Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические средства систем автоматизации теплоэнергетических процессов. Учебное пособие
.pdf
11
ми характеристиками исполнительной части. Так, при линейной ис-
)()()(
..
РWРWPW
ИМЧPP
)(PW
P
)(
)(
)(
.
РW
РW
PW
ИМ
P
ЧР
для П-алгоритма
для ПИ-алгоритма
для ПИД-алгоритма
ИМ
P
ЧР
K
K
PW )(
.
)
1
1()(
.
РТK
K
PW
ИИМ
P
ЧР
)
1
1()(
.
РТ
РТK
K
PW
д
ИИМ
P
ЧР
для П-алгоритма
для ПИ-алгоритма
для ПИД-алгоритма
РТКPW
ИМРЧР
)(
.
)1()(
.
РТ
Т
ТK
PW
И
И
ИМP
ЧР
)1()(
2
.
РТРТ
Т
ТK
PW
дИ
И
ИМP
ЧР
РТ
S
МО
1
полнительной части для всего канала регулятора можно записать:
Тогда для реализации заданного алгоритма регулирования
. (2.6)
не-
обходимо реализовать регулирующую часть, отвечающую соотношению
. (2.7)
Так, для построения системы регулирования с исполнительным
механизмом пропорционального действия (мембранный и.м.) необходимо реализовать в регулирующей части:
Структура регулятора для этого случая представлена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структура регулятора
Для построения системы регулирования с интегральным исполни-
тельным механизмом в регулирующей части необходимо реализовать:
Для электрического исполнительного механизма постоянной ско-
рости передаточная функция определена выражением (2.3). Если максимальную величину перемещения вала исполнительного механизма
принять за единицу, постоянная скорость S определится следующим
соотношением:
, где Т
– полное время перемещения испол-
МО
нительного механизма.
12
Для регулятора с исполнительным механизмом постоянной ско-
для П-алгоритма
для ПИ-алгоритма
для ПИД-алгоритма
РТКPW
МОРЧР
)(
.
)1()(
.
РТ
Т
ТK
PW
И
И
МОP
ЧР
)1()(
2
.
РТРТ
Т
ТK
PW
дИ
И
МОP
ЧР
ОС
П
К
PW
1
)(
ОС
Р
К
К1
рости управляющая часть должна включать звено с релейными характеристиками (рис. 2.6), что позволяет получить на выходе управ-
ляющей части последовательность импульсов, скважность которых
связана с входным сигналом передаточной функцией (широтноимпульсная модуляция):
Структура релейно-импульсного регулятора представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Структура релейно-импульсного регулятора
На практике для реализации П-алгоритма для аналогового регулятора часто вводят дополнительную обратную связь по положению
исполнительного механизма (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Структура релейно-импульсного П-регулятора
Тогда для замкнутой структуры передаточную функцию можно
представить следующим приближенным выражением:
где
Для реализации ПИ-алгоритма аналогового регулятора применяется структура, представленная на рис. 2.8.
,
.
13
)РТ(
К
)Р('W
И
ОС
ОС
1
)РТ(
К
)Р("W
П
ОС
ОС
1
Рис. 2.8. Структура релейно-импульсного ПИ-регулятора
В качестве обратной связи используется нелинейное апериодиче-
ское звено первого порядка
при Z=А;
при Z=0, (2.8)
где Т и и Т п соответственно постоянные времени обратной связи, когда на выходе РЭ есть сигнал и когда он отсутствует.
Релейно-импульсный регулятор реализует приближенный закон
регулирования, который за счет постоянной скорости исполнительного механизма имеет очевидное расхождение в реализации пропорциональной части. Кроме этого релейно-импульсный ПИ-регулятор
имеет ограничения на постоянную интегрирования. Это хорошо видно по переходной характеристике (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Переходная характеристика релейно-импульсного ПИ-регулятора
Рис. 2.10. Переходные процессы в САР при возмущении
со стороны регулирующего воздействия
14
Пропорциональная составляющая не может измениться скачком,
а интегральная составляющая I не может быть меньше скорости исполнительного механизма (для ИМ с полным временем перемещения
исполнительного механизма, равным 25 с, ограничение времени интегрирования равняется 4 с).
