Содержание
стр.
Введение…………………………………………………………..…………...........3
1 Анализ существующей СУ…………………………………………......…......5
1.1 Описание технологического процесса……………………………………...6
1.2 Постановка задачи...........................................................................................8
2 Синтез АСУТП производства безалкогольных напитков..................................9
2.1 Структура АСУТП…................................………………………………….10
2.2 Выбор датчиков...........................................................……………………...13
2.3 Выбор исполнительных механизмов.....................………………………...16
2.4 Выбор контроллера..................……………………………………………...16
2.5 Выбор SCADA - системы…............…………………….…………………..18
3 Синтез САР температуры колера.........................................................................21
3.1 Выбор принципа регулирования..................................................................22
3.2 Построение математической модели ТОУ................................................23
3.3 Построение переходной функции объекта управления...............................24
3.4 Выбор закона регулирования.........................................................................27
3.5 Расчет оптимальных настроечных параметров............................................27
3.6 Оценка устойчивости разомкнутой САР с ПИ-регулятором......................28
3.7 Оценка устойчивости разомкнутой САР с ПИД-регулятором...................30
3.8 Расчет показателей качества замкнутой САР с ПИ-регулятором..............32
3.9 Расчет показателей качества замкнутой САР с ПИД-регулятором............33
Заключение…………………………………………………………..........………..35
Список используемых источников……………………………….....…….............36
Введение
Автоматизация производства – это такой процесс его развития, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются техническим средствам.
Общими задачами автоматизации производства являются повышение эффективности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, создание условий для оптимального использования ресурсов производства, улучшение условий труда, охрана природы и окружающей среды.
Проводимое в отраслях промышленности техническое перевооружение, направленное на увеличение производственных мощностей, экономию материальных и трудовых ресурсов, повышение качества продукции за счет совершенствования технологического оборудования, автоматизации технологических процессов, создание автоматизированных агрегатов, участков, цехов, определяет новые задачи и цели в области создания автоматизированных систем управления (АСУ). Основная цель создания АСУ - значительное повышение эффективности производства. Это достигается в результате комплексной автоматизации производства и управления, процессов проектирования с широким использованием современных средств вычислительной техники.
При этом субъективные визуальные методы технохимического и микро- биологического контроля заменяют скоростными объективными методами для анализа и непосредственного автоматического управления технологическими процессами.
Переход к созданию АСУ на уровне цеха и производство с использованием вычислительной техники для управления технологическими процессами стал возможен благодаря повышению общего уровня автоматизации пищевых производств и внедрению экономически эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). В области автоматизации технологических процессов дальнейшие перспективы связаны с созданием на базе использования управляющих вычислительных комплексов (УВК) головных образцов АСУТП.
В перспективе при создании безотходных технологических процессов химических производств, работающих по замкнутому непрерывному циклу, появится возможность создания технических процессов-автоматов с централизацией контроля и управления цехом на центральном диспетчерском пункте, оснащенном вычислительной техникой.
1 Анализ существующей системы
управления
1.1 Описание технологического процесса
Характеристика продукции, сырья и полуфабрикатов.
Безалкогольные фруктовые воды представлены двумя группами напитков: общего назначения (водные растворы купажных смесей сахарного сиропа, фруктово-ягодных соков и морсов, натуральных экстрактов, пищевых кислот и красителей) и больных диабетом (сахароза заменена ксилитом, сорбитом или сахарином).
Стадии технологического процесса. Приготовление газированных безалкогольных напитков состоит из следующих стадий:
- кондиционирование воды:
- приготовление сахарного и инвертного сиропов;
- получение колера;
- приготовление купажных сиропов;
- фильтрация и охлаждение купажных сиропов;
- фасование и хранение безалкогольных напитков.
Рисунок 1 - Машинно-аппаратурная схема линии производства безалкоголь -
ных напитков
Характеристика комплексов оборудования.
Линия начинается с комплекса оборудования для обработки воды (дефферезаторы, песочные и керамические фильтры, бактерицидные установки и ультрафильтрационные аппараты). Следующим идет комплекс оборудования для приготовления сахарного и купажного сиропов, состоящий из системы сироповарочных аппаратов, насосов, теплообменников, сироповарочной станции и колероварочного аппарата.
Далее следует комплекс оборудования для приготовления купажных сиропов, состоящий из купажных аппаратов, фильтр-прессов и теплообменников.
Завершающим является комплекс оборудования для фасования.
Машинно-аппаратурная схема линии производства безалкогольных напитков представлена на рисунке 1.
Устройство и принцип действия линии. Вода, являющаяся основным компонентом напитка, сначала фильтруется в песочном фильтре 9
грубой очистки. Тонкая обеспложивающая фильтрация воды осуществляется в керамическом свечном фильтре 8.
