном или другими требуемыми принадлежностями. Стандартный привод обеспечивает время хода менее 12 секунд. Специальное исполнение для работы при температуре окружающей среды до -50 °C.

Поворотное движение не приводит к выносу материала сальника, что имеет место в подъемных клапанах. Вследствие этого сальник не требует подтяжки длительное время, что значительно упрощает обслуживание, снижает вероятность протечек в окружающую среду. Дополнительная герметичность достигается применением уплотнительных колец из Витона на сальниковой втулке. Долговечная работа на агрессивных средах достигается установкой дополнительных эластичных колец круглого сечения в подшипниковых втулках, при этом направляющие поверхности изолируются от воздействия агрессивной среды.

Удлиненная шейка корпуса позволяющая использовать один и тот же тип сальниковой набивки «Кевлар PTFE» с малым коэффициентом трения в широком диапазоне температур рабочей среды от минус 200 °C до плюс 400 °C, при этом температура непосредственно в зоне сальника не превышает 100 °C. Низкое трение снижает усилие затяжки и повышает точность регулирования. Конструкция клапана КАМФЛЕКС позволяет изменить характеристику регулирования клапана с линейной на равнопроцентную и наоборот перестановкой положения кулачка позиционера, что может быть очень полезно при изменении работы клапана. Все движущиеся части клапана КАМФЛЕКС, в отличие от подъемных клапанов, защищены защитным кожухом, что исключает их повреждение и загрязнение. Броский индикатор положения хорошо виден через защитное стекло и позволяет с большого расстояния определить степень открытия клапана.

2.2.2 Регулятор-измеритель технологический Регулятор-измеритель МЕТАКОН-515 является одно-, двух-, трехканальным ПИД-регулятором. Предназначен для управления сложными технологическими процессами в соответствии с заданными временными диаграммами. МЕТАКОН выполняет импульсное ПИД управление НАГРЕВ/ОХЛАЖДЕНИЕ (ТЭН, компрессоры холодильников и т. д.)

Общие сведения:

· Высокая помехоустойчивость прибора (не ниже 3 степени жесткости)

· Период опроса входных сигналов 0,25 с

· Ручное и автоматическое управление

· Программирование скорости изменения уровня задания

· Универсальный вход

· Программный выбор типа НСХ термопреобразователя

· Линеаризация НСХ термопреобразователей

· Контроль обрыва входных линий

· Аппаратно — программная поддержка интерфейса RS — 485

· Дополнительный токовый выход на регистрацию

· Сохранение установленных параметров в энергозависимой памяти

· Защита паролем

· Гальваническая развязка выходного токового сигнала

· Контрастная цифровая индикация (антиблик) Рисунок 2 — Функциональная схема. «Метакон — 515»

Технические характеристики:

· Основная погрешность, не более 0,1%

· Период опроса входного сигнала: 0,25с

· Условия эксплуатации: закрытые взрывоопасные помещения без агрессивных паров газов; температура: 0…50°C; влажность: 80% при 35°С

· Питание: 220В+10%/-15%, 50±0,5Гц, 17ВА

· Монтаж: щитовой, окно 92?92мм

· Масса, не более 1,8 кг Программное обеспечение RNet для регулятора — измерителя

МЕТАКОН — 515.

Программа RNet — управляющая оболочка для сети регуляторов серии

МЕТАКОН.

Программа обеспечивает:

· управление работой сети регуляторов;

· сбор и отображение контролируемых параметров на экране персонального компьютера;

· архивирование контролируемых параметров в виде отчетов;

· печать архивированных и текущих значений параметров в виде графиков или таблиц;

· управление технологическими процессами по заданным диаграммам.

Программа RNеt — инструментальная среда для разработки приложений.

Программа имеет необходимые средства для настройки выполняемых функций под конкретные применения.

RNet позволяет:

· определять и описывать состав и структуру сети регуляторов;

· задавать внешний вид отображаемой на экране монитора информации;

· редактировать графические и табличные отчеты;

· создавать управляющие временные диаграммы.

