Реализация схемы автоматизации технического процесса

Задание 1

Выбрать по справочной литературе необходимые приборы для реализации информационной цепи (датчик – преобразователь – контрольно-измерительный прибор) и управляющей цепи (регулятор – преобразователь, если необходим, – исполнительный механизм – регулирующий орган).

Дать краткое описание приборов и их параметров.

Приборы в цепи должны иметь согласованные параметры входные – и выходные сигналы, соответствовать уровню технологического параметра (информационная цепь) и мощности, требуемой для перемещения регулирующего органа в цепи управления.

Если мощность выходного сигнала датчика или его преобразователя позволяет, то этот сигнал можно одновременно подать на вход контрольно-измерительного прибора (КИП) и регулятора. В обратном случае для подачи на вход регулятора информации о текущей величине регулируемого параметра необходимо установить отдельный датчик (например, двойную термопару). Обратить внимание на класс точности используемых в информационной цепи приборов и диапазон шкалы контрольно-измерительного прибора. Номинальная величина технологического параметра должна находиться в последней трети диапазона шкалы контрольно-измерительного прибора.

Составить:

1. Структурную схему автоматизации.

2. Функциональную схему автоматизации.

3. Спецификацию оборудования.

Исходные данные:

Датчик – преобразователь температуры.

Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73

1. Назначение

Предназначен для преобразования в унифицированный пневматический сигнал температуры жидких и газообразных агрессивных сред, в т.ч. в условиях АЭС.

2. Технические характеристики

Регулятор.

Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1

1. Назначение

Приборы контроля работают совместно с пневматическими датчиками и другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы в пределах 20…100 кПа. ПВ10.1Э – прибор для непрерывной записи и показания величины регулируемого параметра, указания положения контрольной точки и величины давления на исполнительном механизме.

2. Технические характеристики

Исполнительный механизм.

Механизм исполнительный пневматический МИП-П

1. Назначение

Предназначены для перемещения регулирующих и запорно-регулирующих органов в системах автоматического и дистанционного управления.

2. Технические характеристики

Регулирующий орган.

Заслонка поворотная. Nemen серия 5000

1. Назначение

Заслонки поворотные используются в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры.

2. Технические характеристики

Аппаратура воздухоподготовки.

Редуктор давления РДФ-3–1

1. Назначение

РДФ-3–1 – редукторы давления с фильтром, предназначены для регулирования и автоматического поддерживания давления воздуха, необходимого для индивидуального питания пневматических приборов и средств автоматизации, а также очистки его от пыли, масла и влаги. Применяются в машиностроении, нефтяной, сахарной, химической промышленности и других отраслях.

ТУ 25.02.1898–75.

2. Технические характеристики

Дано:

ω_нм = 0,37 (с^-1) – Наибольшая скорость вращения исполнительного вала;

ε_нм = 1,48 (с^-2) – Амплитуда ускорения исполнительного вала;

M_нс = 61 (Н×м) – Статистический момент на исполнительном валу;

J_н= 36,2 (кг×м²) – Момент инерции нагрузки;

η = 0,97 – КПД одной ступени редуктора;

α = 4 – Допустимый коэффициент перегрузки ДПТ.

Требуемая мощность на валу:

Р_треб = (2×J_н×ε_нм + М_нс) ×ω_нм = (2 × 36,2 × 1,48 + 61) × 0,37 = 62.2162 (Вт).

Типоразмер ДПТ с номинальной мощностью:

Р_ном ≥ Р_треб = 175 (Вт) – двигатель типа СЛ – 521.

Технические данные двигателя постоянного тока серии СЛ типа 569

Р_ном= 77 (Вт) – номинальная мощность двигателя;

U_ня = 110 (В) – номинальное напряжение якоря;

I_ня = 1,1 (А) – номинальный ток якоря;

ω_ня = 314 (c^-1) – номинальная скорость якоря;

J_я= 127×10^-6 (кг×м²) – момент инерции якоря;

r_я = 8,5 (Ом) – сопротивление якоря;

d = 10^-2 (м) – диаметр вала двигателя.