Для тонкой очистки воды используют фильтр-пресс 7,
также работающий под давлением. Осветленная вода насосом 6
подается в катионитовый фильтр 5 для умягчения. Регенерация фильтров осуществляется с помощью солерастворителя 3
путем изменения тока воды. Умягченная вода подвергается обеззараживанию ультрафиолетовыми лучами в бактерицидной установке 4.
Насосом 1
вода подается в холодильник 2, где охлаждается до температуры 4...7 °С и направляется в производство.
Сахар по мере надобности очищают от посторонних примесей, взвешивают и загружают в сироповарочный аппарат 12.
Туда же наливают воду в количестве 40 % к массе сахара, подают исправимый брак из цеха и кипятят в течение 20...25 мин.
Готовый сахарный сироп насосом 13
подают на охлаждение в теплообменник 14.
В целях предотвращения кристаллизации сахарозы и придания сахарному сиропу мягкого и приятного вкуса его направляют в сироповарочный аппарат 15
для инверсии. Инвертный сахарный сироп после охлаждения в теплообменнике 17
до 25 С
С насосом 16
перекачивается в сборник 22.
Соки и настои из сборника 19, отфильтрованные при необходимости в фильтр-прессе 20,
насосом 18
подаются в стальной эмалированный сборник 21.
Для растворения лимонной кислоты и эссенции, а также для приготовления разных добавок на предкупажной площадке размешены сборники 24
и 25
.
Колер, используемый для окраски напитков, готовят путем нагревания сахара до 180...200 °С в колеровочном аппарате 10,
куда наливают воду в количестве 1 ...3 % к массе сахара. Из колеровочного аппарата 10
колер насосом 11
направляется в сборник 23,
Купажный сироп готовится в вертикальных купажных аппаратах 26...28,
снабженных мешалками якорного типа. Все компоненты купажа поступают в аппарат самотеком из сборников 21, 23…25,
смонтированных на предкупажной площадке. Готовый купажный сироп фильтруется на фильтре 29,
охлаждается до температуры 8..10 °С и насосом 30
подается в напорный сборник 31,
откуда самотеком подастся: на непрерывно действующую установку для смешивания купажа с водой.
1.2 Постановка задачи
При анализе технологической системы было установлено, что действующая АСР морально и технически устарела. Применение в действующей АСР централизованной системы управления приводит к неудовлетворительному регулированию качества безалкогольных напитков. Также данная АСР устарела из-за использования морально и технически устаревших технических средств автоматизации.
В специальной части данного проекта будет рассмотрена САР температуры колера в колеровочном. В данном проекте необходимо:
- выбрать структуру АСУТП;
- исследовать динамические и статические характеристики ТОУ;
- выбрать структуру САР;
- выбрать закон регулирования (ПИ, ПИД);
- выполнить расчет настроечных параметров регулятора;
- исследовать качество регулирования САР.
2 Синтез АСУТП производства
безалкогольных напитков
2.1 Структура АСУТП
Проектируемая система имеет иерархическую 3-х уровневую структуру.
Иерархия системы следующая (рисунок 2):
Рисунок 2 – Структурная схема АСУТП
- нижний уровень – уровень датчиков и исполнительных механизмов;
- средний уровень – уровень микропроцессорного комплекса ТКМ 52;
- верхний уровень – уровень оперативного управления.
К приборам и средствам автоматизации нижнего уровня относятся все первичные и вторичные преобразователи, магнитные пускатели и усилители.
Средний уровень (уровень контроля) представлен промышленным
контроллером ТКМ 52.
Приборы нижнего уровня подсоединяются к ТКМ 52 по электрическим проводам; сигнал у преобразователей унифицированный.
Под верхним (SCADA-уровнем) понимается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, реализованное на базе персонального компьютера. АРМ выполняет следующие функции:
- обеспечение круглосуточного обмена информацией с контроллерами;
- обработка полученной информации, формирование баз данных
замеров, а также предысторий текущих событий;
- отображение полученной информации в виде таблиц и мнемосхем с
возможностью показа, как полного перечня параметров, так и параметров по конкретной технологической подсистеме;
- построение графиков тенденций развития технологических процессов;
- дистанционное управление оборудованием;
- формирование и печать отчетно-учетных документов.
К SCADA-уровню также относятся компьютеры главного инженера, главного технолога и других специалистов, имеющих доступ к единой сети предприятия.
Система контроля и управления предназначена для оперативного учета, поддержания заданных значений параметров технологического процесса и предотвращения возникновения аварийных ситуаций.