Интерфейс, принятый в Windows, делает работу с программой привычной и удобной. Программа RNet простота в освоении и не требует специальных навыков программирования.

Оптимальное для многих приложений сочетание простоты, функциональных возможностей и низкой стоимости делает программу привлекательной для широкого круга потребителей.

Распространяемая бесплатно демонстрационная версия ПО RNet позволяет строить рабочие версии систем сбора данных, содержащих до 2 — х подключенных однои многоканальных регуляторов.

Протокол обмена с приборами — открытый.

2.3 Расчет настроечных параметров регулятора. Оценка качества регулирования

2.3.1 Определение математического описания объекта регулирования Переводим условные единицы величины у в проценты шкалы, исходя из пропорции:

100 у.е.д. — 13%

9,1 у.е.д. — х %

х=9,1*13/100(1)

Строим кривую разгона объекта регулирования (OP), откладывая по оси ординат значения величин у, выраженных в процентах шкалы, а по оси абсцисс интервалы времени t (рисунок 1).

График кривой разгона статического объекта Рисунок 1

Для определения коэффициента математической площади методом математических площадей разбиваем кривую разгона на n равных промежутков, (то есть участков, в которых отрезки считались бы прямыми линиями, и отрезок считался бы прямолинейным) до начала установившегося режима. Получаем 20 промежутков.

Определяем вспомогательную величину h_i, как отношение:

(2)

где у_i(t) — значение величины у в промежутках времени t,

у_? — установившееся значение величины у,

h₀=0

Определяем разность

1-h_i,(3)

1-h₀=1,

1-h₁=0,909,

1-h₂=0,7112,

1-h₃=0,527,

1-h₄=0,38,

1-h₅=0,271,

1-h₆=0,192,

1-h₇=0,135,

1-h₈=0,095,

1-h₉=0,067,

1-h₁₀=0,0474,

1-h₁₁=0,0235,

1-h₁₂=0,016,

1-h₁₃=0,012,

1-h₁₄=0,008,

1-h₁₅=0,005,

1-h₁₆=0,003,

1-h₁₇=0,002,

1-h₁₈=0,001,

1-h₁₉=0,

1-h₂₀=0

Полученные значения заносим в таблицу 2.1

Таблица 2.1 — Результаты вычислений

Вычисляем сумму третьего столбца таблицы 2.1

?_3cm(1-h_i)=4,4051

Вычисляем значение площади F₁ по формуле:

F₁=?t [?_3cm(1-h_i)-0,5(1-h₀)],(4)

где ?t — интервал времени

F₁=6*[4,4051−0,5]=23,4306

Вычислим вспомогательные величины.

a) ?_i=?t_i/F₁,(5)

?₀=0,

?₁=6/23,4306=0,256 075,

?₂=12/23,4306=0,512 151,

?₃=18/23,4306=768 226,

?₄=24/23,4306=1,24 302,

?₅=30/23,4306=1,280 377,

?₆=1,536 452,

?₇=1,792 528,

?₈=2,48 603,

?₉=2,304 678,

?₁₀=2,560 754,

?₁₁=2,816 829,

?₁₂=3,72 905,

?₁₃=3,32 898,

?₁₄=3,585 055,

?₁₅=3,841 131,

?₁₆=4,97 206,

?₁₇=4,353 282,

?₁₈=4,609 357,

?₁₉=4,865 432,

?₂₀=5,121 508

б) 1- ?_i, (6)

1-?₀=1−0=1,

1-?₁=0,743 925,

1-?₂=0,487 849,

1-?₃=0,231 774,

1-?₄=-0,0243,

1-?₅=-0,28 038

1-?₆=-0,53 645,

1-?₇=-0,79 253,

1-?₈=-1,0486,

1-?₉=-1,30 468,

1-?₁₀=-1,56 075,

1-?₁₁=-1,81 683,

1-?₁₂=-2,0729,

1-?₁₃=-2,32 898,

1-?₁₄=-2,58 506,

1-?₁₅=-2,84 113,

1-?₁₆=-3,9 721,

1-?₁₇=-3,35 328,

1-?₁₈=-3,60 936,

1-?₁₉=-3,86 543,

1-?₂₀=-4,12 151

в) (1-h₀)(1-?₀), (7)

