Техническая реализация САУ (система автоматического управления) технологическим параметром (уровень воды) в котле Е-50

Диафрагма камерная (2 шт).

ДКС06-200-А/Б-1 ГОСТ8.563.1…8.563.3, производство ЗАО «Метран».

Интеллектуальный вихревой расходомер ЭМИС-ВИХРЬ 200-2шт..

Технические характеристики:

* измеряемая среда:

- жидкость;

- газ (в том числе кислород);

- пар;

* динамический диапазон:

- до 50:1 для газа и пара;

- до 40:1 для жидкостей;

* присоединение к трубопроводу

- фланцевое (от 25 до 300 мм);

- фланцевое с коническими переходами (от 25 до 300 мм);

- сэндвич (от 15 до 200 мм);

* давление измеряемой среды до 6,3 МПа;

* температура измеряемой среды от -40°С до +460°С;

* выходные сигналы:

- аналоговый токовый 4-20 мА;

- частотный до 10000 Гц;

- цифровой RS-485 Modbus RTU;

* температура окружающей среды от -40°С до +70°С;

* межповерочный интервал / гарантийный срок эксплуатации 4 года и т.д..

Контроллер Mitsubishi ALPHA XL AL2-24MR-A.

Технические характеристики:

* надёжная среда программирования Function Block Diagram (FBD);

* конфигурация системы: - AL-232 CAB;

- AL2-GSM-CAB;

- RS-232C;

- RS-485;

- передача данных через GSM-модем;

* модуль PID-регулятора с автонастройкой;

* встроенные часы реального времени (радио-часы DCF77);

* источник питания:

- напряжение 100...240 В;

- частота 50…60 Гц;

- потребляемая мощность 7,0 Вт;

* количество цифровых входов 15;

* количество выходов 9;

* ЖК дисплей 12 символов, 4 строки.

Кран шаровый ФБ39.Х14.100 c электроприводом AUMA SG07.1-11.

- фланцевое; - муфтовое;

- под приварку;

* полный срок службы не менее 10 лет.

Технические характеристики электропривода AUMA SG07.1-11:

* мощность двигателя 0,160 кВт;

* номинальный ток 0,6 А;

* температура окружающей среды ?25 °C до + 70 °C.

5.1 Обоснование выбора структуры регулятора

Применение пропорционально-интегрального (ПИ) закона регулирования для астатического объекта с явлением "набухания*" не обеспечивает требуемого качества регулирования (длительные слабо затухающие колебания уровня при ступенчатом входном возмущении). Интегральный (И) закон также дает плохую устойчивость системы. Пропорциональный (П) закон не допустим из-за статической ошибки регулирования. Поэтому для регулирования уровня в парогенераторах применяют комбинированную АСР: регулирование по отклонению с П-регулятором и контуром инвариантности по основному возмущающему воздействию - расходу пара.

2-импульсная схема регулирования не применяется по следующим причинам:

1) расход питательной воды через регулирующий питательный клапан зависит не только от положения клапана, но и от перепада давления на нем, который в процессе эксплуатации может изменяться;

2) в дифманометрах-расходомерах прежних лет выпуска выходной сигнал был пропорционален корню квадратному из перепада давления.

Указанные недостатки 2-контурной АСР устраняются введением в регулятор третьего импулься по расходу питательной воды от расходомера. Такая 3-импульсная АСР изображена на рис.2.

5.2 Функциональная схема принцип действия регулятора

Принцип работы АСР следующий. Сигналы по расходу пара и питательной воды вводятся в регулятор с противоположными знаками. В установившемся состоянии эти сигналы равны, противоположны по знаку и, следовательно, компенсируют друг друга.

Сигнал по уровню воды в парогенераторе компенсируется сигналом задания. При изменении расхода пара мгновенно изменяется соответствующий сигнал на входе в регулятор и последний пропорционально изменяет расход питательной воды, не дожидаясь изменения уровня.

Рис.2. Функциональная схема САУ.

1-датчик расхода пара; 2-барабан; 3-дифференциальный датчик давления; 4-водяной экономайзер; 5-контроллер; 6-регулирующий клапан питательной воды; 7-датчик расхода питательной воды.