Для измерения давления, уровня, расхода и температуры в сироповарочном аппарате СА-1
используются манометр МПАК-15 4-1
, датчик уровня ДУУ5 2-1
, расходомер PROline Promass 40E 1-1
и термопреобразователь ТХK-0192 3-1
. Температура в сироповарочном аппарате СА-1
регулируется с помощью клапана серии 240 30
. В целях предотвращения кристаллизации сахарозы и придания сахарному сиропу мягкого и приятного вкуса его направляют в сироповарочный аппарат СА-2
для инверсии.
Для измерения давления, уровня, расхода и температуры в сироповарочном аппарате СА-2
используются манометр МПАК-15 8-1
, датчик уровня датчик уровня ДУУ5 6-1
, вихревой расходомер PROline Promass 40E 5-1
и термопреобразователь ТХK-0192 7-1
. Температура в сироповарочном аппарате СА-2
регулируется с помощью клапана серии 240 23
.
Инвертный сахарный сироп после охлаждения в теплообменнике Т-3
до 25 °С насосом 24
перекачивается в стальной эмалированный сборник Е-2
. Температура в сборнике Е-2
регулируется с помощью клапана серии 240 25
.
Колер, используемый для окраски напитков, готовят путем нагревания сахара до 180...200 °С в колеровочном аппарате КА-1,
куда наливают воду в количестве 1 ...3 % к массе сахара. Температура в колеровочном аппарате регулируется в теплообменнике Т-4
.
Для измерения давления, уровня и температуры в колеровочном аппарате КА-1
используются манометр МПАК-15 14-1
, датчик уровня датчик уровня ДУУ5 12-1
и термопреобразователь ТХK-0192 13-1
. Температура в колеровочном аппарате КА-1
регулируется с помощью клапана серии 240 26
.
Купажный сироп готовится в вертикальных купажных аппаратах 26...28,
снабженных мешалками якорного типа. Готовый купажный сироп фильтруется на фильтре ,
охлаждается до температуры 8..10 °С в теплообменнике Т-5
и насосом 30
подается в напорный сборник Е-3
.
Для измерения давления, уровня, расхода и температуры в напорном сборнике Е-3
используются манометр МПАК-15 18-1
, датчик уровня датчик уровня ДУУ5 16-1
, расходомер PROline Promass 40E 15-1
и термопреобразователь ТХK-0192 17-1
. Температура в напорном сборнике Е-3
регулируется клапана серии 240 28
.
Далее продукт самотеком подастся: на непрерывно действующую установку для смешивания купажа с водой и насыщения напитка диоксидом углерода. Для измерения расхода используется расходомер PROline Promass 40E 19-1
.
2.2 Выбор датчиков
Массовый (кориолисовый) расходомер PROIine Promass 40 Е
Назначение:
Массовый (кориолисовый) расходомер PROIine Promass 40 Е применяется для технологического и коммерческого учета массового или объемного расхода, дозирования жидкостей, масел, красок, кислот и щелочей, густых растворов, пульп и различных газов в нефтехимической, химической, энергетической, пищевой, алкогольной и других отраслях промышленности как в автономном режиме, так и в системах автоматического управления, контроля, и регулирования технологическими процессами.
Принцип измерения:
Принцип измерения расхода основан на измерении силы Кориолиса, возникающей в трубах первичного преобразователя расхода в процессе протекания через них потока измеряемой среды, значение которой пропорционально массе и скорости потока. Результирующее воздействие колебаний на измерительную трубку вычисляется и обрабатывается измерительным преобразователем. Сбалансированность измерительной системы имеет решающее влияние на точность и надежность измерений и реализуется посредством генерации колебаний трубок в противофазе (подобно камертону).
Особенности и преимущества расходомера PROline Promass 40 Е :
- Результат измерения не зависит от свойств жидкости (в отличие от расходомеров других типов), таких как электропроводность, плотность, вязкость, температура;
- Межповерочный интервал 4 года.
- Стандартный токовый выход с HART-протоколом позволяет дистанционно производить настройку расходомера, считывание данных измерения и текущих настроек без прямого контакта с прибором;
- Компактное исполнение, требует минимум места для установки;
- Широкий выбор диаметров датчика и монтажных частей, большой диапазон измерения расхода и широкий динамический диапазон дают возможность выбрать оптимальный вариант расходомера для каждого конкретного применения;
Манометр абсолютного давления типа МПАК-15
Манометр предназначен для измерения и градуировки абсолютного и избыточного давления.
Технические характеристики:
Класс точности: 0,01.
Диапазон измерения, Па (мм.рт.ст.): 0…4х10^5(0…3000).
Пределы допускаемой основной погрешности в диапазоне:
- 0…2х10^4 Па (0…150 мм.рт.ст.) - ±
6,65 Па (±
0,05 мм.рт.ст. ).
- 2х10^4…1,33х10^5 Па (150…1000 мм.рт.ст.) - ±
13,8 Па (±
0,1 мм.рт.ст.)
