Разработка проекта модернизации системы управления теплоснабжением

/

АННОТАЦИЯ

Пояснительная записка содержит 88 страниц, в том числе 19 рисунков, 14 таблиц, 23 источника. Графическая часть выполнена на 7 листах формата А1.

Целью дипломного проекта является разработка проекта модернизации системы управления теплоснабжением.

Для достижения указанной цели в дипломном проекте произведена замена существующей системы управления технологическим процессом на систему управления при помощи частотно-регулируемого привода, управляемого контролером Ремиконт Р-130.

Разработанная в ходе дипломного проекта АСУ ТП позволит реализовать следующие возможности:

- первичный сбор и контроль технологических параметров;

- автоматическое регулирование технологических параметров в соответствии с регламентными требованиями;

- изменение режимов работы насосного агрегата;

- улучшение условий труда технологического персонала;

- повышение производительности оборудования;

- уменьшение энергетических затрат.

Правильность принятых решений при проектировании системы управления проверена с помощью пакета моделирования MATLAB. Приведен расчет ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения проекта модернизации системы управления теплоснабжением. Рассмотрены вопросы защиты персонала от загазованности и нехватки освещения.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

1. Анализ объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

1.2 Описание применяемого оборудования

1.2.1 Устройство центробежных насосов

1.2.2 Парогенератор ДЕ-16-14ГМ

1.2.3 Водоподогреватели

1.2.4 Трубопроводы

1.3 Анализ применяемых методов и средств контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров

2. Автоматизация системы управления

2.1 Разработка функциональной схемы автоматизации

2.2 Разработка структуры системы управления

2.3 Выбор и обоснование технических средств автоматизации

2.3.1 Выбор и обоснование микропроцессорного контролера

2.3.2 Выбор и обоснование датчиков

2.3.3 Выбор преобразователя частоты

2.4 Разработка функциональной схемы электропривода

2.5 Расчет параметров двигателя

2.6 Механические характеристики электродвигателя

2.7 Расчет и выбор элементов силовой части электропривода

2.7.1 Расчет автономного инвертора

2.7.2 Расчет выпрямителя

2.7.3 Индуктивность дросселя

2.7.4 Блок управления

2.7.5 Выбор тахогенератора

2.7.6 Выбор датчика тока

3. Исследование моделируемой системы управления

3.1 Передаточная функция регулятора скольжения

3.2 Передаточная функция инвертора знака

3.3 Передаточная функция регулятора частоты

3.4 Передаточная функция регулятора тока

3.5 Передаточная функция управляемого выпрямителя

3.6 Передаточная функция инвертора тока

3.7 Передаточная функция АД

3.8 Передаточная функция датчика скорости

3.9 Передаточная функция датчика обратной связи по току

3.10 Структурная схема электропривода

3.11 Анализ устойчивости системы

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Расчет экономической эффективности

4.2 Расчет окупаемости капитальных вложений

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ опасных и вредных факторов в помещении котельной

5.2 Освещение

5.3 Вентиляция

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Один из наиболее известных примеров парадоксально неэффективной технологии - это применяемая в российских городах система центрального отопления. Само по себе центральное отопление - очень эффективный способ и при правильном применении заметно превосходит, например, электроотопление как с термодинамической, так и с экономической точек зрения. На практике, однако, ни для кого не секрет, что нерегулируемые нагревательные элементы почти всегда дают либо недостаточно тепла (потребитель мерзнет), либо слишком много (потребитель вынужден открывать окно), и очень редко - именно столько, сколько действительно необходимо. Причины такого положения лежат как в производственно-технической (дефицит теплоизолирующих материалов, ошибки при согласовании элементов системы), так и в экономической (проектировщики исходили из предположения о неограниченных запасах дешевого природного топлива) и политической (строить как можно больше квартир для народа) областях. Последнее соображение имело приоритет перед качеством жилья. В результате сейчас потребляется значительно больше топлива и электроэнергии чем это необходимо. Пример центрального отопления не единичен, но он иллюстрирует большую часть технической инфраструктуры страны. (Ради справедливости следует отметить, что и на Западе многие системы центрального отопления были спроектированы на базе неправильных предпосылок и плохого планирования; поэтому они значительно менее эффективны, чем могли и должны быть.)

Несмотря на развитие централизованного теплоснабжения от ТЭЦ, в нашей стране действуют и вводятся в эксплуатацию десятки тысяч различных по назначению и оснащению котельных.

Котельные, работающие на газе и жидком топливе, относятся к сложным видам инженерного оборудования. Технологические процессы, реализуемые в теплоэнергетических установках, отличаются разнородностью и сложностью.

На таких объектах занято большое количество обслуживающего персонала различных профессий. В таких условиях надежную эффективную работу теплоэнергетического оборудования невозможно обеспечить без автоматизации функции контроля, регулирования и сигнализации. Автоматизация теплоэнергетического оборудования является основной задачей технического прогресса направленного на экономию различных ресурсов, улучшение условий работающих, уменьшение загрязнения воздушного бассейна городов и населенных пунктов.