Для малоинерционных объектов с релейно-импульсным регулятором невозможно реализовать оптимальные параметры динамической настройки. Из-за ограничений качество переходных процессов в
замкнутой одноконтурной системе регулирования (рис. 2.9) будет выглядеть, как показано на рис. 2.10. Первая кривая характеризует оптимальный характер переходного процесса, вторая – процесс с реальными параметрами настройки регулятора.
В цифровых системах регулирования, построенных на базе микроконтроллеров, данную ситуацию возможно исправить за счет дополнительной обратной связи, охватывающей управляющую часть с
коэффициентом, равным единице (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Структура системы регулирования
В этом случае исполнительный механизм, охваченный обратной
связью с релейным элементом (МОС), будет обладать следующей переходной характеристикой 1.
Рис. 2.12. Переходная характеристика исполнительного механизма,
охваченного обратной связью
15
Переходный процесс в элементе МОС можно в первом прибли-
)1(
1
)(
РТ
РW
МО
МОС
жении аппроксимировать апериодическим звеном первого порядка с
коэффициентом передачи, равным единице:
. (2.9)
Теперь возможно отнести элемент МОС к объекту регулирования, а в регулирующей части реализовать стандартный закон регулирования. Такая система не содержит ограничений на параметры настройки регулятора, и появляется возможность получить оптимальный характер переходного процесса.
3. СРЕДСТВА ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Входящие в состав измерительной части АСУ ТП первичные из-
мерительные преобразователи (в частности датчики) предназначены
для выдачи сигнала – носителя информации, пропорционального изменениям выходных параметров объекта. Основное требование к
средствам измерительной части – это обеспечение необходимой точности измерений. Невыполнение этого требования рассматривается
как фактический отказ технических средств измерения.
Выходной сигнал первичных преобразователей может быть как ана-
логовым, так и цифровым. При цифровом выходном сигнале в системе
АСУ ТП отсутствуют аналого-цифровые преобразователи. Если применяются датчики не с токовым выходным сигналом, то для согласования
интерфейса могут применяться нормирующие преобразователи.
Первичные измерительные преобразователи располагаются
обычно вблизи точек измерения параметров, т.е. рассредоточены по
контролируемому объекту и часто работают в неблагоприятных условиях – при высокой температуре, влажности, уровне вибраций, в
магнитных полях и т. п.
Датчики различных семейств отличаются друг от друга целевым
назначением, технико-экономическими показателями, эксплутацион-
16
ными характеристиками и конструкциями. К наиболее распространенным измерительным преобразователям относятся приборы для
измерения давления, температуры, перепада давления, расхода, химических показателей среды и т.д. В настоящее время существует
множество фирм, занимающихся серийным производством датчиков
для автоматизации технологических процессов. Наиболее распространенные производители: промышленная группа «Метран», «Теплоприбор», «Элимер», Emerson и др.
Для измерения температуры применяется широкая номенклатура
как термопар, так и термометров сопротивления с естественным выходным сигналом соответственно в виде ЭДС и в виде изменения сопротивления чувствительного элемента. Для измерения давления и
разности давления применяются датчики типа «Метран 22», «Сапфир
22» и им подобные с унифицированным токовым сигналом, принцип
действия которых в основном основан на использовании пьезорезистивного эффекта в тонкой полупроводниковой пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической подложки из искусственного сапфира. Монокристаллическая структура кремния на сапфировой подложке в виде плоской мембраны, воспринимающей измеряемое давление, позволяет обеспечить высокую стабильность
метрологических характеристик и отсутствие гистерезиса при преобразовании механического входного параметра в электрический выходной сигнал. Кроме того, благодаря высоким диэлектрическим
свойствам сапфира сравнительно просто и надежно решена задача
создания датчиков искробезопасного исполнения.
