Информационные технологии и автоматизация в металлургии. Лабораторный практикум
.pdf
№ 2213 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра компьютерных информационных и управляющих систем автоматики
А.А. Бекаревич Ю.Д. Миткевич
Информационные технологии и автоматизация в металлургии
Лабораторный практикум
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета
Москва 2012
УДК 004.9(075.8) Б42
Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, проф. Е.А. Калашников
Бекаревич, А.А., Миткевич, Ю.Д.
Б42 Информационные технологии и автоматизация в металлур- гии : лабораторный практикум / А.А. Бекаревич, Ю.Д. Митке- вич – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 71 с.
Цель данного пособия – ознакомить студентов с современными инфор- мационными технологиями и автоматизацией в металлургии, в том числе приобрести практические навыки в использовании приборов и оборудования для автоматизации технологических процессов в металлургии, а также нахо- дить и перерабатывать информацию о технологическом процессе.
Лабораторный практикум включает 4 (четыре) лабораторные работы, ох- ватывающие все разделы учебного курса и содержат цель работы, теоретиче- скую часть, описание лабораторного стенда, порядок проведения работы, требования к отчету и контрольные вопросы.
Данный лабораторный практикум предназначен для бакалавров специ- альности 150102 «Металлургия цветных металлов» и магистров специально- сти 150400 «Металлургия». Кроме того, может быть рекомендован для спе- циалистов, проходящих переподготовку по данной специальности с целью повышения квалификации.
УДК 004.9(075.8)
♥ А.А. Бекаревич, Ю.Д. Миткевич, 2012
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.................................................................................................... |
4 |
Лабораторная работа №1. Получение первичной информации |
|
о технологическом процессе с помощью контактных |
|
средств измерения температуры ......................................................... |
5 |
Лабораторная работа №2. Получение первичной информации |
|
о технологическом процессе с помощью бесконтактных |
|
средств измерения температуры ....................................................... |
13 |
Лабораторная работа №3. Получение первичной информации |
|
о технологическом процессе с помощью технических |
|
средств измерения давления и расхода ............................................ |
35 |
Лабораторная работа №4. Исполнительные устройства................. |
59 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее пособие призвано помочь приобрести новые знания в области информационных технологий и автоматизации в металлур- гии, в том числе приобрести практические навыки в использовании приборов и оборудования для автоматизации технологических про- цессов в металлургии, а также находить и перерабатывать информа- цию о технологическом процессе в процессе подготовки квалифици- рованных кадров в области информатизации и автоматизации метал- лургических предприятий.
4
Лабораторная работа №1 ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ
ОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
СПОМОЩЬЮ КОНТАКТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
1.1. Цель работы
Ознакомится с устройством и приобрести практические навыки получения информации о технологическом процессе с помощью ти- повых технических средств автоматики контроля температуры кон- тролируемой среды контактным способом.
1.2.Теоретическая часть
Вавтоматизации металлургических процессов информация есть содержание сигнала, сообщения, полученного автоматической сис- темой об объекте управления.
Сбор – это получение максимально выверенной исходной инфор- мации, является одним из самых ответственных этапов в работе с информацией, поскольку от цели сбора и методов последующей об- работки полностью зависит конечный результат работы всей инфор- мационной системы.
Технология сбора – это использование определенных методов сбора информации и технических средств, выбираемых в зависимо- сти от вида информации и применяемых методов ее сбора. На за- ключительном этапе сбора, когда информация преобразуется в дан- ные, осуществляется ее ввод в систему.
Данные – это информация, представленная в формализованном виде, пригодном для машинной (компьютерной) обработки
Для различных этапов сбора технологической информации,
обычно применяются такие средства, как датчики температуры, дав- ления, расхода и др., относящиеся к средствам 1-го уровня иерархи- ческой структуры технических средств ГСП (рис. 1.1).
Наряду с датчиками, средства 1-го уровня включают в себя так же исполнительные устройства. Средства 2-го и 3-го уровней выполня- ют функции программного управления, стабилизации режимов рабо- ты ТОУ и выхода на режим, включая ручное управление и про- граммно-логическое. Задачи исследования ТОУ и оптимизации про- цесса управления решаются средствами 4-го уровня. С помощью
5
этих же средств выполняются и функции представления информации и сервисные функции.
Рис. 1.1. Иерархическая структура технических средств ГСП
Датчики измерения температуры контактным способом или термоэлектрические термометры – это термопары, снабженные за- щитной арматурой. Принцип действия термопары основан на воз- никновении термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в зависимости от температуры концов (спаев) термопары. Замкнутая электрическая цепь (рис. 1.2), состоящая из двух разнородных термоэлектродов «А» и «В», образует термопару, у которой спай с температурой t называ- ется горячим или рабочим, а спай с температурой t0 – холодным или свободным.
6
Рис. 1.2. Термопара
Суммарная электродвижущая сила в замкнутой цепи термопары выражается уравнением
EAB (t, t0 ) = eAB (t) − eAB (t0 ) ,
где EAB (t, t0 ) – суммарная ТЭДС термопары;
eAB (t) , eAB (t0 ) – потенциалы, возникающие местах соприкосно- вения термоэлектродов «AB».
Поддерживая температуру одного из спаев постоянной, имеем:
EAB (t, t0 ) = f (t) .
Таким образом, измерение неизвестной температуры сводится к определению ТЭДС термопары при этой температуре с помощью измерительного прибора.