Автоматизация позволяет повысить производительность труда, сократить численность обслуживающего персонала, улучшить условия труда, обеспечить безопасные условия работы. При этом повышается производительность оборудования, улучшается качество получаемой продукции, уменьшаются энергетические и сырьевые затраты.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) - предназначены для оптимизации технологических процессов производств и повышение их эффективности путем автоматизации, базирующейся на использовании современных средств вычислительной и микропроцессорной техники и эффективных методов и средств контроля и управления.

Теплоэнергетические установки характеризуются непрерывностью протекающих в них процессов. При этом выработка тепловой и электрической энергии в любой момент времени должна соответствовать потребляемой (нагрузке). Почти все операции на теплоэнергетических установках механизированы, а переходные процессы в них развиваются сравнительно быстро.

В настоящее время в республике Башкортостан многие тепловые станции требуют модернизации. Оборудование таких станций потребляют большое количество электроэнергии, морально устарело. Агрессивная политика РАО ЕС и предприятий - поставщиков электроэнергии заставляет потребителей энергии задумываться о стоимости энергоносителей и предпринимать адекватные действия для компенсации своих потерь.

Известно, что максимальную эффективность от модернизации такого оборудования можно обеспечить применением частотно - регулируемых приводов.

Примерами могут служить результаты, которые были получены после внедрения и эксплуатации систем с частотным регулированием в г. Санкт-Петербурге.

1. Анализ объекта автоматизации

1.1 Описание технологического процесса

Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке, транспорту и использованию теплоты.

Снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, на технологические процессы и горячее водоснабжение зданий) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщение теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. В соответствии с этим каждая система теплоснабжения состоит из трех звеньев: источника теплоты, трубопроводов и систем теплопотребления с нагревательными приборами.

Теплоносителем называется среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на две группы - на водяные и паровые системы теплоснабжения. Из названия ясно, что в водяных системах теплоснабжения основным теплоносителем служит вода, а в паровых - пар. В нашей стране для городов и жилых районов в качестве теплоносителя используют воду.

Эффект передачи теплоты при применении воды заключается в том, что непрерывно двигающаяся от источника теплоты по трубопроводам и нагревательным приборам вода в последних за счет соприкосновения с относительно холодной их поверхностью охлаждается (снижает температуру) и тем самым передает часть переносимой с ней теплоты воздуху помещения в системах отопления. В системах вентиляции горячая вода отдает теплоту нагреваемому наружному воздуху, а в системах горячего водоснабжения - водопроводной воде. Следовательно, до систем теплопотребления (нагревательных приборов) вода имеет более высокую температуру, чем после них.

С эксплуатационной точки зрения теплоноситель должен обладать качествами, позволяющими проводить центральную (из одного места, например, котельной) регулировку тепловой отдачи систем теплопотребления. Необходимость изменять расходы теплоты в системах отопления и вентиляции вызвана переменными температурами наружного воздуха.

Регулирование расхода тепла на отопление, а, следовательно, температуры воды в тепловых сетях ведут по отопительному графику, в котором каждой температуре наружного воздуха соответствует определенная температура воды подаваемой в тепловую сеть и возвращаемой в котельную. Расчетную температуру воды для небольших систем принимают равной 95?C в подающей лини и 70?C в обратной. Для крупных котельных расчетный перепад температуры обычно принимают равным 150-70?C. Расчетный расход тепла определяют по расчетной наружной температуре, которая зависит от метеорологических условий данной местности.

Если вырабатываемый в котельной или на ТЭЦ теплоноситель - пар или вода полностью расходуется в местных системах у потребителей и охлажденная вода или пар в котельную не возвращается, то такую систему теплоснабжения называют открытой или разомкнутой. Если теплоноситель отдает свое тепло в местных системах и частично или полностью возвращается в котельную, такую систему называют закрытой или замкнутой.

В проекте рассматривается закрытая двухтрубная водяная система теплоснабжения источником теплоты, которой является паровая районная котельная.

Двухтрубные системы с тепловой сетью, состоящей из двух теплопроводов - подающего и обратного, являются самыми распространенными. В этом случае по подающему теплопроводу вода подается к потребителям, а по обратной линии от потребителей охлажденная вода подается на ТЭЦ или в районную котельную. Применение в основном двухтрубных систем вызывается тем, что они пригодны для снабжения теплотой однородных потребителей, т.е. систем отопления и вентиляции, работающих по одинаковым режимам. При этом вся тепловая энергия подается одного потенциала, т.е. вода одинаковой температуры при заданной температуре наружного воздуха.

При районном теплоснабжении источник теплоты - районная котельная может быть паровой или водогрейной с установкой в ней паровых или водогрейных котельных агрегатов. В том и в другом случае это надо особенно подчеркнуть в котельной вырабатывается только один вид энергии - тепловая энергия, для выработки которой и сжигается топливо в топках котельных агрегатов.