В настоящее время также получили широкое распространение
термопреобразователи с унифицированным токовым выходным сигналом на базе термопар и термометров сопротивления. В этом случае
термопреобразователь состоит из первичного преобразователя и измерительного преобразователя, расположенного в головке первичного преобразователя. Измерительный преобразователь преобразует
первичный сигнал в унифицированный токовый выходной сигнал,
что дает возможность построения системы АСУ ТП без применения
дополнительных нормирующих преобразователей.
17
В датчиках последнего поколения применяются микропроцессор-
ные вычислительные блоки, которые позволили повысить точность
приборов до 0,15%, компенсировать погрешность нелинейности статической характеристики, осуществить коррекцию выходного сигнала
датчика при воздействии температуры окружающей среды, значительно увеличить диапазон возможных перестроек пределов измерения одной и той же модели датчика. Для микропроцессорных датчиков упрощена процедура настройки и повышена точность калибровки.
Наличие жидкокристаллического дисплея позволяет производить
вышеперечисленные процедуры на месте установки датчика. По показаниям дисплея можно контролировать текущее значение измеряемого параметра в выбранных физических единицах, в мА выходного сигнала или
в % выходного сигнала. По показаниям дисплея можно устанавливать
время усреднения выходного сигнала в пределах 0,2-25 с (т.е. нормировать степень демпфирования пульсации входной измеряемой величины).
Освоение интеллектуальных полевых устройств привело к созда-
нию серии интеллектуальных датчиков, что позволило:
− реализовать широкий набор функций настройки и калибровки;
− расширить диапазон возможных перенастроек;
− повысить точность настройки и снизить суммарную погрешность
измерений при работе датчика в реальных условиях эксплуатации;
− обеспечить непрерывную самодиагностику;
− использовать цифровой коммуникационный протокол HART.
HART-протокол обеспечил возможность применения датчиков как
в аналоговых, так и в цифровых системах, поддерживающих HARTпротокол: по одной паре проводов одновременно передается аналоговый токовый сигнал и цифровой сигнал на базе HART-протокола.
HART-протокол позволяет также осуществлять настройку датчика и сенсора, тестировать, конфигурировать, калибровать, тестировать, считывать информацию о переменных процесса и текущем диапазоне измерения и т.д.
Более подробно ознакомиться с устройствами измерения температур,
давлений, расходов и других параметров, номенклатурой и их техниче-
18
скими характеристиками можно по каталогам фирм-производителей, в
соответствующих Internet-сайтах, а также в лабораторных комплексах по
курсу «Тепловые измерения и приборы» [3, 4, 5, 6] .
3.1. НОРМИРУЮЩИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Сигналы, вырабатываемые датчиками, не всегда можно напрямую передать без дополнительного преобразования к устройствам
обработки и хранения данных. Для этих целей применяют нормирующие преобразователи [7]. Именно они являются необходимым
связующим звеном между огромным миром датчиков и исполнительных устройств и системами сбора данных и управления.
Нормирующие преобразователи (нормализаторы) – это устройства, преобразующие сигналы от датчиков в сигналы унифицированных
диапазонов, принятых в системе ГСП. Для аналоговых сигналов такими диапазонами являются, как правило, 0…5 В, 0…10 В, 0…20 мА,
4…20 мА либо токовая петля, для дискретных – сигналы TTL-уровня
с диапазоном 0…5 В.
Конструктивно нормализаторы выполняются в виде отдельных
модулей, которые могут быть установлены на панель или на стандартную DIN-рейку, на специальную монтажную панель (кроссплату) или непосредственно в арматуру первичного датчика.
В первом случае нормализатор является функционально законченным модулем, содержащим все необходимые для его работы элементы. Подключение внешних соединений осуществляется через
винтовые клеммы, расположенные на его корпусе. Источник питания
может быть как встроенным, так и внешним.
