УчебникАСЭУ
.pdfАВТОМАТИЗАЦИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Учебное пособие
ВВЕДЕНИЕ
Принятые сокращения
РАЗДЕЛ I
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ
Глава первая.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
1.1.Свойства системы регулирования
1.2.Дифференциальное уравнение звена системы регулирования
1.3.Дифференциальные уравнения объекта регулирования
1.4.Дифференциальное уравнение типового звена системы регулирования
1.5.Использование преобразования Лапласа
1.6.Дифференциальное уравнение системы регулирования
Глава вторая.
РЕШЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
2.1.Понятие о передаточной и частичной функциях
2.2.Решение уравнения системы по корням характеристического уравнения
2.3.Использование передаточных функций для анализа систем регулирования
2.4.Классификация типовых звеньев
Глава третья.
АНАЛИЗ СИСТЕМ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
3.1.Понятие об устойчивости линейных систем
3.2.Анализ на устойчивость по корням характеристического уравнения
3.3.Алгебраические критерии устойчивости
3.4.Частотные критерии устойчивости
Глава четвертая.
ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
4.1.Способы реализации законов регулирования
4.2.Пропорциональный закон регулирования
4.3.Интегральный закон регулирования
4.4.Пропорционально-интегральный закон регулирования
4.5.Пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование
4.6.Реализация законов регулирования
Глава пятая.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА РЕГУЛИРОВАНИЯ
5.1.Критерии оценки качества процесса регулирования
5.2.Косвенные оценки качества процесса регулирования
Глава шестая.
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ НАСТРОЙКИ НА ПРОЦЕСС РЕГУЛИРОВАНИЯ
6.1.Общие положения настройки систем регулирования
6.2.Настройка переходных процессов замкнутых систем регулирования
РАЗДЕЛ II
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПАРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Глава седьмая.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ГЛАВНЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
7.1.Регулирование питания котлов водой
7.2.Регулирование процесса горения топлива
7.3.Динамика парового котла с естественной циркуляцией
Глава восьмая.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ И УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
8.1.Особенности автоматизации
8.2.Автоматизация вспомогательных котлов
8.3.Динамика утилизационных котлов
8.4.Автоматизация утилизационных котлов
8.5.Совместная работа утилизационного и вспомогательного котлов
8.6.Автоматизация процессов управления и контроля с использованием ЭВМ и микропроцессорной техники
Глава девятая.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
9.1.Задачи автоматизации
9.2.Регулирование частоты вращения вала
9.3.Регулирование параметров систем, обсуживающих турбогенератор
9.4.Регулирование параметров турбогенераторов
9.5.Автоматические системы защиты
РАЗДЕЛ III
АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Глава десятая.
СУДОВЫЕ ДВС КАК ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ
10.1.Статические характеристики главных ДВС
10.2.Дифференциальное уравнение двигателя как объекта регулирования
10.3.Основные схемы автоматизации СДВС
10.4.Дифференциальное уравнение двигателя как объекта регулирования скорости
10.5.Дифференциальные уравнения систем охлаждения судового двигателя
10.6.Дифференциальное уравнение динамики системы смазки
Глава одиннадцатая.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВС
11.1.Регуляторы прямого и непрямого действия
11.2.Устройство и принцип действия типовых регуляторов скорости
Глава двенадцатая.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ 12.1. Регулирование опреснительной установки 12.2. Регулирование температурного режима теплообменников
РАЗДЕЛ IV
ОСОБЕННОСТИ РЕМОНТА ОБОРУДОВАНИЯ СЭУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава тринадцатая.
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ РЕМОНТА ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
13.1.Основные направления автоматизации технологических процессов ремонта
13.2.Схема автоматизации производственного процесса
13.3.Связь технологической системы со средствами автоматизации
13.4.Уровни автоматизации технологических систем
13.5.Гибкость технологической системы
13.6.Особенности моделирования технологического процесса ремонта
13.7.Построение математических моделей технологического процесса
Глава четырнадцатая.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
14.1.Системы автоматического контроля
14.2.Системы автоматического управления технологическим оборудованием
14.3.Системы программного управления оборудованием
14.4.Структурная схема микропроцессорной системы управления ТП
14.5.Роботизация как высшая форма автоматизации
14.6.Классификация и функции промышленных роботов
14.7.Система управления роботами
14.8.Целевые механизмы промышленных манипуляторов
14.9.Формирование и анализ динамических свойств роботизированной системы
14.10.Типы автоматических линий
Глава пятнадцатая.
ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ
15.1.Классификация приспособлений
15.2.Установочные и зажимные элементы
15.3.Приводы и усилители для приспособлений
15.4.Автоматизация отдельных операций технологического процесса
Приложение № 1 Приложение № 2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Развитие водного транспорта должно обеспечить судовладельцев высокоэффективными судовыми энергетическими установками, отвечающими требованиям наибольшей экономичности, эффективности их параметров, соблюдения норм экологической безопасности, а также улучшения условий труда для экипажа и соблюдения санитарно-технических норм работы судового технологического оборудования. Одним из основных направлений,
обеспечивающих решение этих задач, становится применение на базе комплексной автоматизации технологических процессов интегрированных систем управления судном и, в частности, судовой энергетической установки.
