Задание 1
Выбрать по справочной литературе необходимые приборы для реализации информационной цепи (датчик – преобразователь – контрольно-измерительный прибор) и управляющей цепи (регулятор – преобразователь, если необходим, – исполнительный механизм – регулирующий орган).
Дать краткое описание приборов и их параметров.
Приборы в цепи должны иметь согласованные параметры входные – и выходные сигналы, соответствовать уровню технологического параметра (информационная цепь) и мощности, требуемой для перемещения регулирующего органа в цепи управления.
Если мощность выходного сигнала датчика или его преобразователя позволяет, то этот сигнал можно одновременно подать на вход контрольно-измерительного прибора (КИП) и регулятора. В обратном случае для подачи на вход регулятора информации о текущей величине регулируемого параметра необходимо установить отдельный датчик (например, двойную термопару). Обратить внимание на класс точности используемых в информационной цепи приборов и диапазон шкалы контрольно-измерительного прибора. Номинальная величина технологического параметра должна находиться в последней трети диапазона шкалы контрольно-измерительного прибора.
Составить:
1. Структурную схему автоматизации.
2. Функциональную схему автоматизации.
3. Спецификацию оборудования.
Исходные данные:
| Вариант – последняя цифра шифра | Технологический параметр и условие | Величина параметра | Регулирующий орган | Техническая характеристика рег. органа | Дополнительные требования к цепи приборов |
| 10 | Температура Среда щелочная |
300 0
|
Поворотная заслонка | Момент равен 80 Нм | Приборы пневматические |
Датчик – преобразователь температуры.
Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73
1. Назначение
Предназначен для преобразования в унифицированный пневматический сигнал температуры жидких и газообразных агрессивных сред, в т.ч. в условиях АЭС.
2. Технические характеристики
| 1. Верхние пределы измерения: | +100…+400; |
| 2. Длина соединительного капилляра, м | 4 |
| 3. Длина погружения термобаллона, мм | 200 |
| 4. Классы точности | 0,6 |
| 5. Давление питания, кгс/см 2 | 1,4±0,14 |
| 6. Рабочий диапазон выходных пневматических сигналов, кгс/см 2 | 0,2…1 |
| 7. Температура окружающей среды, °С | –50…+80 |
| 8. Относительная влажность, %, не более | 95 |
| 9. Давление измеряемой среды, кгс/см 2, до | 64 без защитной гильзы 250 с защитной гильзой |
| 10. Изготавливаются по | ТУ 25–7310.032–86 |
| 11. Габаритные размеры, мм | 182х140х97 |
Регулятор.
Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1
1. Назначение
Приборы контроля работают совместно с пневматическими датчиками и другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы в пределах 20…100 кПа. ПВ10.1Э – прибор для непрерывной записи и показания величины регулируемого параметра, указания положения контрольной точки и величины давления на исполнительном механизме.
2. Технические характеристики
| Параметры | Значение |
| Диапазон аналоговых давлений, подаваемых на вход. | 20…100 кПа |
| Питание прибора осуществляется осушенным и очищенным от пыли и масла воздухом давлением. | 40 кПа ± 14 кПа |
| Класс загрязненности сжатого воздуха питания. | 0 и 1 |
| Предел допускаемой основной погрешности по всем шкалам и диаграмме. | не превышает ± 1,0% от номинального диапазона входного сигнала |
| Нижний предел измерения приборов с расходной шкалой. | 30% верхнего предела измерения |
| Изменение показаний прибора, вызываемое отклонением давления питания в пределах. | ± 14 кПа от номинального, не превышает 0,5 абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности. |
| Погрешность хода диаграммы. | не превышает ± 5 мин. за 24 часа |
| Длина шкал приборов и ширина поля записи диаграммы. | 100 мм |
| Шкалы приборов. | 0–100 линейные |
| Скорость движения диаграммы. | 20 мм/ч |
| Температура окружающей среды. | +5…+50 °С |
| Относительная влажность воздуха при 35 °С и более низких температурах, без конденсации влаги. | 80% |
| Синхронный двигатель привода диаграммы питается от сети переменного тока напряжением. | 220 В |
| Расход воздуха: | 6,5 л/мин |
| Масса прибора: | 8,0 кг |
Исполнительный механизм.
