Системы автоматического регулирования

Кафедра автоматизации технологических процессов

В. А. Салащенко

Лабораторная работа

Исследование системы автоматического регулирования уровня

Методическое пособие

к лабораторным работам по курсам:

«Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

«Автоматизация производственных процессов»

«Основы техники измерений»

Москва - 2011

Введение

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП)

получают результаты измерений в процессе обработки многократных зависимых (прямых или косвенных) наблюдений на различных временных интервалах. На каждом интервале применяется свой метрологический подход к оценке достоверности получаемой инфор-мации. Измерительную информацию и результаты ее автоматизированной обработки в АСУ ТП используют для контроля технологических параметров и состояния оборудова-ния, оперативного управления, определения оперативных и долговременных технико-экономических показателей. От точности измерений зависят качество и эффективность управления технологическим процессом, достоверность определения фактических и расчетных технико-экономических показателей, правильность оценки производственно-хозяйственной деятельности предприятия и, следовательно, потери в производстве.

Специфика метрологического обеспечения АСУ ТП состоит в том, что измерительные каналы формируются на объекте, и поэтому метрологические приемы и методы, используемые при метрологичеком обслуживании средств измерений уровня будут изучены на учебных стендах фирмы «FESTO» Германия. Общий вид стенда представ-лен на рис. 1.

На стенде установлены промышленные интеллектуальные приборы измерения уровня, расхода, температуры, давления информация которых поступает на контроллер фирмы «Siemens» и с помощью программного обеспечения «WinCC» создана SCADA - система регулирования технологических параметров.

Цель лабораторной работы:

- изучить конструкцию, принцип действия промышленных приборов для измерения уровня, расхода, давления, температуры:

- исследовать статические и динамические характеристики приборов для измерения уровня, расхода, давления, температуры:

- провести калибровку и поверку приборов для измерения уровня, расхода, давления, температуры:

- исследовать статические и динамические характеристики объектов регулирования технологических параметров уровня, расхода, давления, температуры:

- исследовать динамические характеристики влияния законов управления (П, ПИ, ПД, ПИД) в системах регулирования уровня, расхода, давления, температуры:

Рис.1 Учебный стенд фирмы «FESTO»

1 – центробежный насос, 2 – турбинный расходомер, 3 – электромагнитный клапан, 4 – манометр электрический, 5 –сигнализатор уровня (геркон), 6 – манометр механический,

7- уровнемер ультразвуковой, 8 – блок управления нагревателем, 9 – контроллер,

10 – пневматический клапан, 11 – сигнализатор уровня емкостной, 12 – сигнализатор уровня емкостной, 13 – бак (резервуар), 14 – нагреватель, 15 – датчик температуры.

На стенде установлены три резервуара, соединенные между собой технологическими трубопроводами, на которых установлены вентили. Направление потока воды по трубопроводам осуществляется с помощью вентилей, Положение вентилей (ЗАКРЫТО) или (ОТКРЫТО) устанавливается в ручном режиме.

Центробежный насос

Центробежный насос предназначен для перекачки воды из резервуара в резервуар по трубопроводам. Общий вид центробежного насоса показан на рис.2. Конструкция центробежного насоса представлена на рис.3.

Рис.2 Общий вид центробежного насоса 1 - центробежный насос

Рис.3 Конструкция центробежного насоса

1 – корпус насоса, 2 – рабочее колесо насоса, 3 – прокладка, 4 – винты,

5 – статор электродвигателя, 6 –подшипник, 7 – керамическая ось, 8 – прокладка,

9 – ротор электродвигателя

Электродвигатель вращает рабочее колесо насоса, производительность насоса меняется при изменении напряжения постоянного тока подаваемого на двигатель в пределах от 0 до 10 В. Аналоговый и цифровой сигнал величины напряжения формируется контроллером и выводится на регистрацию.

Пропорциональный клапан

Пропорциональный клапан предназначен для регулирования расхода воды в трубопроводе по линейному закону. На рис.4 представлен общий вид клапана. На рис.5 представлена принципиальная схема клапана

Рис.4 Пропорциональный клапан.

Входной сигнал постоянного напряжения в диапазоне от 0 до 10 В преобразуется контроллером в сигнал широтно-импульсной модуляции, который поступает на электромагнит.

Усилие электромагнита уравновешивается усилием возвратной пружины, обеспечивая необходимый зазор между плунжером и седлом клапана, таким образом клапан закрывается и открывается пропорционально напряжению в диапазоне от 0 В до 10 В.

Рис.5 Принципиальная схема пропорционального клапана.

1 –пружина, 2 – седло, 3 – плунжер, 4 – седло, 5 – корпус, 6 – подвижное кольцо

Расход воды через клапан будет пропорционален напряжению управления, при 0 В клапан закрыт – расхода нет, при 10 В клапан открыт – расход максимальный.