За последние годы, как в отечественной, так и зарубежной практике появилось значительное количество судов с высокой степенью автоматизации, системы управления которых существенно отличаются от ранее существовавших по своим конструктивным решениям. Совершенствование водного транспорта определяет необходимость подготовки специалистов, способных проектировать и осуществлять эксплуатацию современных СЭУ (перечень сокращений приведен в Приложении № 1).
Наличие новых средств автоматизации на судне и необходимость их оперативного восстановления в судовых условиях требует знания методик обнаружения и устранения неисправностей и наличия соответствующего оборудования. В учебной литературе изложение эксплуатационных свойств средств автоматизации рассматривается раздельно, что не способствует подготовке специалиста, способного оценивать функциональные особенности работы элементов автоматизированных СЭУ во взаимосвязи.
Средства автоматизации судовой энергетики сложны, комплектующие их регуляторы и контролирующие устройства подвержены в условиях эксплуатации выходам из строя. Нормальная работа АСУ также зависит от технического состояния объектов регулирования (двигателей, котлов, и других агрегатов СЭУ) , поддержание которых в режиме наибольшей эффективности
возможно только при осуществлении периодических восстановительных и ремонтных операций.
Основные положения, на которые опираются все процессы автоматизации заложены в современной теории автоматического регулирования, как начало теории управления, — составной части науки
кибернетики.
Наибольшие достижения получены в технической кибернетике, где установлены теоретические закономерности, описывающие действие сложных динамических систем управления технологическими и производственными
процессами.
Развитие кибернетики как науки и ее составляющих: автоматического
управления и регулирования идет с одной стороны во взаимодействии с
создаваемыми новыми конструкциями агрегатов и установок при одновременном совершенствовании традиционных устройств автоматизации, с
другой стороны на базе принципиально новой элементной базы, вариантных схемных решений и способов их настройки.
Проектирование и эксплуатация систем автоматического управления и регулирования строятся на двух принципах. Первый основан на анализе принимаемой применительно к данному объекту регулирования структурной схемы и установлению расчетом или моделированием ее параметров настройки. Второй строится по методу синтеза и позволяет на основе заданных
требований к системе получить наиболее приемлемую структуру и параметры.
Современная тенденция применения средств автоматизации судовой энергетики направлена на разработку и оснащение СА программного,
самонастраивающегося, оптимального управления элементов СЭУ, решение задач контроля, регистрации; диагностирования технического состояния;
защиты оборудования от аварий; борьбы за живучесть; вычисления непосредственно не измеряемых параметров; мониторный способ представления информации; оптимизацию работы СЭУ. При этом
используются микропроцессорная техника, развитая периферия,
многофункциональные панели управления (суда типов "Академик Н. Вавилов", "И.Эренбург", "Пассаж" и другие).
Средства автоматизации в современном представлении содержат большой комплекс связанных систем, обеспечивающих автоматическое управление и регулирование операциями и процессами, защиту оборудования от отказов, повреждений и аварий, сбор, обработку систематизацию и регистрацию информации о параметрическом и технологическом состоянии оборудования, логическое управление всеми эксплуатационными операциями с соблюдением заданных алгоритмов управления; поддержания на оптимальном режиме работы всех элементов энергоустановки; уменьшение числа обслуживающего персонала при высокой надежности функционирования.
Система регулирования независимо от технологического процесса, в
котором она используется, состоит из объекта регулирования и регулятора .
Изменение внешних возмущающих и управляющих воздействий поступающих, на входе в объект вызывает отклонение регулируемых параметров. Система регулирования обеспечивает такой закон регулирования,
при котором регулируемые параметры соответствовали значениям,
определенным нормативно-технической документации: правилам классификационных обществ, техническим регламентам, государственным стандартам, конструкторской документации. На конечный достигаемый результат оказывают также влияние случайные процессы, вызванные трением,
помехами. Это требует от системы реализации такого закона регулирования,
при котором влияние этих процессов будет минимальным.
Решение этих задач стоится на теоретических положениях, позволяющих проанализировать устойчивость и качество работы как линейных так и нелинейных систем регулирования.
В значительной степени из-за сложности расчетов, отсутствия аппаратных средств расчета, при исследовании АСУ допускались и допускаются упрощения. Эти упрощения связаны с пренебрежением
некоторыми нелинейностями и приводят к приближенной оценке параметров системы, что, впрочем, допустимо на начальных этапах проектирования.
Расчет непрерывных линейных, дискретных и дискретно-непрерывных систем основывается на частотных методах и операционном исчислении.