Во втором случае на кросс-плате располагаются различные вспомогательные элементы, такие как датчики компенсации температуры
холодного спая, токовые шунты, предохранители, винтовые клеммные колодки, интерфейсные разъемы, элементы схемы мультиплексирования. Сами нормализаторы выполняются в виде монолитных
герметичных модулей со штыревыми соединителями и дополнительным фиксирующим винтом для надежного крепления к кросс-плате.
19
Нормализаторы могут быть как одноканальными, так и многока-
нальными. В последнем случае они могут иметь несколько независимых
каналов или могут быть построены по схеме с мультиплексированием.
И, наконец, нормализаторы могут иметь как фиксированные, так и
настраиваемые диапазоны входных и выходных сигналов. Настройка
параметров нормализаторов, как правило, производится при помощи
компьютера и специальных программных средств. При этом допускается и программная калибровка измерительных каналов нормализатора.
Большинство сигналов, поступающих от датчиков, требует предварительного усиления. Благодаря приведению амплитуды сигналов к одному уровню обеспечивается достаточно простой выбор измерительных
модулей компьютеров или контроллеров, минимизируется число таких
модулей (Ремиконт Р-130).
Более того, нормализаторы позволяют минимизировать длину
проводов и кабелей со слаботочными сигналами, которые наиболее
подвержены влиянию помех. Они приближают функцию нормирования сигнала к точке измерения, увеличивая тем самым достоверность
информации, передаваемой в систему сбора данных и управления.
Следует учитывать, что практически отсутствуют цифровые модули и контроллеры, рассчитанные на прямое подключение высоковольтных сигналов и сигналов переменного тока.
Большинство датчиков не допускают подключения к нескольким
приемникам сигналов. Это может быть связано с физической природой сигнала датчика, с низким уровнем сигнала или высоким выходным сопротивлением и т.д. Но часто требуется завести сигнал от датчика на несколько измерительных устройств. Например, нередко
встречается ситуация, когда сигнал тензодатчика необходимо подключить и к местному щитовому прибору для оперативного контроля
рядом с объектом, и к локальному регулятору, и передать сигнал в
систему сбора данных, основу которой составляет контроллер. В этом
случае для распараллеливания и разветвления информационных каналов нельзя обойтись без нормализаторов.
20
При проведении измерений невозможно полностью исключить
влияние помех. Однако можно изучить то влияние, которое они оказывают на процесс измерений, и свести его к минимуму. Изучив пути
попадания помех в измерительные системы, можно предпринять рациональные шаги по избеганию проблем, с ними связанных. Одними
из устройств, способствующих решению проблемы борьбы с помехами, являются нормализаторы.
Наиболее распространенными преобразователями являются устройства, рассчитанные на работу с входными сигналами:
− от термоэлектрических преобразователей с номинальной ста-
тической характеристикой преобразования по ГОСТ Р 50431-92;
3.211.011 РЭ 4;
− от термопреобразователей сопротивления с номинальной ста-
тической характеристикой преобразования по ГОСТ 6651-94.
При работе с термопреобразователями сопротивления не требуется подгонки линии связи, так как подключение термопреобразователей к преобразователям производится по четырехпроводной схеме.
Сопротивление каждого из проводов линии связи не должно превышать 2,5 Ом.
Суммарное сопротивление линии связи и внутреннего сопротивления
преобразователей термоэлектрических не должно превышать 250 Ом.
Выходным сигналом преобразователей является непрерывный
электрический сигнал 0-5 или 4-20 м; сопротивление нагрузки: для 05 мА – 2 кОм, для 4-20 мА – 0,75 кОм.
Преобразователи имеют линейную характеристику преобразования относительно измеряемой входной величины (Ом, мВ) при работе с термометрами сопротивления и термопарами. На рис. 3.1 показан
внешний вид нормирующего преобразователя класса законченного
модуля 2000Н со схемой внешних подключений.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]