Механизм исполнительный пневматический МИП-П
1. Назначение
Предназначены для перемещения регулирующих и запорно-регулирующих органов в системах автоматического и дистанционного управления.
2. Технические характеристики
| Рабочая среда | Сжатый воздух |
| Ход поршня (мм
) |
200 |
| Давление питания (МПа
) |
0,4.. 1,0 |
| Входной сигнал (МПа
) |
0,02.. 0,15 |
| Величина расхода воздуха при неподвижном штоке | 1,2 м3
/ч |
Скорость перемещения штока при отсутствии нагрузки (при давлении питания 0,6 МПа
|
0,08 |
Максимальные усилия, развиваемые при давлении питания 0,6 МПа
толкающее: тянущее: |
4,1 3,1 |
| Рабочая температура окружающего воздуха (°С
) |
-30..+50 |
| Относительная влажность (%) | 95 |
| Габаритные размеры (мм
) |
175×190×560 |
| Масса (кг
) |
20 |
Регулирующий
орган.
Заслонка поворотная. Nemen серия 5000
1. Назначение
Заслонки поворотные используются в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры.
2. Технические характеристики
| Диаметр | 125 мм. |
| Температура | -100 – +6000
С |
| Давление | 2,0 МПа |
| Среда | агрессивные среды, щёлочи |
| Исполнение | В-сквозные отверстия Т – резьбовые отверстия |
| Возможности управления | -ручной рычаг (ручка) – гребенка на площадке заслонки обеспечивает ступенчатую регулировку через каждые 15 градусов поворота ручки – ручная червячная передача (редуктор) – плавная регулировка – электропривод – пневмопривод |
| Крутящий момент для управления заслонкой | 80 Нм |
Аппаратура воздухоподготовки.
Редуктор давления РДФ-3–1
1. Назначение
РДФ-3–1 – редукторы давления с фильтром, предназначены для регулирования и автоматического поддерживания давления воздуха, необходимого для индивидуального питания пневматических приборов и средств автоматизации, а также очистки его от пыли, масла и влаги. Применяются в машиностроении, нефтяной, сахарной, химической промышленности и других отраслях.
ТУ 25.02.1898–75.
2. Технические характеристики
| Максимальный расход воздуха. | 1,6 м³/ч |
| Допускаемое давление питания. | 0,25…0,8 МПа (кгс/см²) |
| Пределы регулирования давления на выходе. | 0,02…0,2 МПа (кгс/см²) |
Допускаемое отклонение выходного давления при температуре окружающего воздуха (20±5) °С: · при изменении входного давления воздуха 0,25…0,8 МПа (кгс/см²); · при изменении расхода воздуха 0,15…1,6 м³/ч. |
0,008 МПа; 0,01 МПа. |
| Отклонение выходного давления при изменении температуры окружающей среды на каждые 10 °С. | 0,002 МПа (кгс/см²) |
| Размер твёрдых частиц на выходе | не более 10 мкм |
| Масса | не более 0,71 кг |
| Загрязненность воздуха после редуктора, не ниже класса | 3 |
Поз. обозначение |
Обозначение | Наименование | Кол. | Примечание |
| 1 | TE | Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73 | 1 | |
| 2 | TRC | Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1 | 1 | |
| 3 | Механизм исполнительный пневматический МИП-П |
1 | ||
| 4 | Заслонка поворотная. Nemen серия 5000 | 1 |
Дано:
ωнм
= 0,37 (с-1
) – Наибольшая скорость вращения исполнительного вала;
εнм
= 1,48 (с-2
) – Амплитуда ускорения исполнительного вала;
Mн
с
= 61 (Н
×
м
) – Статистический момент на исполнительном валу;
Jн
= 36,2 (кг
×
м2
) – Момент инерции нагрузки;
η
= 0,97 – КПД одной ступени редуктора;
α
= 4 – Допустимый коэффициент перегрузки ДПТ.