В регуляторе используется ПИ-закон регулирования, однако вследствие ввода в регулятор практически безинерционной отрицательной обратной связи по расходу питательной воды в нем реализуется П-закон регулирования (аналогия жесткой обратной связи по положению регулирующего органа). Статическая неравномерность П-регулятора устраняется корректирующим сигналом по расходу пара.

Увеличение потребления пара потребителям при неизменной подаче топлива приведёт к уменьшению давления в барабане котла, что вызовет увеличение объёма пароводяной эмульсии, так называемое «набухание».

6.1 Способы обеспечения высокой надёжности САУ

Надежность - свойство системы сохранять во времени и в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность системы выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

Надежность системы в большинстве случаев трудно непосредственно получить из первичной информации, кроме того, она не позволяет оценить влияние различных этапов разработки и эксплуатации системы, поэтому надежность рассматривают по трем главным составляющим, которые являются свойствами системы и могут характеризоваться как качественно, так и количественно:

- безотказность-свойство системы сохранять работоспособность в течение требуемого интервала времени непрерывно без вынужденных перерывов.

- восстанавливаемость (ремонтопригодность)-свойство системы, заключающееся в ее приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению причин возникновения отказов, а также поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов;

- готовность-свойство системы выполнять возложенные на нее функции в любой произвольно выбранный момент времени в установившемся процессе эксплуатации. Готовность определяется как безотказностью, так и восстанавливаемостью системы.

Система выполняющая эти три теоретические показатели считается надёжной.

6.2 Принцип организация безударного перехода

Одним из основных требований при разработке САУ является обеспечение требуемой надёжности и эффективности, а также организации безударных переходов. Для организации безударных переходов используются различные режимы отступления к значению регулирующего параметра, управляющего воздействия или значению задания.

Рассмотрим различные ситуации, которые могут возникнуть в САУ.

* Выход из строя программированного контроллера.

* Обрыв цепи измерительного прибора

* Переход с автоматического режима работы на ручной и наоборот по запросу оператора.

Во всех трёх случаях регулирование уровня воды в барабане будет проходить в ручном режиме до устранения неполадки. Главным орган регулирования, клапан имеет не только электропривод, но и механическое энергонезависимое регулирование положение шаровой заслонки.

6.3 Структурная схема САУ

Рис.5. Структурная схема САУ

Объектом управления является барабан котла, в котором регулируется физическая величина Y (уровень воды). На объект действуют внешние возмущения fi приводящие к изменению регулируемой переменной Y. Регулирование объектом осуществляется путём изменения управляющего сигнала U. Регулируемая переменная Y измеряется датчиком обратной связи - ДОС и преобразуется в нормированный выходной сигнал Yoc, который в сравнивающем устройстве сравнивается с нормированным сигналом задания g, формируемым задающим устройством ЗУ, или системой управления вышестоящего уровня. Сигнал отклонения (ошибки) е поступает на регулятор, который формирует управляющее воздействие U. В состав регулятора входит большое число различных блоков и устройств, обеспечивающих требуемое преобразование сигналов. Это исполнительное устройство (исполнительный двигатель или исполнительный механизм) с регулирующим устройством (клапан, задвижка, заслонка, вентиль и др.); усилитель мощности; модуляторы; демодуляторы; динамические преобразователи (интеграторы, дифференциаторы), формирующие требуемый закон регулирования; нелинейные преобразователи; корректирующие устройства и др. В промышленных системах регулирования различными объектами разными будут регулируемая величина, датчик обратной связи и регулирующее устройство. Все остальные блоки регулятора имеют унифицированные внешние связи и работают с унифицированными сигналами, что позволяет с их помощью реализовывать регуляторы в самых различных промышленных системах регулирования.

7.1 Техническая реализация САУ

Техническая реализация старой САУ на новую, есть аппроксимация оборудования без замены трубопроводов с использованием старых фланцевых соединения в случае с заменой запорной арматуры. Датчики расхода имеют сэндвичное присоединение на трубопроводов, что позволяет производить монтаж и наладку ДР без остановки работы котла, т. е. в «рабочем режиме». Монтаж всех кабелей ТС можно производить с использованием старых трасс и кабельных линий. Данные работы по установке, монтажу ТС и прокладке кабелей осуществляется монтажной бригадой по наряду-допуску и распоряжению. Наладка, программирование контроллера, пуск в работу осуществляется непосредственно квалифицированным персоналом в области автоматизации.