(1-h₀)(1-?₀)=1

(1-h₁)(1-?₁)=0,676 227,

(1-h₂)(1-?₂)=0,346 958,

(1-h₃)(1-?₃)=0,122 145,

(1-h₄)(1-?₄)=-0,923,

(1-h₅)(1-?₅)=-0,7 598,

(1-h₆)(1-?₆)=-0,103,

(1-h₇)(1-?₇)=-0,10 699,

(1-h₈)(1-?₈)=-0,9 962,

(1-h₉)(1-?₉)=-0,8 741,

(1-h₁₀)(1-?₁₀)=-0,7 398,

(1-h₁₁)(1-?₁₁)=-0,0427,

(1-h₁₂)(1-?_i12)=-0,3 317,

(1-h₁₃)(1-?₁₃}=-0,2 795,

(1-h₁₄)(1-?₁₄)=-0,2 068,

(1-h₁₅)(1-?₁₅)=-0,1 421,

(1-h₁₆)(1-?₁₆)=-0,929,

(1-h₁₇)(1-?_i17)=-0,671,

(1-h₁₈)(1-?₁₈)=-0,361,

(1-h₁₉)(1-?₁₉)=0,

(1-h₂₀)(1-?₂₀)=0

Полученные значения ?_i; 1-?_i; (1-h,)(1-?_i) заносим в таблицу 2.1

Определяем сумму шестого столбца таблицы 2.1

?_6cm=(1-h_i)-(1-?_i)]=1,43 081

??=?t/F₁(8)

??=6/23,4306=0,256

Определяем площадь F₂ по формуле:

F₂=F₁²*M[?_6 cm ((1-h_i)(1-?_i))-0,5(1-h₀)(9)

F₂=23,4306²*0,256*(1,43 081−0,5)=130,8564

Определив площади F₁ и F₂ определяем коэффициенты передаточной функции а₁ и a₂.

a₁=F₁=23,4306

a₂=F₂=130,8564

Для нахождения формулы временной характеристики необходимо определить соотношение между коэффициентами Т₁ и Т₂ исходя из следующего:

Т₂²=а_2,

Т₁=а₁

(10)

Т₁=а₁=23,4306,

Т₁/Т₂=23,4306/11,44=2,4 827>2

значит, звено апериодическое второго порядка.

Вычислим коэффициент усиления

(11)

?z=5 (% шк.)

(12)

К_у=2,6

Передаточная функция (ПФ) звена имеет вид:

W (p)=Ky/(a₂p²+a₁p+1)

а₁=2? Т, (13)

где? — коэффициент

?=3/27=23,4306/(2*11,44)=1,24 136>1

2.3.2 Для определения точности математического описания определяем формулу временной характеристики Формула временной характеристики имеет вид:

(14)

где c₁=Т₁/(Т₂-Т₁);

с₂=Т₂/(Т₂-Т₁);

?₁=1/Т_i

с₁=23,4306/(11,44−23,4306)=-1,954,

с₂= 11,44/(11,44−23,4306)=-0,954,

?₁=1/23,4306=0,42 679,

?₂=1/11,44=0,8 741

Определяем значения h_a(t)

h_a(t₀)=1+c₁-c₂=1+(-1,954)+0,954=0 (0)

h_a(t₁)=0,52 069 (6)

h_a(t₂)=0,163 331 (12)

h_a(t₃)=0,291 453 (18)

h_a(t₄)=0,415 484 (24)

h_a(t₅)=0,526 205 (30)

h_a(t₆)=0,620 619 (36)

h_a(t₇)=0,698 856 (42)