Требуемая мощность на валу:
Ртреб
= (2×Jн
×εнм
+ Мнс
) ×ωнм
= (2 × 36,2 × 1,48 + 61) × 0,37 = 62.2162
(Вт
).
Т
ипоразмер ДПТ
с номинальной мощностью:
Рном
≥ Ртреб
= 175 (Вт
) – двигатель типа СЛ – 521
.
Технические данные двигателя постоянного тока серии СЛ типа 569
| Тип
|
Рн
ом , Вт |
U
ня , В |
ω
ня , с-1 |
I
ня , А |
r
я , Ом |
J
я × 10–6 , кг × м2 |
d
, м |
| СЛ – 569
|
77 | 110 | 314 | 1,1 | 8,5 | 127 | 10-2
|
Рном
= 77 (Вт
) – номинальная мощность двигателя;
Uня
= 110 (В
) – номинальное напряжение якоря;
Iня
= 1,1 (А
) – номинальный ток якоря;
ωня
= 314 (c-1
) – номинальная скорость якоря;
Jя
= 127×10-6
(кг
×
м2
) – момент инерции якоря;
rя
= 8,5 (Ом
) – сопротивление якоря;
d
= 10-2
(м
) – диаметр вала двигателя.
Номинальный
полезный момент двигателя:
Коэффициент
противоЭДС обмотки якоря:
Момент
потерь на валу двигателя:
Момент с учетом потерь:
М
S
= С
×I
ня
= 320 × 10-3
× 1,1 = 352,55 × 10-3
(Н
×
м
).
Предварительная оценка передаточного числа редуктора
ip
:
ip
1
£
ip
£
ip
2
ip
1
иip
2
находятся из уравнения:
1,7 ·
10-3
·
ip
2
– 1,9 ·
ip
+ 118,1 = 0.
ip
1
»58;
ip
2
»1058.
Диапазон передаточного числа редуктора:
58£
ip
£
1058
Проверка рассчитанного передаточного числа редуктора по
ip
max
= 1058.
А) Выполнение условия по скорости:
ip
·
w
нм
≤ (1,1.. 1,2) · ω
ня
;
ip
·
w
нм
= 1058 · 1,4 = 386,4 (с-1
);
1,1 · ω
ня
= 1,1 · 377 =
).
386,4 (с-1
) ≤ 414,7 (с-1
) – условие выполняется
.
В) Выполнение условия по моменту:
M
НОМ
≤ (3..4) · Mn
;
M
НОМ
= 0,29 + 0,13 + 0,08 = 0,5 (Н·м
);
3 · Mn
= 3 · 464,2 · 10-3
= 1,4 (Н·м
).
0,5 (Н·м
) ≤ 1,4 (Н·м
) – условие выполняется
.
С) Выполнение условия по перегреву:
Mt
≤ Mn
;
Mn
= 464,2 · 10-3
(Н·м
).
248,8 (Н·м
) ≤ 464,2 (Н·м
) – условие выполняется
.
| Выбранный двигатель удовлетворяет всем условиям. |
Расчёт редуктора с цилиндрическими колёсами для
ip
= 200:
ip
=i
1
·i
2
·…·in
= 200;
где:
Zn
– число зубьев n
-ой шестерни.
Соотношение передаточных чисел ступеней редуктора:
Из расчёта, что:
in
= 11,2;
ИТОГ – 4 ступени.
i1
= 1,88;
i2
= 2,39;
i3
= 3,98;
i4
= 11,2.
ip
= 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29 » 200;
Расчётчислазубьев:
Число зубьев ведущих шестерен:
Z
1
= Z
3
= Z
5
= Z
7
≤ 15 = 15.
