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:

щ_{нм = 0,37 (с^-1) — Наибольшая скорость вращения исполнительного вала;}

е_{нм = 1,48 (с^-2) — Амплитуда ускорения исполнительного вала;}

M_{нс = 61 (Нм) — Статистический момент на исполнительном валу;}

J_{н = 36,2 (кгм²) — Момент инерции нагрузки;}

з = 0,97 — КПД одной ступени редуктора;

б = 4 — Допустимый коэффициент перегрузки ДПТ.

Требуемая мощность на валу:

Р_{треб = (2Jн енм + Мнс) щнм = (2 36,2 1,48 + 61) 0,37 = 62.2162 (Вт).}

Типоразмер ДПТ с номинальной мощностью:

Р_{ном? Ртреб = 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;}

щ_ня = 314 (c^-1) — номинальная скорость якоря;

J_{я = 12 710^-6 (кгм²) — 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 _{= С Iня = 320 10^-3 1,1 = 352,55 10^-3 (Н м).}

Предварительная оценка передаточного числа редуктора i_p:

i_{p1 ip ip2}

i_{p1 и ip2 находятся из уравнения:}

1,7 · 10^-3 · i_{p² — 1,9 · ip + 118,1 = 0.}

i_{p1 58;}

i_{p2 1058.}

Диапазон передаточного числа редуктора:

58 _{ip 1058}

Проверка рассчитанного передаточного числа редуктора по i_{pmax = 1058.}

А) Выполнение условия по скорости:

i_{p · нм? (1,1. 1,2) · щня;}

i_{p · нм = 1058 · 1,4 = 386,4 (с^-1);}

1,1 · щ_{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) · Mn;}

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? Mn;}

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 · …· in = 200;}

где:

Z_{n — число зубьев n-ой шестерни.}

Соотношение передаточных чисел ступеней редуктора:

Из расчёта, что:

i_{n = 11,2;}

ИТОГ — 4 ступени.

i_{1 = 1,88;}

i_{2 = 2,39;}

i_{3 = 3,98;}

i_{4 = 11,2.}

i_{p = 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29 200;}

Расчёт числа зубьев:

Число зубьев ведущих шестерен:

Z_{1 = Z3 = Z5 = Z7? 15 = 15.}

Число зубьев ведомых шестерен:

Z_{2 = Z1 · i1 = 15 · 1,88 = 28;}

Z_{4 = Z3 · i2 = 15 · 2,39 = 36;}

Z_{6 = Z5 · i3 = 15 · 3,98 = 60;}

Z_{8 = 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:

D_{1 = D3 = D5 = D7 = m · Z1 = 2,0 · 15 = 30 (мм).}

Диаметр ведомых шестерен:

D_{2 = m · Z2 = 2 · 28 = 56 (мм);}

D_{4 = m · Z4 = 2 · 36 = 72 (мм);}

D_{6 = m · Z6 = 2 · 60 = 120 (мм);}

D_{8 = m · Z8 = 2 · 168 = 336 (мм).}

Проверка:

A) Меньшего диаметра из колёс, относительно диаметра вала:

D_{1? 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:

J_{1 = J3 = J5 = J7 = KJ · D1⁴ = 7,752 · (3 · 10^-2)⁴ = 6,279 · 10^-6 (кг· м²);}

J_{2 = KJ · D2⁴ = 7,752 · (5,6 · 10^-2)⁴ = 76,237 · 10^-6 (кг· м²);}

J_{4 = KJ · D4⁴ = 7,752 · (7,2 · 10^-2)⁴ = 208,326 · 10^-6 (кг· м²);}

J_{6 = KJ · D6⁴ = 7,752 · (1,2 · 10^-1)⁴ = 1,6 · 10^-3 (кг· м²);}

J_{8 = KJ · 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 · нм? (1,1. 1,2) · щня;}

i_{p · нм = 200 · 1,4 = 280 (с^-1);}

1,1 · щ_{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) · Mn;}

= 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? Mn;}

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 щ = щ_{ня = 377 (с^-1).}

3 точка — пуск двигателя, при щ = 0:

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

1 точка — рабочая точка, при U = U_{ня = 110 (В),}

и щ = щ_{ня = 377 (с^-1).}

2 точка — трогание двигателя, при U = U_{Тр, и щ = 0;}

Расчёт усилителя мощности.

Максимальное напряжение усилителя мощности U_{max.ум и добавочный резистор Rдоб, ограничивающий ток якоря при пуске:}

U_{max.ум = б Iня (Rдоб + rя); - (уравнение якорной цепи для пускового режима).}

U_{max.ум = = Iня Rдоб + Uня. — (уравнение якорной цепи для номинального режима).}

б I_{ня (Rдоб + rя) = = Iня Rдоб + Uня;}

U_{max.ум = = Iня Rдоб + Uня.}

U_{max.ум = = 2 Rдоб + 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 · щ), 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.

щ_{2 = (U2 — UТр) · tgц;}

В итоге:

Используя паспортные данные, получается расчёт усилителя для данного двигателя:

U_{2 = P2 · 0,6 + 6,13;}

P_{2 = U2 · 1,68 — 10,33.}

Пример:P_{2 = 200 Вт;}

U_{2 = 200 · 0,6 + 6,13 = 126 В;}

щ_{2 = P2 / Мn = 200 / 0,4642 = 431 с^-1.}

U_{3 = 60 В;}

P_{3 = 60 · 1,68 — 10,33 = 90 Вт;}

щ_{2 = P2 / Мn = 90 / 0,4642 = 195 с^-1.}

Параметры нагрузки для AD