Синтез систем регулирования, структурная схема и требования, к которым заданы, сводятся к определению ее параметров. Существующие в настоящее время методы позволяют решить задачу выбора параметров как для линейных,
так и для нелинейных систем. В судовой энергетике метод частотных характеристик применяется долгие годы. Однако, только относительно недавно появились соответствующая аппаратура и методика обработки данных, которые используют возможности современных ЭВМ.
Определение настроечных параметров значительно проще производить по переходной функции, полученной экспериментальным путем и обработка которой не представляет затруднений.
Однако системы автоматического регулирования СЭУ — это сложные системы. Объект регулирования для некоторых явлений нелинейным и характеризуется распределенными параметрами. Нестационарный режим из-за непреднамеренных и случайных возмущений, действующих по многим каналам
— обычное состояние объекта. Поэтому для проектирования системы регулирования математическое описание объекта и возмущений принципиально не может быть полным, и представляется в виде приближенного. Это говорит о невозможности спроектировать систему,
которая будет функционировать по заданному закону и с необходимыми критериями количества после включения ее в работу. Для создания работоспособных систем наиболее оправданными следует признать расчетно-
экспериментальную методику, предусматривающую корректировку исходных и проектным данных на основе специальных экспериментов. Создание системы автоматики складывается из трех составляющих: разработка, наладка и эксплуатация.
Краеугольным камнем при разработке САР является детальное знание статических характеристик объекта регулирования. При разработке, для получения характеристик объекта регулирования и управляющей системы,
необходимых для решения задач синтеза САУ, следует провести экспериментальное исследование. Такой же эксперимент необходим на стадии наладки, для отработки наладочных процедур и обучения персонала методам наладки. При эксплуатации такой эксперимент требуется для подналадки автоматики по мере износа и старения ее элементов и изменения условий эксплуатации работающего оборудования. Такой подход имеет место как для
энергетических та и ремонтно-технологических процессов.
Экспериментальные исследования проводятся на действующем оборудовании или моделях. Сложные современные схемы автоматики
затрудняют использования традиционных методов и становятся
неэффективными и затруднительными.
Натурные эксперименты требуют больших материальных затрат,
характеризуются сложностью и эксплуатационными ограничениями.
Моделирование связано с необходимостью получения соответствующих исходных данных, что также затрудняет его осуществление. Наиболее эффективным при отработке автоматизированных систем является разработка композиционных моделей, в состав которых входят компоненты,
различающиеся по виду моделирования (натурное, физическое, аналоговое или вычислительное). Использование таких моделей позволяет создать различные типы экспериментальных установок, расширяющих область применения и объем проводимых экспериментов с системой автоматического регулирования как при ее разработке, так и эксплуатации.
При разработке системы регулирования для соответствующего объекта на основе требуемых его эксплуатацией допущений составляют математическую модель системы и формирует ее структурную схему. Методика расчета модели
(линейна, нелинейная) позволяет определить параметры системы
регулирования, в соответствии с которыми будет обеспечена ее устойчивость и требуемое количество технологического процесса.
Доводка параметров регулятора и настройка на оптимальный режим осуществляется в натурных условиях при изменении внешних воздействий
(нагрузочных и управляющих) на объекты регулирования.
Применительно к энергетическому и технологическому оборудованию обеспечение наиболее эффективных или оптимальных законов регулирования достигается включением в схемы автоматизации элементов вычислительной техники. Это позволяет создать экстремальные и самонастраивающиеся системы.
Приложение № 1
Список принятых сокращений
АПС — аварийно предупредительная сигнализация. АП — агрегатированный приспособления.
АР — автоматический регулятор.
АСР — автоматическая система регулирования. АСУ — автоматизированная система управления. АФХ— амплитудно-фазовая характеристика. АЦП— аналого-цифровой преобразователь. АЧХ — амплитудно-частотная характеристика.
АУУ — автоматическое управляющее устройство. БЗК — быстрозапорный клапан.
БИС — блок исполнительной системы. БСУ — блок сравнения и усиления. ВК — вспомогательный котел.
ВНР — всережимный регулятор.
ВПЭУ — вспомогательная пароэнергетическая установка. ВРШ — винт регулируемого шага.
ВФШ — винт фиксируемого шага. ГД — главный двигатель.
ГТД — газотурбинный двигатель. ГОС — гибкая обратная связь.
ГПМ — гибкий производственный модуль. ГТЗА — главный турбозубчатый агрегат. ДГ — дизель-генератор.
ДОС — датчик обратной связи. ЖОС — жесткая обратная связь. ЗШ — задатчик шага.
ЗУ — запоминающее устройство. ЗЭ — задающий элемент.
И — измеритель. ИЗ — изодром.
ИМ — исполнительный механизм. ИО — исполнительный орган.
КУ — котельная установка.
ЛАЧХ — логарифмическая амплитудно-частотная характеристика. ЛСУ — локальная система управления.
М — манипулятор.
МО — машинное отделение. МП — микропроцессор.
МПК — микропроцессорный комплекс. МПУ — местный пульт управления. ОРН — однорежимный регулятор.
ОР — объект регулирования.