 

Турбинный расходомер

Турбинный расходомер предназначен для определения расхода жидкости в трубопроводе. На рис.6 представлен вид турбинного расходомера. Принцип действия расходомера основан на измерении скорости потока жидкости при помощи легкой крыльчатки, установленной на пути движения жидкости.

Рис. 6 Турбинный расходомер

В корпусе датчика установлен оптоэлектронный преобразователь (свето-диод и фото- транзистор), который формирует импульсы, частота которых прямо пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а следовательно измеряемому расходу, в диапазоне от 0 до 5 литров в минуту.

Рис.7 Оптоэлектронный преобразователь

При измерении мгновенного значения расхода применяют схему измерения частоты с преобразованием частоты импульсов в диапазоне от 15 до 1200 Гц в постоянное

напряжение в диапазоне от 0 до 10 В.

Датчики давления

Электрический манометр

Рис.8 Электрический манометр

Электрический манометр с керамической мембраной и пьезорезистивным чувствительным элементом измеряет избыточное давление от 0 до 400 КПа, и преобразует давление в выходной электрический сигнал в диапазоне от 0 до 10 В., класс точности 0,5.

Манометр с трубчатой пружиной

Манометр с чувствительным элементом трубкой Бурдона измеряет давление в емкости В103 (металлический резервуар), диапазон измерения избыточного давления в диапазоне от 0 до 1 бар, класс точности 2,5.

Рис.9 Манометр механический

Пневматический клапан

Клапан с пневматическим исполнительным устройством предназначен для перепуска воды из вехнего бака 102 в нижний бак 101. Общий вид клапана представлен на рис. 10.

 

Рис. 10 Пневматический клапан

При подаче электрического сигнала на электромагнитное реле, воздух проходит в камеру поворотного механизма и перемещает поршень до упора, что приводит к повороту на 90^о шарового органа и вода свободного перетекает из бака в бак. Положение поворотного механизма контролируется визуально и электрическими сигнализаторами. Красный цвет соответствует положению «КЛАПАН ЗАКРЫТ», желтый цвет соответствует положению «КЛАПАН ОТКРЫТ». Электрические сигналы с двух микро-переключателей соответственно выводятся на экран пульта управления «CLOSED/OPEN».

Вентили

Вентили конструктивно выполнены с шаровыми запорными органами, которые можно поворачивать вручную.и создавать различное проходное сечение для движущегося потока жидкости в трубопроводе. На рис.11 представлен общий вид вентиля. С помощью вентилей можно задавать различные схемы движения потока по трубопроводам, для этих целей каждый вентиль маркируется номером и устанавливается в открытом или закрытом положении. Если черная полоса на вентиле устанавливается перпендикулярно трубопроводу, то вентиль «ЗАКРЫТ», если черная полоса на вентиле устанавливается вдоль трубопровода, то вентиль «ОТКРЫТ».

Рис. 11 Вентиль (положение «ЗАКРЫТ»)

Уровнемер ультразвуковой

Уровнемер ультразвуковой определяет расстояние до предмета, измеряя время, которое протекает между отправкой ультразвуковой вспышки и достижением отраженного от объекта назад на датчик. На рис.12 представлен вид уровнемера ультразвукового.

Звук с частотой более чем 16 кГц не воспринимается человеческим слухом. Подобные звуки называют ультразвуками. Акустика ультразвуко-вых частот движется со скоростью 344 м/с в воздушной среде. Ультразвуковые датчики работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником.

Рис.12 Уровнемер ультразвуковой

Передатчик и приемник находятся в одном и том же корпусе. Водонепроницаемый ультразвуковой датчик помещен в корпус с пенополиуретаном. Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Ультразвуковая частота находится между 65 кГц и 400 кГц, в зависимости от типа датчика; частота следования импульсов между 14 Гц и 140 Гц. На рис. 13 представлена

эпюра ультразвуковых сигналов передатчика и приемника, при уменьшении расстояния

затухание сигналов приводит к образованию слепой зоны.

Рис. 13 Ультразвуковые сигналы передатчика и приемника

 

Выходной электрический сигнал пропорциональный расстоянию запрограммирован в диапазоне от 0 до 10 В. На рис.14 представлены зона неуверенного приема сигнала (слепая зона) в диапазоне от 0 до 46 мм от датчика и зона уверенного приема сигнала от 46 до 346 мм.

Рис.14 Зона уверенного приема сигнала

 

На рис.15 представлена теоретическая зависимость между температурой воздуха, давлением и скоростью звука.

:

Рис.15 Зависимость между температурой воздуха, давлением и скоростью звука.

Поскольку в промышленных ультразвуковых датчиках вычисляется время эха сигнала датчики термокомпенсированы. Эта особенность способствует устранению температур-ных влияний на выходе датчика. Для определения абсолютной точности измеренного значения ультразвукового датчика, необходимо учитывать следующие факторы:

- температура,

- атмосферное давление,

- относительная влажность,

- турбулентность,

- участки перегрева в воздухе, окружающем датчик или объект,

- датчик в горячем состоянии рабочего режима.