h_a(t₈)=0,762 467 (48)

h_a(t₉)=0,813 512 (54)

h_a(t₁₀)=0,854 094 (60)

h_a(t₁₁)=0,88 614 (66)

h_a(t₁₂)=0,91 132 (72)

h_a(t₁₃)=0,931 033 (78)

h_a(t₁₄)=0,946 424 (84)

h_a(t₁₅)=0,958 415 (90)

h_a(t₁₆)=0,967 743 (96)

h_a(t₁₇)=0,974 991 (102)

h_a(t₁₈)=0,980 618 (108)

h_a(t₁₉)=0,984 983 (114)

h_a(t₂₀)=0,988 367 (120)

Вычисляем погрешность аппроксимации по формуле:

(15)

где h_pac — расчетное значение h,

hзад — заданное значение h,

h_? — установившееся значение h

?₀=0,

?₁=-3,89 313,

?₂=-12,5469,

?₃=-18,1547,

?₄=-20,4516,

?₅=-20,2795,

?₆=-18,7381,

?₇=-16,6144,

?₈=-14,2533,

?₉=-11,9488,

?₁₀=-9,85 059,

?₁₁=9,3 601,

?₁₂=-7,26 798,

?₁₃=-5,69 667,

?₁₄=-4,55 761,

?₁₅=-3,65 848,

?₁₆=-2,92 567,

?₁₇=-2,30 088,

?₁₈=-1,83 822,

?₁₉=-1,50 173,

?₂₀=-1,16 328

Вывод: погрешность выходит за пределы 5%, так как при аппроксимации была неточность вычисления.

2.3.3 Выбор закона регулирования Ориентировочно, характеристика регулятора определяется по величине отношения времени запаздывания к постоянной времени Т.

Постоянную времени можно определить по кривой разгона, проведя касательную к точке перегиба.

Т=31;

Подбор начинают с определения максимального динамического отклонения? д с различными регуляторами, добиваясь, чтобы? зад > ?рас для ПИ регулятора R_д=0,2,

для П регулятора R_д=0,23

Определяем ?д_рас по формуле:

?д_pac=R_д•Ky•?z,(16)

где R_д коэффициент

R_д определяется по графику [2]

для ПИ регулятора? д_рас=2,6%;

для П регулятора? д_рас=2,9%;

Статическую ошибку регулирования определяют из уравнения:

?с_рас=у^*_ст•?_z,(17)

где у^*_ст — коэффициент

Y_ст определяют по графику [2]

Y_cm=0,12

Так как R_д для ПИ закона регулирования мало отличается от R_д для П регулятора мы выбираем ПИ закон регулирования.

Переходной процесс в АСР может быть либо с 20% перерегулированием, либо с минимальной квадратичной ошибкой. По завершению выбора закона регулирования переходят к расчету настроечных параметров регулятора.

2.3.4 Определение настроечных параметров регулятора методом расширенных частотных характеристик Определяем степень колебательности (т) из формулы:

?=1-е^-2?m,(18)

где е — основание натурального логарифма,

? — постоянный коэффициент

?=3,14

Прологарифмируем данное уравнение.

е^-2?m=1-?

е^-2?m=1−0,873

ln е^-2?m=ln 0,127

— 2? m ln е=ln 0,127

— 2? m=-2,063

Передаточная функция объекта регулирования имеет вид:

Формула для расчета РАЧХ (расширенная амплитудно-частотная характеристика).