При введении в цепь термопары третьего проводника «С» (рис. 1.3), концы которого имеют одинаковые температуры, ТЭДС термопары не изменяется (то же относится и к нескольким провод- никам). Потому включение в цепь термопары соединительных про- водов, измерительных приборов и подгоночных сопротивлений не отражается на величине ТЭДС самой термопары.
7
Рис. 1.3. Цепь термопары с введенным третьим электродом
Термопары, как правило, градуируются при температуре холодно- го спая t0 = 0 °C. В действительности же температура холодных спаев термопары обычно отличается от 0 °C, поэтому для нахождения дей- ствительной температуры вводят поправку по уравнению:
|
|
E (t, t |
0 |
) = E (t, t′ |
) ± E (t′, t |
0 |
) , |
|
|
|
AB |
AB |
0 |
AB |
|
||
где EAB(t, t0) – ТЭДС при температурах рабочего t и холодного |
||||||||
t0 = 0 °C спаев; |
|
|
|
|
|
|
||
E |
AB |
(t, t′ ) – ТЭДС при температурах рабочего t и холодного t′ |
||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
0 |
|
спаев;
EAB (t′, t0 ) – ТЭДС, развиваемая термопарой при температуре
рабочего спая t′ |
и свободного t0 = 0 °C. |
|
|
|||
|
|
0 |
|
|
|
|
Знак «+» относится к случаю, когда t′ |
> t |
0 |
, а минус – к случаю |
|||
t′ < t |
|
|
0 |
|
|
|
0 |
. |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
На рис. 1.4 показана конструкция термоэлектрического термомет- ра в собранном виде: 1, 2 – электроды (нагреваемые концы термопа- ра скручиваются, а затем свариваются); 3 – электроизоляционные трубки; 4 – защитный чехол; 5 – соединительная колодка; 6 – прово- да к измерительному прибору.
Термоэлектроды термопары изготавливаются из различных мате- риалов, к которым предъявляются следующие требования:
а) постоянство термоэлектродных свойств материала во времени; б) высокое значение развиваемой ТЭДС; в) высокая жаростойкость;
8
г) высокая электропроводность; д) возможность воспроизводимости сплавов одинакового состава.
Наибольшую ТЭДС при одинаковых температурах развивает хромель-копелевая термопара ТХК, которая более удобна для изме- рения температур до 600 °С.
Для удобства применения термопары изготавливают в соответст- вующей армировке, чтобы электрически изолировать термоэлектро- ды и защитить их от воздействия измеряемой среды.
Рис. 1.4. Конструкция термопары
Для защиты термоэлектродов при температуре до 1000 °С изоли- рованные термоэлектроды помещают в защитный чехол из обычной (углеродистой) стали или нержавеющей. При температурах до 1300 °С применяют фарфоровые защитные чехлы. При более высо- ких температурах используют металлокерамические газонепрони- цаемые защитные чехлы из диборида циркония (до 1800 °С), диси- лицида молибдена (до 1700 °С), диборида циркония с молибденом (до 2000 °С). При измерении высоких температур применяются не- стандартные термопары. Наиболее перспективные из них: вольфрам- молибденовая термопара ВМ до 2000 °С в восстановительной среде; вольфрам-рениевые ВР до 2300 °С в инертной среде и другие.
Свободные концы термопары располагается в головке термоэлек- трического термометра, температура которой бывает часто достаточ-
9
но высокой и, главное, не остается постоянной, а изменяет свою ве- личину в зависимости от условий теплообмена с окружающей сре- дой. Поэтому соединение термопары с вторичными приборами, на- ходящимися на некотором расстоянии в зоне более низкой и посто- янной температуры, осуществляется с помощью компенсационных проводов, изготовленных из сплавов, развивающих в пределах до 100 °С ТЭДС, равную ТЭДС термопары. В этом случае при измене- нии температуры холодного спая термопары результирующая ТЭДС термопары не изменяется.
1.3. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд для выполнения работы (рис. 1.5) состоит из ВК1 – выключатель, предназначен для включения/отключения лабо- раторного стенда к напряжению сети ~220В; ВК2 – выключатель, предназначен для включения/отключения нагревательного элемента печи к напряжению сети ~220В; НП1 – нагревательная печь; А1 – амперметр, предназначен для измерения силы тока в цепи питания нагревательной печи; V1 – вольтметр, предназначен для измерения напряжения в цепи питания нагревательной печи; ТПР1 – управ- ляющее твердотельное реле; ТП1 – термопара для измерения темпе- ратуры в печи в зоне №1; ТП2 – термопара для измерения темпера- туры в печи в зоне №2; R1 – компенсационное сопротивление №1, предназначено для компенсации сопротивления в подводящих про- водниках термопары ТП1; R2- компенсационное сопротивление №2, предназначено для компенсации сопротивления в подводящих про- водниках термопары ТП2; К1 – двух позиционное коммутирующее устройство, представляет собой , предназначено для поочередной коммутации термопар ТП1 и ТП2 с микроконтроллером ОВЕН ТРМ-151; БП1 – блок питания, предназначен для создания управ- ляющего напряжения 24 В в цепи управляющего твердотельного ре- ле ТПР1; МР1 – микропроцессорный регулятор ОВЕН ТРМ-151 с УОИ (устройством отображения информации), предназначен для контроля, регулирования и отображения на ЖК дисплее технологи- ческого параметра – температуры в нагревательной печи.
10