ВВЕДЕНИЕ

Современная промышленность характеризуется непрерывным повышением производительности машин и агрегатов, повышением качества выпускаемой продукции и снижением ее стоимости. Большие скорости протекания производственных процессов и повышение требований к точности их выдержки привели к широкому применению систем автоматического регулирования. Система автоматического регулирования должна обеспечивать поддержание на определенном уровне или изменение по заданному закону некоторых переменных характеристик (регулируемых величин) в машинах и агрегатах с помощью различного рода технических средств без участия человека.

Необходимо также добавить, что проведение некоторых технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации, так как малейшее замешательство человека и несвоевременное его воздействие на процесс могут привести к серьёзным последствиям.

Внедрение автоматизации способствует безаварийной работе оборудования, значительно снижает случаи травматизма, предупреждает загрязнение окружающей среды.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

1.1 Цель курсового проекта

Целью данной курсового проекта является разработка САУ обеззараживания воды. Данная система должна обеспечивать стабильность давления в нагнетающем трубопроводе вне зависимости от потребителей. Так же система должна отвечать параметрам, заданным в техническом задании.

Работа САУ основана на изменении проходного сечения пропорционального электромагнитного клапана регулировки давления в нагнетающем трубопроводе.

Микропроцессорный комплект служит для управления величиной давления в нагнетающем трубопроводе, включает в себя ЦАП, АЦП, АЛУ, задатчик и имеет на выходе сигнал электрической природы.

Электромагнитный клапан имеет на входе сигнал электрической природы, а на выходе сигнал механической природы (перемещение штока).

Датчик давления служит для определения величины давления в нагнетающем трубопроводе.

U₁ U₂ S P

Рисунок 1 – Функциональная схема САУ давлением: МП – микропроцессорный комплект; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм (электромагнитный клапан); ОУ – объект управления (нагнетающий трубопровод); Д – датчик давления; U₁ – напряжение управления с выхода микроконтроллера, В; U₂ – напряжение управления после усиления, В; S – походное сечение электромагнитного клапана, м²; P – давление в нагнетающем трубопроводе.

2 ПОДБОР ЭЛЕМЕНТОВ И РАСЧЕТ ИХ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ

2.1 Выбор датчика давления

По конструктивным и экономическим соображениям выбираем в качестве датчика преобразователь измерительный САПФИР – 22М – ДИ – 2150 – 01 – УХЛ3.1 – 0,25/16МПа – 42.

Данный преобразователь предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивает непрерывное преобразование значения избыточного давления в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Рисунок 2 – Преобразователь САПФИР – 22М – ДИ

Данный датчик состоит из мембранного тензопреобразователя 3 размещенного внутри основания 9. Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металлической гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному контуру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразователя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронный преобразователь 1.

Технические данные преобразователя:

модель 2150;

верхний предел измерений, МПа 16;

выходной сигнал, mA 4 – 20;

предел допустимой погрешности, % 0,25;

питание постоянный ток;

напряжение питания, В 360,72;

материал мембраны Сплав 36НХТЮ;

масса преобразователя, кг 3,0;

степень защиты от воды и пыли IP54;

климатическое исполнение УХЛ3.1.

Датчик состоит из двух элементов: мембраны и пьезоэлемента.

Передаточная функция датчика рассчитывается по формуле:

(1)

Коэффициент передачи САПФИР-22М-ДИ определим по статической характеристике:

(2)

где I – max выходной токовый сигнал;

P – max давление.

Постоянная времени будет определяться как постоянная времени мембраны по формуле:

(3)

где – коэффициент вязкого трения;

с – жесткость мембраны.

(4)

где R=30 – рабочий радиус мембраны, мм;

h=0.35 – толщина мембраны, мм;

Е=2,110¹¹ – модуль упругости материала, Па;

=0,2 – относительный радиус жесткого центра, мм;

=3,64.

Подставив значения в формулу (4) получим:

(5)

Тогда постоянная времени:

(6)

Передаточная функция преобразователя будет:

(7)

2.2 Выбор усилителя

В САУ в качестве исполнительного элемента использован электромагнитный клапан. Клапан управляется напряжением до 24 вольт постоянного тока. Эту величину напряжения не может обеспечить микропроцессорный комплект, на выходе которого напряжение составляет U=1В. Наиболее рациональным решением является включение в прямую цепь системы операционного усилителя средней мощности PL6200-35 c коэффициентом усиления по напряжению до k=35.

Точный коэффициент усиления равен отношению сопротивления обратной связи и сопротивления на входе усилителя.

Операционный усилитель является безынерционным усилительным звеном с передаточной функцией:

(8)

2.3 Выбор исполнительного механизма

В качестве исполнительного механизма, с учетом требований по быстродействию системы, выбираем пропорциональный электромагнитный клапан DENISON R4VP.

Технические характеристики клапана:

модель R4VP;

входной сигнал 0-24 В постоянного тока;

ход штока, мм 17,3;

максимальный расход, л/мин 40;

максимальное давление, МПа 300;

время срабатывания 0 - 100% / 100% - 0, мс 50/35;

гистерезис, % < =1.

В линейном приближении дифференциальное уравнение, характеризующее работу электромагнитного клапана, имеет вид

(9)

где U(t) – входное напряжение на катушку клапана; x – величина смещения якоря (ход штока); k – конструктивная постоянная клапана; m – масса якоря; с – жесткость пружины; f – коэффициент вязкого трения.

Переходя к изображению по Лапласу при нулевых начальных условиях, имеем передаточную функцию

(10)

где (11) - коэффициент передачи;

- постоянная времени; (12)

- коэффициент демпфирования. (13)

(14)

(15)

(16)

Передаточная функция электромагнитного клапана будет иметь вид

(17)

2.4 Выбор микропроцессорного устройства

В качестве микропроцессорного устройства выбираем измеритель – регулятор микропроцессорный ТРМ 101 – ПР. Приборы ТРМ 101 предназначены для работы в системах контроля и регулирования параметрами технологических процессов.

Прибор может выполнять следующие функции:

1. Измерение физических параметров объектов управления в комплекте со стандартными первичными преобразователями.

2. Регулирование измеряемой величины по ПИД – закону путем импульсного или аналогового управления.

3. Автонастройка параметров регулятора на установленном объекте.

4. Определение аварийной ситуации при выходе измеряемого параметра за заданные границы и при обрыве в контуре регулирования.

5. Обнаружение ошибок работы и определение причины неисправности.

6. Работа в сети, организованной по стандарту RS – 485, что позволяет задавать необходимые режимы работы прибора и осуществлять контроль.

7. Дистанционное управление запуском и остановкой регулирования.

Технические характеристики ТРМ 101:

модель ТРМ 101 – ПР;

напряжение питания 90…245 В, 50 Гц;

входной сигнал 4 – 20 мА постоянного тока;

выходной сигнал регулятора 0 – 1 В постоянного тока;

диапазон измерения 0 … 100%;

разрешающая способность 0,1%;

интерфейс связи RS-485;

скорость передачи данных 2,4 – 115,2 кбит/с;

тип кабеля экранированная витая пара;

потребляемая мощность 6 ВА;

масса 0,5 кг;

степень защиты от влаги и пыли IP54.

Передаточная функция микропроцессорного измерителя – регулятора имеет вид:

(18)