- 1,33х10^5…4х10^5(1000…3000 мм.рт.ст.) - ±
0,01% от действительного значения измеряемого давления.
Порог чувствительности, Па (мм.рт.ст.): 2,7 (0,02).
Рабочая жидкость: масло приборное МВП ГОСТ 1805-75.
Температура окружающего воздуха, °С: от +15…+25
Относительная влажность воздуха ,%: до 80.
Потребляемая мощность, ВА: <2,5.
Габариты, мм: 390х265х600.
Масса, кг: 30.
Датчик уровня ультразвуковой ДУУ5
Назначение:
- Датчик уровня ультразвуковой ДУУ5 (далее "датчики") предназначен для измерения уровня и температуры чистых продуктов, а также других жидких неагрессивных жидкостей различных производств.
Технические данные:
- Максимальная длина чувствительного элемента (ЧЭ) датчика равна 4 м.
- Верхний неизмеряемый уровень не более (0,24+Нп-Нпогр), м, где Нп - высота поплавка, Нпогр – глубина погружения поплавка. Конкретное значение определяется геометрическими размерами поплавка и значением параметра "Зона нечувствительности от импульса возбуждения", задаваемого при регулировании;
- нижний неизмеряемый уровень не более (0,08+Нпогр), м;
- рабочее избыточное давление не более 2,0 МПа;
- температура среды от минус 45 до +65 °С;
- плотность среды от 540 до 1500 кг/м3
, не менее.
Вязкость не ограничивается при отсутствии застывания контролируемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на датчике, препятствующих перемещению поплавка.
Метрологические характеристики:
- Абсолютная основная погрешность измерения уровня для поплавков типа состовляет ±1 мм;
- Дополнительная погрешность измерения уровня вызывается изменением плотности жидкости в рабочем диапазоне температур. Ее величина определяется геометрическими размерами поплавка и разницей плотностей поплавка и продукта.
Диапазон измерения температуры: от минус 45 до +75 °С.
Абсолютная основная погрешность измерения температуры:
- в диапазоне температур от минус 45 до минус 10 °С не более ±2 °С;
- в диапазоне температур свыше минус 10 до +75 °С не более ±0,5 °С.
Надежность:
- Средняя наработка на отказ датчика с учетом технического обслуживания не менее 50000 ч;
- Срок службы датчика составляет 10 лет.
Конструктивные параметры:
- Габаритные размеры датчика не превышают 145х15х 130 мм;
- Масса датчика не более 3,6 кг.
Термопреобразователь ТХК- 0192
Измеряемые среды:
-
газообразные и жидкие, химически агрессивные и неагрессивные среды, не взаимодействующие с материалом термоэлектродов и не разрушающие материал защитной арматуры.
Диапазоны измерения: от -40…600 °С (Тном=450 °С).
Номинальные статические характеристики: по ГОСТ 8.585.
Основная погрешность измерения:
- ±
3,25 °С, при -40…300 °С;
- ±
0,0087Тсреды, при 300…600 °С.
Устойчивость к внешним воздействиям:
- по устойчивости к механическим воздействиям: вибропрочное группа №2 по ГОСТ 12997;
- по устойчивости в температуре и относительной влажности: С4 по ГОСТ 12997.
2.3 Выбор исполнительных механизмов
Регулирующие клапаны серии 240 и 250 с электрическими приводами типов 3274, SAM, AUMA
Проходные и трехходовые плунжерного типа для жидких и газообразных продуктов. Исполнения по стандартам DIN, ANSI, JIS. Условный проход от Ду 15 до Ду 500. Условное давление от Ру 16 до Ру 400. Соединение: фланцевое, под приварку. Характеристика: линейная, равнопроцентная. Температура среды: от -250 до +550°С. Материал: чугун, сталь.
2.4 Выбор контроллера
В данном проекте использован контроллер серии ТКМ52 фирмы Тэкон, в полной мере отвечающий критерию цена/надежность.
Один из самых дешевых по конфигурации из отечественных контроллеров – ТКМ52 обладает рядом неоспоримых преимуществ перед другими аналогами, такими как лёгкость программирования и возможность быстрого внесения изменений в готовый программный продукт; адаптация всей системы к внесенным изменениям; возможность развития системы; совместимость с предыдущими версиями; поддержка до 1000 точек ввода/вывода, сети DH-485, RS-232 (используя специальные модули, включаются в сети Remote I/O и DeviceNet, СontrolNet); гибкость при настройке модульной системы; объём памяти до 60К слов.
Контроллер ТКМ52 в модульном исполнении представляет собой шасси, блок питания, модуль процессора и набор модулей ввода/вывода для объекта, определяемый количеством входных и выходных сигналов. В состав модульных программируемых контроллеров серии ТКМ52 входит 12 модификаций процессоров, более 80 типов модулей ввода/вывода, специальные модули, 4 типоразмера шасси для установки модулей (4,7,10,13 мест).