Сигнализаторы уровня

Сигнализатор уровня (геркон)

Герко́н (сокращение от «ГЕРметичный КОНтакт») — электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу, соприкасающимися под действием магнитного поля. Это дает возможность осуществления электрического контакта в различных средах: влажным, запыленным, радиоактивным, с активными жидкостями и газами, с температурой от – 60⁰С до + 150⁰С. Различают герконы работающие на замыкание, переключение и размыкание электрической цепи.

При приближении к геркону постоянного магнита контакты замыкаются. На рис. 16 представлен общий вид сигнализатора уровня.

Рис. 16 Сигнализатор уровня (геркон)

1 – поплавок (магнит), 2 – контакты

При изменении уровня воды, выталкивающая сила перемещает поплавок, внури которого находится постоянный магнит. Когда магнит приближается к упору контакты замыкаются, когда уровень воды уменьшается поплавок удаляется от упора вместе с магнитом контакты размыкаются.

Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.

Магнитодвижущая сила отпускания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.

Световые сигналы на пульте управления указывают режим работы контактов геркона.

Контакты замкнуты цвет индикатора «ЗЕЛЕНЫЙ», контакты разомкнуты цвет индикатора «СЕРЫЙ».

Сигнализатор S111 установлен на верхней крышке нижнего бака 101. Сигнализатор S111 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды поднимается, Сигнализатор S111 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды снижается.

Сигнализатор S112 установлен на передней боковой стенке верхнего бака 102. Сигнализатор S112 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды поднимается, Сигнализатор S112 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды снижается.

Сигнализатор уровня емкостной

Два емкостных сигнализатора уровня В113 и В114 установлены на боковой стенке нижнего бака В101. Рис. 17 представлен общий вид сигнализатора уровня емкостного.

Рис. 17 Общий вид сигнализатора уровня емкостного

Принцип действия сигнализатора основан на изменении электрической емкости конденсатора, включенного в цепь RC – генератора Если вблизи сигнализатора появляется вода, то емкость конденсатора увеличивается и изменяется частота RC – цепи. Величина емкости конденсатора зависит от расстояния, размеров и диэлектри-ческих констант материалов. Преимуществом емкостных уровнемеров является отсут-ствие движущихся частей, долговечность, надежно работают в сосудах под давлением, вакуумом, при достаточно широком диапазоне по температуре.

Сигнализатор В113 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды снижается, Сигнализатор В113 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды поднимается. Сигнализатор В114 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды снижается, Сигнализатор В114 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды поднимается. На корпусе сигнализаторов В113 и В114 установлены два светодиода,

Когда уровень воды выше сигнализатора горит свет «ЖЕЛТЫЙ», когда уровень воды понижается гаснет свет «ЖЕЛТЫЙ», подключение сигнализаторов к блоку питания указывает свет светодиода «СИНИЙ».

Системы автоматического регулирования

На стенде представлен многоемкостный объект регулирования (рис. 18), который характеризуется наличием трех резервуаров бак В101, бак В192 и бак В103. Резервуары связаны между собой трубопроводами, на которых установлены вентили, создающие сопротивление препятствующее переходу вещества или энергии из одного резервуара в другой. В данной работе ставится цель исследовать гидравлическую модель двухем-костного объекта (рис. 19), в котором должен регулироваться уровень воды. В бак В102 подводится вода, вызывающая изменение уровня. Из бака В102 вода самотеком через сопротивление вентилей V101 и V110 перетекает в бак В101. Входным параметром объекта является приход воды, которая подается насосом, а выходным параметром является уровень воды в объекте. Емкость объекта характеризует его аккумулирующую способность. Чем больше емкость, тем меньше скорость изменения выходной величины при одном и том же изменении входной величины. Ультразвуковой уровнемер (LIC, B101)измеряет приток воды в бак В102 и передает электрический сигнал пропорциональный измеренному уровню воды в микропроцессорный контроллер. Контроллер сравнивает заданное значение уровня с измеренным и формирует команду управления в виде напряжения постоянного тока, которое поступает на электропривод (P101) центробежного насоса. И необходимое количество воды перекачивается из бака В101 в бак В102. Качество переходного процесса регулирования уровня зависит от свойств объекта и параметров настройки законов управления (П, ПИ, ПИД) формируемых контроллером.

Рис. 18 Системы автоматического регулирования многоемкостного объекта

В процессе выполнения лабораторной работы изучаются статические и динамические характеристики системы регулирования уровня. Наибольший практический интерес представляет исследование динамических свойств при возмущениях. При снятии временных характеристик существенным является определение величины возмущения. Качество процесса регулирования определяется характеристиками:

- устойчивость,

- динамическая погрешность,

- колебательность,

- длительность переходного процесса (быстродействие),

-статическая погрешность регулирования.

 

Рис. 19 Система регулирования уровня в баке В102