7.2 Техническая структура САУ

7.2.1 Верхний уровень (дистанционное управление, визуализация, регистрация, архивация и т.д.);

7.2.2 Нижний уровень (сбор и первичная обработка информации с датчиков, автоматическое регулирование, создание и выполнение алгоритмов взаимодействия устройств управления);

7.2.3 Полевые устройства управления (исполнительные механизмы, измерительные приборы, устройства сигнализации).

Раскроем уровни САУ подробно с описанием в каждом его назначения, принцип, используемое оборудование.

7.2.1. Верхний уровень, есть операторская станция с промышленным компьютером и другими коммуникационными устройствами. В задачу уровня входит:

* организация операторского интерфейса;

* контроль и отображение технологического процесса;

* архивация данных и формирование отчётов;

* дистанционное управление оборудованием;

* координация и оптимизация технологического процесса.

Связь с нижним уровнем будет осуществляться протоколом ModBus.

7.2.2 Нижний уровень организован программируемым контроллером Mitsubishi ALPHA XL AL2-24MR-A. Программирование в среде FBD. Контроллер выполняет роль цифрового регулятора. Выполнение инструкций на получение операций, обмен данными, будет осуществляться через порт ModBus, RS-232 и центральный процессор i8088.

7.2.3 Полевые устройства управления (исполнительные механизмы, измерительные приборы, устройства сигнализации). Связь между нижним и всеми устройствами будет осуществляться витыми парами с унифицированным выходным сигналом 4…20мА, 0...5 мА.

Рис.6. Техническая структура САУ.

7.3 Описание работы САУ

Расход питательной воды и расход пара измеряются методом переменного перепада. Перепад давления пропорциональный расходу питательной воды, создаваемый на камерной диафрагме ДКС06-200-А/Б-1, и перепад давления пропорциональный расходу пара, создаваемый на диафрагме ДКС06-200-А/Б-1 измеряются и преобразуются преобразователем Метран-150CD в унифицированный токовый сигналы 0-5 мА, и с выходов измерительного преобразователя Метран-150CD сигналы подаются через вторичный прибор на входы микроконтроллера Mitsubishi ALPHA XL AL2-24MR-A, он же воздействует на положение питательного шарового крана ФБ39.Х14.100 с электроприводом AUMA SG07.1-11.

Этапы разработки электрической схемы САУ:

* организация электропитания устройств автоматизации и защит кабельных линий;

* организация ввода/вывода аналоговых и ввода дискретных сигналов;

* организация сетевого соединения между верхним и нижнем уровнем.

В данном курсовом проекте мы рассмотрели возможности регулирования технологического процесса (уровня воды) в котле малой мощности модели Е-50. Для обеспечения надежности регулирования, простоты снятия данных до 8 технологических параметров было рассмотрено регулирующее устройство фирмы Mitsubishi, отличительными чертами которого являются высокая функциональность, надежность и гибкость при умеренной стоимости.

С данным контроллером были рассмотрены модули и датчики необходимые для снятия данных параметра и ввода их в память контроллера.

В итоге можно сказать, что разработанная система является более надежной, «живучей», оперативной, мобильной, интеллектуальной, чем система автоматизированного управления, которая стояла до внедрения рассмотренной нами системы.

1. Александров В.Г. «Вопросы проектирования паровых котлов средней и малой производительности.» М.-Л., Госэнергоиздат, 1990.

2. Бесекерский В.А., Попов Е.П. «Теория систем автоматизированного управления.» СПб.: Профессия, 2003.

3. Двойнишников В.А. «Конструкция и расчет котлов и котельных установок.» М.:Машиностроение, 1988.

4. Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. «Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов.», 3-е изд., перераб.-М.:Энергоатомиздат, 1988.

Также источником информации стали некоторые сайты:

1. http://rosenergostal.ru

2. http://www.es-electro-ural.ru

1. Принципиальная схема барабанного котла Е-50

2. Электрическая схема САУ

Страницы: 1, 2, 3