Имеются 3 типа модулей ввода/вывода: входные, выходные и комбинированные, с числом каналов 4, 8, 16, 32. Модули могут быть аналоговые и дискретные.
Аналоговые модули ввода работают с постоянными напряжениями ±10 В и токами ±20 мА, сопротивлениями и термопарами. Модули дискретного ввода работают с переменными и постоянными напряжениями.
Модули аналогового вывода имеют выходы постоянного тока ±10 В и ±20 мА. Модули дискретного вывода содержат в своем составе полупроводниковые выходы постоянного и переменного тока, а также релейные выходы. Набор специальных модулей включает в себя модули программирования на BASIC, коммуникационные модули и т.д.
Процессор РСМ 4823L включает: набор инструкций обработки файлов данных для хранения и передачи информации; встроенную функцию PID; расчеты с плавающей запятой; возможность организации прерывания при ошибке для отработки аварийных программ и квитирования ошибок, с выдачей сообщения оператору о типе ошибки.
Рабочая температура контроллера: от 0 до плюс 60 °С (принудительное охлаждение не требуется), влажность: 5-95% (без конденсата).
2.5 Выбор
SCADA
– системы
TRACE MODE – это самая покупаемая в СНГ SCADA – система, предназначенная для разработки крупных распределенных АСУТП широкого назначения.
TRACE MODE основана на инновационных, не имеющих аналогов технологиях. Это первая SCADA – система, которая позволяет создавать распределенные АСУТП, включающие десятки АРМов и контроллеров, как единый проект TRACE MODE.
TRACE MODE, первая в истории интегрированная SCADA / HMI- и SOFTLOGIC- система, позволяющая создавать операторские станции и программировать контроллеры при помощи единого инструмента.
Быстрая фотореалистичная графика
Графика TRACE MODE 6 отличается высоким качеством. Она основана на технологиях, применяемых в профессиональных 3D-редакторах.
Объемные фигуры могут менять прозрачность, на них можно накладывать текстуры,
а также управлять расположением источника света. Оригинальная технология 3D Fast+ обеспечивает быструю загрузку мнемосхем в реальном времени.
Открытость
Взаимодействие TRACE MODE 6 с другими приложениями основано на мировых стандартах, что позволяет легко интегрировать ее модули в информац
ОРС, SQL/ODBC, DLL, ActiveX и т.д. Пользователь может сам написать компонент системы и встроить его как PLUG-IN. Программа имеет открытый коммуникационный интерфейс Т-СОМ, позволяющий любому желающему написать драйвер к контроллеру на языке СИ. Коммуникационный протокол M-LINK открыт.
Масштабируемость
Объектная структура и распределенная СУБД проекта позволяет легко масштабировать АСУ на базе TRACE MODE 6, Максимальное число переменных в проекте равно 4.000.000.000. Число узлов в проекте не ограничивается. Это дает возможность создавать системы масштаба корпорации. TRACE MODE 6 позволяет одинаково легко разрабатывать АСУ как в архитектуре "клиент-сервер", так и в архитектуре DCS.
Бесплатные драйверы
TRACE MODE 6 - одна из немногих SCADA-систем, в которой драйверы ввода/вывода поставляются бесплатно. Библиотека драйверов TRACE MODE позволяет подключаться к более чем 1600 контроллерам и платам ввода/вывода лучших мировых и российских производителей.
Поддержка ОРС
TRACE MODE 6 полностью поддерживает стандарт ОРС и поставляется со встроенным ОРС-сервером и ОРС-клиентом с сетевой поддержкой и на неограниченное число тегов.
Отказоустойчивость и резервирование
TRACE MODE 6 обладает одной из самых совершенных в мире систем обеспечения отказоустойчивости, позволяющей резервировать практически любой элемент системы. Причем делать это автоматически - без дополнительного программирования.В TRACE MODE 6 резервируются сигналы от контроллеров, ОРС- серверов, либо других источников данных, платы УСО, сетевые линии, IP-шлюзы, шины RS232/485, вычислительные алгоритмы на серверах , клиентские станции, СУБД РВ и т.д. TRACE MODE 6 обладает системой автоматического дублирования и троирования мониторов реального времени (серверов).
Промышленная база данных реального времени
TRACE MODE 6 располагает собственной СУБД РВ – SIAD6, спроектированной специально для работы в системах реального времени.