[3] (19)

Q=a₁m, (20)

Q=7,732

R=a₂(1-m²), (21)

R=116,6061

S=2a₂m, (22)

S=86,36 522

Для построения РФЧХ (расширенная фазо-частотная характеристика) необходимы следующие формулы:

[3] (23)

(24)

?_?=а₁/S (25)

?_?=0,2713

Выбираем частоты из условия 0 ?_/2,

?₁=0,02 ,?₂=0,04 ,?₃=0,06

Рассчитаем ?_j, (m, ?) в этих частотах:

Решим уравнение

?_j(m, ?₄)=-?/2 при ?₄=?_?/2=0,0652 ?_j(m, ?₄)=-1,57

Выбираем частоты из условия ?_?/2 ?;

?₅=0,1;?₆=0,015;?₇=0,2;?₈=0,25

Рассчитываем ?_j, (m, ?) в этих частотах:

Решим уравнение ?_j(m, ?₉)=-? ?₉=?_?=0,2713, ?_j(m, ?₉)=-3,14

Выбираем частоты? из условия ?_п< ?,

?₁₀=0,3, ?₁₁=0,35, ?₁₂=0,4

Рассчитываем ?_j, (m, ?) в этих частотах:

Решим уравнение

при ?₁₃=?_?,

Определяем амплитуду (А) в тех же частотах:

А_об(т, ?₀)=2,6,

А_об(т, ?₁)=2,86,

А_об(т, ?₂)=2,752,

А_об(т, ?₃)=2,36,

А_об(т, ?₄)=2,2404,

А_об(т, ?₅)=1,4837,

А_об(т, ?₆)=0,8135,

А₀₆(т, ?₇)=0,355,

А_об(т, ?₈)=0,315,

А_об(т, ?₉)=0,2686,

А_об(т, ?₁₀)=0,219,

А_об(т, ?₁₁)=0,16,

А_об(т, ?₁₂)=0,1225

Строим расширенную амплитудно-частотную характеристику РАЧХ и расширенную фазо-частотную характеристику РФЧХ (рисунок 2)

Рисунок 2 — РАЧХ и РФЧХ Определяем граничные частоты

?₁=arg [?_об (m; ?)=-?] (26)

?₀=arg [?_об (m?/2+arctgm] (27)

?₂=arg [?_об (m;; ?)=-?)=-3?/2?-arctgm] (28)

?₁=?_?=0,2713

?_об (m; ?₀)=-1,25

?₀=0,05

?_об (m; ?₂)=-5,03

?₂ не входит в интервал граничных частот.

Определяем значения ?_ПИ (т, ?) в следующих частотах ?₁=0,06; ?₂=0,0652; ?₃=0,1; ?₄=0,12; ?₅=0,15; ?₆=0,18; ?₇=0,2; ?₈=0,25 по формуле:

[3] (29)

?_ПИ (т, ?₁)=-1,25+1,4649=0,2149,

?_ПИ (т, ?₂)=-1,25+1,57=0,32,

?_ПИ (т, ?₃)=-1,25+2,13 568=0,88 568,

?_ПИ (т, ?₄)=-1,25+2,35=1,1,

?_ПИ (т, ?₅)=-1,25+2,6268=1,3768,

?_ПИ (т, ?₆)=-1,25+2,87=1,62,

?_ПИ (т, ?₇)=-1,25+2,97 164=1,72 164,

?_ПИ (т, ?₈)=-1,25+3,8 492=1,7277

Для построения линии равного затухания (ЛРЗ) определяем координаты точек Кр (т; ?) и Кр/Ти (т; ?).

[3] (30)

[3] (31)

Строим линию равного затухания ЛРЗ (рисунок 3)

Рисунок 3 — ЛРЗ По ЛРЗ определяем оптимальные настроечные параметры регулятора, которые определяет точка, лежащая правее её вершины.

К_р=3,227,

K_р/T_u=0,092-T_u=35,076

где К_р — коэффициент передачи ПИ регулятора,

Ти — постоянная времени интегрирования

2.3.5 Оценка ожидаемого качества регулирования Для оценки ожидаемого качества регулирования строим ВЧХ (вещественно-частотная характеристика). Выделяем действительную часть (Р) из ПФ системы, соединяем последовательно с объектом ПИ-регулятор. [4]

W_oс — коэффициент обратной связи,

W_oб — ПФ ОР

Система автоматического регулирования (САР) Рисунок 4

Определяем передаточную функцию схемы

(32)

где р — оператор Лапласа

Заменяем р на j ?