Номинальный полезный момент двигателя:

Коэффициент противоЭДС обмотки якоря:

Момент потерь на валу двигателя:

Момент с учетом потерь:

М_S= С×I_ня = 320 × 10^-3× 1,1 = 352,55 × 10^-3 (Н × м).

Предварительная оценка передаточного числа редуктораi_p:

i_p1 £i_p£i_p2

i_p1 иi_p2 находятся из уравнения:

1,7 · 10^-3·i_p² – 1,9 · i_p + 118,1 = 0.

i_p1»58;

i_p2»1058.

Диапазон передаточного числа редуктора:

58£i_p£1058

Проверка рассчитанного передаточного числа редуктора по i_pmax = 1058.

А) Выполнение условия по скорости:

i_p · w_нм ≤ (1,1.. 1,2) · ω_ня;

i_p · w_нм = 1058 · 1,4 = 386,4 (с^-1);

1,1 · ω_ня = 1,1 · 377 = 414,7 (с^-1).

386,4 (с^-1) ≤ 414,7 (с^-1) – условие выполняется.

В) Выполнение условия по моменту:

M_НОМ ≤ (3..4) · M_n;

M_НОМ = 0,29 + 0,13 + 0,08 = 0,5 (Н·м);

3 · M_n = 3 · 464,2 · 10^-3 = 1,4 (Н·м).

0,5 (Н·м) ≤ 1,4 (Н·м) – условие выполняется.

С) Выполнение условия по перегреву:

M_t ≤ M_n;

M_n = 464,2 · 10^-3 (Н·м).

248,8 (Н·м) ≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.

Расчёт редуктора с цилиндрическими колёсами для i_p = 200:

i_p =i₁ ·i₂ ·…·i_n = 200;

где:

Z_n – число зубьев n-ой шестерни.

Соотношение передаточных чисел ступеней редуктора:

Из расчёта, что:

i_n = 11,2;

ИТОГ – 4 ступени.

i₁ = 1,88;

i₂ = 2,39;

i₃ = 3,98;

i₄ = 11,2.

i_p = 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29 » 200;

Расчётчислазубьев:

Число зубьев ведущих шестерен:

Z₁ = Z₃ = Z₅ = Z₇ ≤ 15 = 15.

Число зубьев ведомых шестерен:

Z₂ = Z₁ · i₁ = 15 · 1,88 = 28;

Z₄ = Z₃ · i₂ = 15 · 2,39 = 36;

Z₆ = Z₅ · i₃ = 15 · 3,98 = 60;

Z₈ = Z₇ · i₄ = 15 · 11,2 = 168.

Расчёт диаметра колёс:

Модуль зуба выбирается из стандартного ряда при условии обеспечения прочности зуба по удельному давлению на зуб:

Для стальных цилиндрических прямозубых колёс с эвольвентным профилем:

m ≥ 1,3 = 2,0.

Диаметр ведущих шестерен:

D₁ = D₃ = D₅ = D₇ = m · Z₁ = 2,0 · 15 = 30 (мм).

Диаметр ведомых шестерен:

D₂ = m · Z₂ = 2 · 28 = 56 (мм);

D₄ = m · Z₄ = 2 · 36 = 72 (мм);

D₆ = m · Z₆ = 2 · 60 = 120 (мм);

D₈ = m · Z₈ = 2 · 168 = 336 (мм).

Проверка:

A) Меньшего диаметра из колёс, относительно диаметра вала:

D₁ ≥ 2d.

30 (мм) ≥ 20 (мм) – условие выполняется.

B) Передаточного числа пар и всего редуктора:

i_p = 1,86 · 2,4 · 4,0 · 11,2 = 199,99 » 200;

Передаточное число соответствует заданному.