SIAD6 оптимизирован на быструю запись и чтение больших объемов информации, осуществляемые 24 часа в сутки. В SIAD6 можно записывать временные значения более миллиона параметров с точностью до 1 мс. SIAD6 способен записывать более 750.000 параметров в секунду (ПК Pentium 4, 2 ГГц), что в 10-100 раз быстрее большинства отраслевых аналогов. СУБД РВ SIAD6 обеспечивает динамическое сжатие-развертывание информации и разбиение данных на тома. Для обеспечения надежности хранения данных предусмотрено горячее резервирование серверов и функция автоматического восстановления поврежденных архивов. SIAD6 располагает мощной системой защиты от несанкционированного доступа.
Управление тревогами
Система управления тревогами обеспечивает автоматическое генерирование аналоговых (отклонение величины от заданной), цифровых (изменение состояния), составных (сочетание нескольких событий) и генерируемых пользователем алармов. Все алармы разбиваются по
приоритетам и записываются в отчет тревог. Возможно озвучивать тревоги, рассылать тревожные сообщения по e-mail. Функции просмотра отчета тревог встроены в любой монитор реального времени. В реальном времени пользователь может осуществлять группирование алармов, фильтрацию, маскирование и вывод на печать.
Встроенный сервер документирования
Сервер документирования TRACE MODE 6 позволяет создавать произвольные отчеты на основе пользовательских шаблонов и сценариев. Источником данных для отчетов могут быть МРВ, внешние СУБД, ОРС-серверы, либо другие приложения. Информация может быть представлена в текстовом, табличном виде, с трендами, графиками и диаграммами. Готовые
отчеты можно записывать в файл в формате HTML, выводить на принтер по команде оператора, событию или временному условию. Удобной функцией является возможность автоматической публикации отчетов на web-сервере в Internet или Intranet.
3 Синтез САР температуры колера
3.1 Выбор принципа управления
Проектируемая САР температуры колера имеет структуру, изображенную на рисунке 3, которая реализует принцип управления по отклонению. Данная система является замкнутой.
Алгоритм работы системы заключен в стремлении свести ошибку управления к нулю.
Рисунок 3 – Структурная схема САР
Принцип регулирования по отклонению. Регулируемый параметр YТ
(t) сравнивается с заданным значением YЗ
(t). На основании разности этих двух величин ε(t) = Yз
(t) – YT
(t) вырабатывается регулирующее воздействие поступающее на ИМ. На ОУ также действует и возмущающее воздействие Q(t).
Величина ε(t), называемая отклонением или ошибкой системы регулирования, не должна превышать определенного значения. Тогда между регулируемым параметром YT
(t) и ее заданным значением YЗ
(t) устанавливается вполне определенное соответствие, и, изменяя величину YЗ
(t), можно управлять регулируемым параметром YT
(t).
Для сравнения фактического значения регулируемого параметра с его заданным значением этот параметр подается с выхода объекта регулирования на вход регулятора (на элемент сравнения ЭС), в результате чего образуется замкнутый контур передачи воздействий. Регулируемый параметр через главную обратную связь подается на вход регулятора со знаком обратным по отношению к входному воздействию Yз
(t). Поэтому главная обратная связь считается отрицательной.
Достоинства:
- ООС приводит к уменьшению ошибки не зависимо от факторов ее
вызвавших (изменений параметров регулируемого объекта или внешних условий).
Недостатки:
- В системах с ОС возникает проблема устойчивости;
- В системах принципиально невозможно добиться абсолютной инвариантности к возмущениям. Стремление добиться частичной инвариантности приводит к усложнению системы и ухудшению устойчивости.
3.2 Построени
е математической модели ТОУ
Формальную модель объекта моделирования можно представить в виде множества величин, описывающих процесс функционирования реального объекта и образующих в общем случае следующие подмножества.
- совокупность входных воздействий на объект
- совокупность воздействий внешней среды
- совокупность внутренних (собственных) параметров объекта
- совокупность выходных характеристик объекта
Рисунок 4 – Структурная схема объекта
В этом курсовом проекте мы будем регулировать температуру колера, изменяя температуру пара подаваемого в колеровочный аппарат.
Регулируемый объект представляет собой колеровочный аппарат КА-1.
Регулируемой величиной (выходной) y
1
здесь является температура колера.
Регулирующей величиной (управлением) g1
здесь является температура пара подаваемого в колеровочный аппарат.
Возмущающим воздействием ν1
– температура окружающей среды.
3.3 Построение переходной функции объекта управления
Опыт, накопленный при проектировании систем управления, свидетельствует о том, что нельзя построить математическую модель, адекватную реальной системе только на основе теоретических исследований физических процессов в системе. Поэтому одновременно с теоретическими исследованиями проводятся эксперименты по определению и уточнению математической модели системы (идентификации).