2,6−821,838 ?²=b

Выделяем действительную (P (w)) часть:

Вычисляем значения Р (?), по формуле:

.

Р (0)=1,

Строим вещественно-частотную характеристику ВЧХ (рисунок 5)

Рисунок 5 — ВЧХ САР

Так как ВЧХ имеет максимумы, то переходной процесс колебательный.

Определяем величину перерегулирования по формуле:

(33)

где Р_тах1 — максимальное положительное значение ВЧХ,

Р_тах2 — максимальное отрицательное значение ВЧХ,

Р₀-начальное значение ВЧХ

.

Выделяем мнимую (Q) часть:

Вычисляем значения Q (?), по формуле:

.

Q (0)=0,

Определяем амплитуду (А) для построения амплитудо-частотной характеристики (АЧХ) системы регулирования по формуле:

(34)

А (0)=1,

А (0,01)=0,947,

А (0,05)=0,94,

А (0,1)=1,02,

А (0,14)=1,142,

А (0,2)=1,4,

А (0,3)=1,17,

А (0,5)=0,32,

А (1)=0,068

Строим амплитудо-частотную характеристику АЧХ (рисунок 6).

Рисунок 6 — АЧХ САР По АЧХ определяем показатель колебательности (М) по формуле:

(35)

где А_mах — максимальное значение АЧХ, А₀ — начальное значение АЧХ М=1,4

Рассчитаем степень затухания по формуле:

.(36)

.

Вывод: по полученным оценкам качества можно судить о качественном переходном процессе, так как они находятся в требуемых пределах и М мало отличается от заданного.

2.3.6 Построение переходного процесса системы регулирования Пользуясь методом трапеций, определяем переходную характеристику системы автоматического регулирования (САР).

Начиная из точки Р₀, аппроксимируем ВЧХ прямолинейными отрезками аб, бг, гд, дж, жз, зй, йл, лм, мо. Концы каждого из отрезков соединяем с осью ординат прямыми, параллельными оси абсцисс. Получим шесть трапеций: абв, вгде, ежзи, изйл, клмн, нмоп.

Определяем параметры ?_ai, ?_пi, Н_i и P_i, каждой трапеции.

[1](37)

где Н — коэффициент наклона,

?_ai — меньшая параллельная сторона трапеции,

?_пi — большая параллельная сторона трапеции

По таблице 4.4 выбираем из первого столбца значения h (?) для нескольких значений ?, затем вычисляем значения t и h_i, по формулам:

[1](38)

где t — значение действительного времени,

? — значение условного времени

h_i=P_i · h (?), [1](39)

где Pi — высота трапеции Таблица 2.2 — Построение переходной характеристики методом трапеций

Строим составляющие h_i(t) (рисунок 7)

Составляющие переходной характеристики САР Рисунок 7

Суммируем составляющие h_i(t)

h (t₁)=0,6,

h (t₂)=1,165,

h (t₃)=1,26,

h (t₄)= 1,065,

h (t₅)=0,94,

h (t₆)=0,912,

h (t₇)=1,

h (t₈)=1,12,

h (t₉)=1,11,

h (t₁₀)=1,047,

h (t₁₁)=1,022,

h (t₁₂)=1,042,

h (t₁₃)=1,079,

h (t₁₄)=1,1,

h (t₁₅)=1,0715,

h (t₁₆)=1,053,

h (t₁₇)=1,08,

h (t₁₈)=1,09,

h (t₁₉)=1,07

Строим кривую переходного процесса САР (рисунок 8)

График кривой переходного процесса САР Рисунок 8

2.3.7 Оцениваем качество регулирования по переходному процессу Степень затухания:

(40)

где у₁=у_тах (максимальное значение величины у)-у_?(установившееся

значение величины у),

у₂-у_тах2(второе максимальное значение величины у)-у_?

у₁=0,19; у₂=0,05