Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические средства систем автоматизации теплоэнергетических процессов. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
Кафедра «Управления и системного анализа теплоэнергетических
и социотехнических комплексов»
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
УНИВЕРСИТЕТ»
В.Е. СЕРЕНКОВ
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2017
1
2
Издается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 681.51
Серенков В.Е.
Технические средства систем автоматизации теплоэнергетических
процессов [Электронный ресурс]: учеб. пособие / В.Е. Серенков. – 2-е изд. –
Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2017. – 1 электрон. опт. диск.
ISBN 978-5-7964-2008-9
Рассматриваются основные подходы к выбору технических средств авто-
матизации при проектировании современных систем управления на базе микроконтроллерной техники. Наряду с теоретическими разделами в пособии подробно представлены технические средства автоматизации как отечественных,
так и зарубежных производителей. Материал для изучения изложен в определенной последовательности и позволяет самостоятельно освоить процедуру целенаправленного решения поставленной задачи в области автоматизации.
Предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся по направле-
нию 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 08.04.01 «Строительство», про-
филь «Энергоэффективность систем теплоснабжения».
Р е ц е н з е н т ы : к.т.н. доц. И.А. Д а н и л у ш к и н ,
к.т.н. доц. Ю.В. М и х е е в
Минимальные системные требования:
Windows XP, Vista, MS Office
ISBN 978-5-7964-2008-9
© В.Е. Серенков, 2017
© Самарский государственный
технический университет, 2017
3
ВВЕДЕНИЕ
Технические средства автоматизации применяются практически во
всех процессах деятельности человека. Они составляют широкий спектр
компонентов и изделий, предназначенных для практического примене-
ния при автоматизации управления технологическими процессами.
В современных условиях уже на стадии проектирования перед
разработчиком встает нетривиальная задача рационального выбора
технического комплекса, удовлетворяющего нескольким критериям:
по точности; по надежности; по функциональной избыточности; по
гибкости; по восстанавливаемости; по стоимости.
Для оптимального выбора состава технических средств необходимо обладать широким кругозором в этой области, а именно знать технические характеристики приборов наиболее известных фирмпроизводителей, уметь применять различные схемные решения, обеспечивающие наилучшие показатели работы в данных условиях, обеспечивать в каждом конкретном случае соотношение «цена – качество».
Современные технические средства, как правило, унифицированы и построены по модульному принципу. Это позволяет применять
стандартные интерфейсы при использовании приборов с различными
функциональными возможностями разных фирм-производителей.
Данная унификация открывает неограниченные возможности при построении систем управления различной сложности.
В данном методическом пособии рассматриваются технические
средства автоматизации как отечественных, так и зарубежных производителей, позволяющие решать задачу управления в полном объеме.
4
1. ОБЩАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА АСУ ТП
На рис. 1.1 представлена техническая структура типовой АСУ ТП
промышленной установки.
Рис. 1.1. Техническая структура АСУ ТП
Объект управления – это установка, на которой осуществляется
технологический процесс, характеризуемый набором измеряемых параметров У(i) , Z(i) и набором регулирующих воздействий (i).
Датчик – это термоэлектрический преобразователь, термометр
сопротивления или преобразователь с токовым выходным сигналом.
НП – нормирующий преобразователь;
УСО – устройство связи с объектом (модули аналогового и дис-
кретного ввода вывода);
БУ – блок управления;
ИМ – исполнительный механизм;
5
ПУ – пусковое устройство;
ПЛК – программируемый контроллер;
СП – сенсорная панель;
АРМ – рабочее место (ПК).
Рассматриваемая техническая структура включает в свой состав
объект управления, информация с которого в виде технологических
параметров преобразуется датчиками и нормирующими преобразователями в токовый сигнал и далее поступает на вход многоканального
УСО. Регулирующие воздействия формируются исполнительными
механизмами через соответствующие регулирующие органы. В свою
очередь, исполнительные механизмы связаны с УСО через пусковые
устройства. Контроллер, УСО и сенсорная панель монтируются в
шкафу на щите управления или по месту, рядом с объектом управления. Для соединения контроллера с операторскими станциями, сервером и сенсорной панелью используется линия Ethernet.
Между ПЛК и исполнительным механизмом по желанию заказчика может быть установлен промежуточный блок ручного управления, предназначенный для резервирования каналов регулирования.
Средства получения информации, средства преобразования и
хранения информации и исполнительные устройства существенно
различаются как по назначению и принципам действия, так и по
уровням используемых энергетических потенциалов, условиям эксплуатации и другим требованиям. Поэтому выделим средства получения информации в измерительную часть АСУ ТП, средства преобразования, хранения и отображения – в информационноуправляющую часть АСУ ТП (с дополнительным выделением в рамках этой части информационной и управляющей подсистем).
Информационно-управляющая часть современной АСУ ТП, как
правило, строится как распределенная. При этом все множество
управляющих контуров и информационных каналов делится на ряд
групп, каждая из которых обеспечивает управление относительно са-
6
мостоятельной функциональной частью. В пределах каждой такой
группы все функции преобразования информации могут выполняться
на одном микроконтроллере с частичным резервированием наиболее
ответственных каналов на контроллере другой группы (функциональное распределение). При территориально распределенном объекте управления выделяются отдельные участки, и на каждом участке
функции преобразования информации выполняются одним-двумя
микроконтроллерами (территориальное распределение).
Применение принципа распределенных систем АСУ ТП позволя-
ет достичь повышения степени централизации управления с сохранением необходимой живучести в целом. При этом достигается снижение общего количества физических информационных связей.
2. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Системы автоматического регулирования занимают особое место
в управляющей подсистеме АСУ ТП. Современный состав технических средств функционально разнообразен и позволяет реализовать
практически все алгоритмы регулирования. Совокупность устройств,
обеспечивающих реализацию в замкнутом контуре регулирования,
будем называть регулятором [1]. Регулятор состоит из набора различных блоков и устройств, каждый из которых реализует определенные функциональные операции. Кроме регулятора в систему регулирования технологическими параметрами входят средства оперативного управления для решения задач оптимизации, диагностики и
резервирования. В цифровых системах регулирования элементы оперативного управления и РЧ реализуются с помощью прикладного
программного обеспечения. Рассмотрим техническую структуру типовой автоматической системы регулирования (рис. 2.1).
7
Рис. 2.1. Техническая структура автоматической системы регулирования (АСР):
ИУ – измерительные устройства; РЧ – регулирующая часть; ИЧ – исполнительная часть;
ОУ – средства оперативного управления; 1, 2 – измерительные преобразователи;
3 – регулирующий блок; 4 – усилитель-преобразователь; 5 – исполнительный механизм;
6 – блок ручного управления; 7 – задающее устройство; 8 – индикаторы
В качестве измерительных устройств применяются первичные и
вторичные измерительные преобразователи, которые являются общими
для всей АСУ ТП. Для энергетических объектов динамика измерительных устройств в большинстве случаев входит в состав объекта регулирования и при формировании закона регулирования не учитывается, а
коэффициент передачи учитывается в зависимости от размерности регулируемой величины (если размерность принята по У, тогда учитывается, если по Uy – не учитывается). Регулирующая часть для аналоговых средств может состоять из одного или нескольких блоков, реализующих выбранный алгоритм регулирования, для цифровых регуляторов, как правило, используется один микропроцессор.
2.1. ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АЛГОРИТМОВ
РЕГУЛИРУЮЩЕЙ И ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ
В современных системах управления для регулирования техноло-
гических параметров в основном применяются регуляторы косвенного действия. В таких системах автоматического регулирования для
перемещения регулирующего органа используется энергия посторон-
8
него источника (электрическая энергия, энергия сжатого воздуха,
гидравлическая энергия). При этом на практике нашли широкое распространение три типа исполнительных основных механизмов для
привода регулирующих органов:
− электрические исполнительные механизмы постоянной скоро-
сти на базе асинхронного электродвигателя с релейным управлением;
− электрические исполнительные механизмы на базе электродви-
гателей постоянного напряжения;
− пневматические исполнительные механизмы на базе мембран-
ного или поршневого двигателя;
− гидравлические исполнительные механизмы на базе поршне-
вого двигателя.
Исполнительный механизм постоянной скорости может находить-
ся только в трех установившихся состояниях: вращение ротора с постоянной скоростью S, неподвижность, вращение с той же скоростью в
противоположную сторону. Статическая характеристика исполнительного механизма постоянной скорости представлена на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Статическая характеристика исполнительного механизма
постоянной скорости
При превышении сигнала управления Zu половины зоны нечувствительности H/2 происходит включение электродвигателя, который начинает
перемещать с постоянной скоростью S вал исполнительного механизма.
Пусть на вход исполнительного механизма постоянной скорости
поступает импульсный управляющий сигнал (рис. 2.3, а) с амплиту-
9
дой (0, А), при этом носителем информации является скважность им-
Т
tи
И
tS *
П
t
*
S
T
Stи
P
S
Р
Р
РW
ИМ
)(
)(
)(
пульсов , поступающих с периодом Т=tи+tп:
, (2.1)
где tи – время импульса; tп – время паузы.
Тогда реакция исполнительного механизма постоянной скорости
на импульсное воздействие будет иметь вид, представленный на
рис. 2.3, б. Можно записать следующее равенство:
, тогда средняя скорость движения
будет связана со
скважностью следующим соотношением:
. (2.2)
а б
Рис. 2.3. Динамическая характеристика исполнительного механизма
постоянной скорости
,
Таким образом, по отношению к скважности импульсного сигна-
ла исполнительный механизм постоянной скорости ведет себя в
среднем как интегрирующее звено, и его передаточную функцию
можно представить в следующем виде:
. (2.3)
Исполнительный мембранный механизм может быть представлен
как звено с нелинейной статической характеристикой (рис. 2.4, а).
Его характеристика находится в прямой зависимости от площади
10
мембраны и в обратной – от коэффициента жесткости пружины (воз-
ИМИМ
К
РZ
Р
РW
)(
)(
)(
РТРZ
Р
РW
И
ИМ
1
)(
)(
)(
растающей по мере ее сжатия). Соответственно, при малых изменениях динамическую характеристику мембранного исполнительного
механизма можно представить пропорциональным звеном
, (2.4)
причем коэффициент передачи Ким несколько убывает с ростом .
а б
Рис. 2.4. Статические характеристики мембранного (а)
и гидравлического (б) исполнительных механизмов:
1 – идеальная; 2 – реальная
Гидравлический исполнительный механизм может рассматриваться как звено с нелинейной статической характеристикой (рис. 2.4, б).
Это связано с возрастанием постоянной интегрирования реального
исполнительного механизма при больших скоростях перемещения
поршня (за счет резкого увеличения сил вязкого трения).
Динамика гидравлического исполнительного механизма при малых входных воздействиях может быть представлена линейным интегрирующим звеном
. (2.5)
Алгоритм преобразования информации в регулирующей части
однозначно определяется алгоритмом регулирования и динамически-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]