Таблица 1 -Экспериментальные данные для построения переходной функции
| t, мин. |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
| T, ºС |
180 |
180 |
180 |
180 |
180 |
180 |
184,2 |
187,8 |
190,3 |
| T, ºС |
300 |
325 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
| 9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
| 192,2 |
193,9 |
195,1 |
196,2 |
197,2 |
198,1 |
198,9 |
199,7 |
200,3 |
201,3 |
| 350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
| 19 |
20 |
| 201,7 |
202 |
| 350 |
350 |
Для рассматриваемого объекта получена переходная характеристика, изображенная на рисунке 5.
Рисунок 5 – Переходная функция объекта регулирования
Объект регулирования идентифицируем с помощью графоаналитического метода как апериодическое звено первого порядка с запаздыванием, переходная характеристика которого описывается выражением:
| . |
(3.1) |
Общий вид передаточной функции будет иметь следующий вид:
|
|
(3.2) |
где Коу
- коэффициент усиления объекта регулирования;
Тоб
- постоянная времени объекта;
t
об
- время запаздывания объекта.
Выше приведенные параметры являются динамическими параметрами объекта регулирования и определяются графически по виду переходной функции (рисунок 5). Постоянная времени объекта ТОБ
представляет собой временной отрезок от точки пересечения касательной, проведенной к переходной характеристике с линией установившегося значения параметра. По графику, приведенному на рисунке 5, определяем, что ТОБ
= 5,4мин., tоб
= 5мин.
Для динамического объекта коэффициент усиления может быть непосредственно найден из графика переходной функции:
|
|
(3.3) |
где Туст.
- установившаяся температура колера;
Тнач.
- начальная температура колера;
Туст.
- установившаяся температура пара;
Тнач.
- начальная температура пара.
Тогда:
В результате, передаточная функция объекта регулирования примет следующий вид:
|
|
(3.4) |
3.4 Выбор закона регулирования
Закон регулирования – это математическая зависимость, с помощью которого определяется регулирующее воздействие по сигналу рассогласования. Для оценки качества регулирования выбранной структуры АСР необходимо рассмотреть все законы регулирования. Затем, произведя анализ качества регулирования с применением того или иного закона регулирования, определить какой из них является наиболее приемлемым для данного ТОУ.
На динамику регулирования наибольшее влияние оказывает величина отношения запаздывания к постоянной времени объекта Эффективность компенсации ступенчатого возмущения регулятором достаточно точно может характеризоваться величиной динамического коэффициента регулирования , а быстродействие – величиной времени регулирования. Регулятор в зависимости от сигнала рассогласования e=хзад
-х вырабатывает по определенному закону регулирующее воздействие m для приведения регулируемой величины х к заданному значению хзад .
Задачей системы автоматического регулирования является поддержание температуры колера постоянной — в соответствии с технологическими требованиями. Технология предполагает поддержание температуры колера на уровне 202 ºС.
Заданную точность регулирования можно реализовать при помощи ПИ или ПИД законов регулирования.
3.5 Расчет оптимальных настроечных параметров
Расчет системы автоматического регулирования состоит в нахождении оптимальных настроек регулятора, т.е. таких параметров ПИ, ПИД-закона регулирования, при которых в работе замкнутой системы обеспечивается заданный запас устойчивости и определенные показатели качества регулирования не хуже требуемых или имеют экстремальные значения.
Найдем настроечные коэффициенты для ПИ – регулятора:
(3.5)
Кр
=1,5.
Tu
=0,6*Т (3.6)
Tu
=3,24.
Найдем настроечные коэффициенты для ПИД – регулятора:
|
|
(3.7) |
Кр
=2,4.
| Tи
|
(3.8) |
| Ти
|
Тр
=0,4τ (3.9)
Тр
= 2.
3.6
Оценка устойчивости разомкнутой САР с ПИ-
регулятором
В простейшем случае понятие устойчивости системы связано со способностью ее возвращаться (с определенной точностью) в состояние равновесия после исчезновения внешних сил, которые вывели ее из этого состояния.
Если система неустойчива, то она не возвращается в состояние равновесия, из которого ее вывели, а либо удаляется от него, либо совершает вокруг него недопустимо большие колебания.
Частотные критерии устойчивости позволяют судить об устойчивости систем автоматического управления по виду их частотных характеристик. Эти критерии являются графоаналитическими и получили широкое распространение, так как позволяют сравнительно легко исследовать устойчивость систем высокого порядка, а также имеют простую геометрическую интерпретацию и наглядность.
Затем необходимо определить является ли система устойчивой. Для этого найдем частотные характеристики разомкнутой системы в MathCAD.
График АФЧХ замкнутой системы с ПИ- регулятором изображен на рисунке 6.