Число зубьев ведомых шестерен:
Z
2
= Z
1
· i
1
= 15 · 1,88 = 28;
Z
4
= Z
3
· i
2
= 15 · 2,39 = 36;
Z
6
= Z
5
· i
3
= 15 · 3,98 = 60;
Z
8
= Z
7
· i
4
= 15 · 11,2 = 168.
Расчёт диаметра колёс:
Модуль зуба выбирается из стандартного ряда при условии обеспечения прочности зуба по удельному давлению на зуб:
Для стальных цилиндрических прямозубых колёс с эвольвентным профилем:
| σн
|
Удельное давление на зуб | ≤ 1,372·108
|
| k
Д |
Динамический коэффициент | 1,7 |
| Мнс
|
Статистический момент на исполнительном валу | 35,4 (Н
× м ) |
| k
ε |
Коэффициент перекрытия | 1,25 |
| ψ
|
Коэффициент смещения (5..10) | 5 |
| k
ф |
Коэффициент формы | 0,12 |
| π
|
3,14 | |
| R
|
Радиус последней шестерни редуктора | (Z8
·m ) / 2 |
| Z8
|
Количество зубьев последней шестерни редуктора | 168 |
m
≥ 1,3 = 2,0.
Диаметр ведущих шестерен:
D
1
= D
3
= D
5
= D
7
= m
· Z
1
= 2,0 · 15 = 30 (мм
).
Диаметр ведомых шестерен:
D
2
= m
· Z
2
= 2 · 28 = 56 (мм
);
D
4
= m
· Z
4
= 2 · 36 = 72 (мм
);
D
6
= m
· Z
6
= 2 · 60 = 120 (мм
);
D
8
= m
· Z
8
= 2 · 168 = 336 (мм
).
Проверка:
A) Меньшего диаметра из колёс, относительно диаметра вала:
D
1
≥ 2d
.
30 (мм
) ≥ 20 (мм
) – условие выполняется
.
B) Передаточного числа пар и всего редуктора:
ip
= 1,86 · 2,4 · 4,0 · 11,2 = 199,99 » 200;
Передаточное число соответствует заданному.
Расчёт приведённого к валу двигателя момента инерции редуктора:
Расчёт момента инерции для шестерен по формуле для сплошного цилиндрического колеса:
J
1
= J
3
= J
5
= J
7
= KJ
· D
1
4
= 7,752 · (3 · 10-2
)4
= 6,279 · 10-6
(кг·м2
);
J
2
= KJ
· D
2
4
= 7,752 · (5,6 · 10-2
)4
= 76,237 · 10-6
(кг·м2
);
J
4
= KJ
· D
4
4
= 7,752 · (7,2 · 10-2
)4
= 208,326 · 10-6
(кг·м2
);
J
6
= KJ
· D
6
4
= 7,752 · (1,2 · 10-1
)4
= 1,6 · 10-3
(кг·м2
);
J
8
= KJ
· D
8
4
= 7,752 · (3,36 · 10-1
)4
= 98,8 · 10-3
(кг·м2
);
Расчёт полного момента инерции:
| π
|
3,14 | |
| ρ
|
Плотность стали (кг/м3
) |
7,9 · 103
|
| b
= m · ψ |
Ширина шестерни (м
) |
10-2
|
| Di
|
Диаметр шестерни | 30..336 |
= 6,279 · 10-6
+ 23,851 · 10-6
+ 10,769 · 10-6
+ 3,495 · 10-6
+ 2,47 · 10-6
=
= 46,864 · 10-6
(кг·м2
).
| J
ред = 46,864 · 10-6 кг·м2 . |
Проверка пригодности двигателя с рассчитанным редуктором.