Расчёт приведённого к валу двигателя момента инерции редуктора:

Расчёт момента инерции для шестерен по формуле для сплошного цилиндрического колеса:

J₁ = J₃ = J₅ = J₇ = K_J · D₁⁴ = 7,752 · (3 · 10^-2)⁴ = 6,279 · 10^-6 (кг·м²);

J₂ = K_J · D₂⁴ = 7,752 · (5,6 · 10^-2)⁴ = 76,237 · 10^-6 (кг·м²);

J₄ = K_J · D₄⁴ = 7,752 · (7,2 · 10^-2)⁴ = 208,326 · 10^-6 (кг·м²);

J₆ = K_J · D₆⁴ = 7,752 · (1,2 · 10^-1)⁴ = 1,6 · 10^-3 (кг·м²);

J₈ = K_J · D₈⁴ = 7,752 · (3,36 · 10^-1)⁴ = 98,8 · 10^-3 (кг·м²);

Расчёт полного момента инерции:

= 6,279 · 10^-6 + 23,851 · 10^-6 + 10,769 · 10^-6 + 3,495 · 10^-6 + 2,47 · 10^-6 =

= 46,864 · 10^-6 (кг·м²).

Проверка пригодности двигателя с рассчитанным редуктором.

А) Выполнение условия по скорости:

i_p · w_нм ≤ (1,1.. 1,2) · ω_ня;

i_p · w_нм = 200 · 1,4 = 280 (с^-1);

1,1 · ω_ня = 1,1 · 377 = 414,7 (с^-1).

280 (с^-1) ≤ 414,7 (с^-1) – условие выполняется.

В) Выполнение условия по моменту:

M_{НОМ.ред} ≤ (3..4) · M_n;

= 288,387 · 10^-3 + 182,474 · 10^-3 + 81,167 · 10^-3 = 0,552 (Н·м);

3 · M_n = 3 · 464,2 · 10^-3 = 1,393 (Н·м).

0,552 (Н·м) ≤ 1,393 (Н·м) – условие выполняется.

С) Выполнение условия по перегреву:

M_t.ред ≤ M_n;

M_n = 464,2 · 10^-3 (Н·м).

276,3 (Н·м) ≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.

Построение семейств механических и регулировочных характеристик двигателя.

Механическая характеристика строится по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:

1 точка – скорость холостого хода, при M = 0:

2 точка – рабочая точка, при М = M_n = 464,2 · 10^-3 (Н·м),

и ω = ω_ня = 377 (с^-1).

3 точка – пуск двигателя, при ω = 0:

Регулировочная характеристика строится также, по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:

1 точка – рабочая точка, при U = U_ня = 110 (В),

и ω = ω_ня = 377 (с^-1).

2 точка – трогание двигателя, при U = U_Тр, и ω = 0;

Расчёт усилителя мощности.

Максимальное напряжение усилителя мощности U_max.ум и добавочный резистор R_доб, ограничивающий ток якоря при пуске:

U_max.ум = α×I_ня× (R_доб + r_я); – (уравнение якорной цепи для пускового режима).

U_max.ум = =I_ня×R_доб + U_ня. – (уравнение якорной цепи для номинального режима).

α×I_ня× (R_доб + r_я) ==I_ня×R_доб + U_ня;

U_max.ум = =I_ня×R_доб + U_ня.

U_max.ум = = 2 ×R_доб + 110.

R_доб = 13,5 (Ом) – добавочный резистор;

U_max.ум = =137,1 (В) – максимальное напряжение усилителя мощности.

Как следует из уравнения механической характеристики, скорость двигателя, а, следовательно, и его мощность (P = M · ω), при постоянном моменте нагрузки, можно регулировать изменением напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре изменяется либо с помощью реостата, либо с помощью усилительно – преобразовательного устройства, при этом поток возбуждения остаётся постоянным.

Из уравнений для ДПТ и воспользовавшись графиками характеристик можно рассчитать напряжение на выходе усилительно – преобразовательного устройства в зависимости от требуемой мощности; и мощность в зависимости от напряжения.

ω₂ = (U₂ – U_Тр) · tgφ;

В итоге:

Используя паспортные данные, получается расчёт усилителя для данного двигателя:

U₂ = P₂ · 0,6 + 6,13;

P₂ = U₂ · 1,68 – 10,33.

Пример:P₂ = 200 Вт;

U₂ = 200 · 0,6 + 6,13 = 126 В;

ω₂ = P₂ / М_n = 200 / 0,4642 = 431 с^-1.

U₃ = 60 В;

P₃ = 60 · 1,68 – 10,33 = 90 Вт;

ω₂ = P₂ / М_n = 90 / 0,4642 = 195 с^-1.

Параметры нагрузки для AD