Рисунок 6– График АФЧХ разомкнутой системы с ПИ- регулятором
Далее анализируется устойчивость по амплитуде: рассматривается запас между (-1) и единичной окружностью. Для устойчивости замкнутой САУ необходимо и достаточно, чтобы годограф разомкнутой системы при изменении ω
от 0 до ∞ не охватывал точку (-1, i
0). В данном случае система является устойчивой. Также по данному графику после некоторых преобразований можно определить запас устойчивости по амплитуде А и запас устойчивости по фазе Θ (в соответствие с рисунком 7). Для определения запаса устойчивости системы по амплитуде, на годографе рассматривается расстояние между точкой (-1, i
0) и точкой, в которой годограф пересекает ось с действительными числами Re.
При определении запаса устойчивости системы по фазе, на годографе откладывается окружность единичным радиусом. К точке пересечения окружности и годографа проводится вектор. Угол наклона вектора к оси является запасом по фазе.
Рисунок 7 – Определение запаса устойчивости по амплитуде и по фазе для ПИ – регулятора
Из рисунка 7 определим, что А=1/U= 10, Θ =115°
3.7
Оценка устойчивости разомкнутой САР с ПИД-регулятором
График АФЧХ замкнутой системы с ПИД- регулятором изображен на рисунке 8.
Рисунок 8 – График АФЧХ разомкнутой системы с ПИД- регулятором
Рисунок 9 – Определение запаса устойчивости по амплитуде и по фазе для ПИД - регулятора
Из рисунка 9 определим, что А=1/U= 12,5, Θ =135°.
3.8 Расчет показателей
качества управления замкнутой
САР с ПИ-регулятором
Рисунок 10 - График переходного процесса с ПИ-регулятором
Из графиков переходных процессов определяются следующие характеристики.
Перерегулирование d - максимальное отклонение регулируемой величины от ее установившегося значения, выраженное в процентах:
(3.10)
Для системы с ПИ-регулятором: d = 24%.
Время регулирования tpег
- время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонения регулируемой величины от ее установившегося значения будут меньше наперед заданного значения ошибки (±5% от хуст
).
Для системы с ПИ-регулятором tрег
= 25,5мин.
Степенью затухания ψ называется отношение разности приращений относительно установившегося значения двух соседних однонаправленных амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них, ψ определяется по формуле:
(3.11)
tрег
= 25,5 мин., перерегулирования σ = 24 %,
степень затухания ψ=0,8.
3.9 Расчет показателей качества управления замкнутой САР с
ПИД-регулятором
Из графика переходного процесса замкнутой САР с ПИД-регулятором (рисунок 11) определяем:
Рисунок 11 - График переходного процесса с ПИД-регулятором
- Перерегулирование:
(3.12)
Для системы с ПИД-регулятором: d = 19,5%.
- Время регулирования tрег
= 22,8 мин.
- Степень затухания:
(3.13)
tрег
= 22,8 мин., перерегулирование σ = 19,5 %,
степень затухания ψ=0,85.
| Регулятор |
tрег
(время регули- рования) |
σ (перерегулирование) |
Ψ (степень затухания) |
| ПИ |
25,5 |
24 |
0,8 |
| ПИД |
22,8 |
19,5 |
0,85 |
Проанализируя полученные данные, выберем замкнутую САР с ПИД-регулятором.
Заключение
Система разработана на базе контроллера ТКМ 52 фирмы Тэкон с использованием современных датчиков и преобразователей нижнего уровня для обеспечения более надежного и качественного управление технологическим процессом производства безалкогольных напитков.
Система автоматического регулирования температуры колера обеспечит хорошую работу запорной и регулирующей аппаратуры, что позволит осуществить оптимальное и надежное управление процессом.
Программное обеспечение АРМ оператора создано с помощью SCADA - системы TRACE MODE.
Рассмотрена структура системы управления – дается описание уровней, их функций и технические решения для каждого из них.
В расчетной части проведен анализ объекта управления, исследованы его динамические характеристики. Определены следующие величины: коэффициент усиления 0,44, время запаздывания 5 мин., время объекта 5,4 мин. Выбран ПИД – регулятор и рассчитаны его оптимальные настроечные параметры.
Проведен анализ устойчивости замкнутой системы, а также определены основные показатели качества: время регулирования 22,8 мин., перерегулирование 19,5 %, запас устойчивости по фазе Θ =135°, а по амплитуде А = 12,5.
Использование общего контроля за технологическим процессом, свело фактически на нет возможность нанесение обслуживающему персоналу каких-либо травм, увеличило экологичность производства газированных напитков.
Список используемых источников
1 Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности,
Учебное пособие / Под ред. Е.Б. Карпина. – М: Пищевая промышлность
1977г.
2 Автоматизация технологических процессов пищевой промышленности.
Учебное пособие / Под ред. Е.Б. Карпина. – М: Агропромиздат.,1985г.
3 Автоматическое управление технологическими процессами аппаратного
производства пищевой промышленности. Учебное пособие / Суворкина
А.Ф., Кривоносов А.И. – М: ВЗИПП, 1980г.