А) Выполнение условия по скорости:
ip
·
w
нм
≤ (1,1.. 1,2) · ω
ня
;
ip
·
w
нм
= 200 · 1,4 = 280 (с-1
);
1,1 · ω
ня
= 1,1 · 377 = 414,7 (с-1
).
280 (с-1
) ≤ 414,7 (с-1
) – условие выполняется
.
В) Выполнение условия по моменту:
M
НОМ.ред
≤ (3..4) · Mn
;
= 288,387 · 10-3
+ 182,474 · 10-3
+ 81,167 · 10-3
= 0,552 (Н·м
);
3 · Mn
= 3 · 464,2 · 10-3
= 1,393 (Н·м
).
0,552 (Н·м
) ≤ 1,393 (Н·м
) – условие выполняется
.
С) Выполнение условия по перегреву:
Mt
.ред
≤ Mn
;
Mn
= 464,2 · 10-3
(Н·м
).
276,3 (Н·м
) ≤ 464,2 (Н·м
) – условие выполняется
.
| Двигатель с редуктором подходят для использования. |
Построение семейств механических и регулировочных характеристик двигателя.
Механическая характеристика строится по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:
1 точка – скорость холостого хода, при M
= 0:
2 точка – рабочая точка, при М
= Mn
= 464,2 · 10-3
(Н·м
),
и ω
= ω
ня
= 377 (с-1
).
3 точка – пуск двигателя, при ω
= 0:
Регулировочная характеристика строится также, по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:
1 точка – рабочая точка, при U
= U
ня
= 110 (В
),
и ω
= ω
ня
= 377 (с-1
).
2 точка – трогание двигателя, при U
= U
Тр
, и ω
= 0;
Расчёт усилителя мощности.
Максимальное напряжение усилителя мощности U
max
.ум
и добавочный резистор Rдоб
, ограничивающий ток якоря при пуске:
U
max
.ум
= α
×I
ня
× (Rдоб
+ r
я
); – (уравнение якорной цепи для пускового режима).
Umax
.ум
= =I
ня
×R
доб
+ U
ня
. – (уравнение якорной цепи для номинального режима).
α
×I
ня
× (Rдоб
+ r
я
) ==I
ня
×R
доб
+ U
ня
;
Umax
.ум
= =I
ня
×R
доб
+ U
ня
.
Umax
.ум
= = 2 ×R
доб
+ 110.
R
доб
= 13,5
(Ом
) – добавочный резистор;
Umax
.ум
= =137,1
(В
) – максимальное напряжение усилителя мощности.
Как следует из уравнения механической характеристики, скорость двигателя, а, следовательно, и его мощность (P
= M
· ω
), при постоянном моменте нагрузки, можно регулировать изменением напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре изменяется либо с помощью реостата, либо с помощью усилительно – преобразовательного устройства, при этом поток возбуждения остаётся постоянным.
Из уравнений для ДПТ и воспользовавшись графиками характеристик можно рассчитать напряжение на выходе усилительно – преобразовательного устройства в зависимости от требуемой мощности; и мощность в зависимости от напряжения.
ω
2
= (U
2
– U
Тр
) · tgφ
;
В итоге:
Используя паспортные данные, получается расчёт усилителя для данного двигателя:
U
2
= P
2
· 0,6 + 6,13;
P
2
= U
2
· 1,68 – 10,33.
Пример:
P
2
= 200 Вт
;
U
2
= 200 · 0,6 + 6,13 = 126 В
;
ω
2
= P
2
/ М
n
= 200 / 0,4642 = 431 с-1
.
U
3
= 60 В
;
P
3
= 60 · 1,68 – 10,33 = 90 Вт
;
ω
2
= P
2
/ М
n
= 90 / 0,4642 = 195 с-1
.
Параметры нагрузки для AD
| N
|
w
нм , с-1 |
e
нм , с-2 |
Мнс
, Н·м |
J
н , кг × м2 |
| 4 | 2,2 | 45 | 0,32 | 2,17·10-3
|