Схема централизованного теплоснабжения от паровой котельной представлена на рисунке 1.1. В этом случае в котельной подготавливаются два теплоносителя - вода и пар и имеются два вида тепловых сетей - паровые и водяные.

Рисунок 1.1 - Схема теплоснабжения от паровой промышленной котельной

В котельном агрегате К происходит образование пара путем сжигания топлива. Насыщенный пар подается к водоподогревателям В, откуда нагретая вода по теплопроводам (подающему П и обратному О) тепловой сети циркулирует при помощи сетевых насосов СН: по подающему - к потребителям теплоты, а по обратному - от потребителей теплоты к насосам и снова в водоподогреватели. В системах потребителей вода охлаждается, передавая часть своего теплового потенциала. Пар, отдавая свое тепло, в системе водоподогревателей образует конденсат, который сливается в бак. Из бака конденсат питательными насосами ПН подается в котельный агрегат для повторного парообразования. Перед сетевыми насосами вода проходит грязевик Гр, где из воды удаляются взвешенные механические примеси (окалина, песок, коррозионные отложения и другие частицы, как-либо попавшие в трубопроводы при монтаже или ремонтах).

В котельной предусмотрена химводоочистительная установка по подготовке воды (ХВО). В ней подготавливается вода перед заполнением сети в начале эксплуатации и во время эксплуатации; подача воды осуществляется подпиточным насосом ППН. В ХВО вода может умягчаться, освобождаться от растворенных кислорода и углекислоты, а также от нерастворимых механических примесей.

Умягчение воды устраняет интенсивное образование накипи, а удаление из воды кислорода, углекислоты и нерастворимых примесей предотвращает возникновение коррозии и загрязнение элементов систем теплоснабжения.

Подпиткой тепловых сетей называется процесс восполнения потерь или разбора воды из теплопроводов или систем потребителей теплоты.

Подпиточные насосы выбираются по расходу, обеспечивающему восполнение потерь в системе теплоснабжения. В закрытых системах теплоснабжения утечка воды принимается равной 0,5% объема воды в трубопроводах системы с присоединенными к ней абонентами. При этом производительность насоса выбирается на двойной расход с учетом подачи воды в аварийных ситуациях. При открытых системах теплоснабжения производительность подпиточных насосов выбирается с учетом покрытия суммарных расходов воды при максимальном потреблении ее на горячее водоснабжение и утечек в системе. Подпиточные насосы должны создавать напор, обеспечивающий преодоление давления в обратной линии перед сетевыми насосами, а также гидравлическое сопротивление трубопроводов.

Сетевые насосы водоподогревательных установок выбираются по расходу сетевой воды на напор, обеспечивающий покрытие гидравлических сопротивлений сети, подогревателей сетевой воды, охладителей конденсата, а также водогрейных котлов, если они установлены. Сетевые насосы устанавливаются на обратной линии сетевой воды и работают при температуре воды не более 70° С.

В данном дипломном проекте будет модернизирована система управления транспортом теплоносителя в системе теплоснабжения.

1.2 Описание применяемого оборудования

1.2.1 Устройство центробежных насосов

Центробежный насос (рисунок 1.2) представляет собой улиткообразный корпус, в котором на оси с числом 500-3000 об/мин быстро вращается лопастное рабочее колесо. Поступающая по всасывающей линии через боковое отверстие (патрубок) вода захватывается лопатками, приводится во вращательное движение и благодаря развивающейся центробежной силе выбрасывается (гонится) из корпуса насоса по нагнетательной линии с определенной скоростью с определенным давлением. Одновременно с ним через всасывающие трубы поступают новые порции воды, и таким образом получается непрерывная подача воды. Расположение всасывающих и нагнетательных отростков (патрубков) может быть различным. Насос может иметь впуск воды не только с одной стороны колеса, но и с обеих его сторон, тогда получается насос с двусторонним впуском воды.

Рисунок 1.2 - Центробежный насос: 1 - корпус; 2 - манометр на нагнетательном трубопроводе; 3 - краник для заливки насоса; 4 - манометр на всасывающем трубопроводе; 5 - лопастное колесо

В зависимости от высоты подъема воды насосы (условно) разделяются на три группы: низкого давления, подающие воду на высоту примерно до 15 м; среднего давления для подачи на высоту примерно 35-40 м и высокого давления, поднимающие воду на большие высоты. Центробежные насосы высокого давления изготовляют обычно многоколесными-многоступенчатыми, т.е. несколько рабочих колес расположены в одном корпусе последовательно одно за другим к окруженным направляющими аппаратами. Вода через всасывающую трубу поступает в первое колесо, увлекается им, по отводному каналу идет во второе колесо и т. д., пока не попадает в нагнетательный патрубок.

Производительность центробежного насоса зависит от частоты вращения лопастного колеса и прямопропорциональна частоте вращения. Если обозначить производительность через букву Q, а частоту вращения лопастного колеса через букву n то можно записать.

и т. д.

Таким образом, при увеличении числа оборотов насоса в два раза количество подаваемой им воды также увеличивается вдвое; при увеличении числа оборотов втрое количество подаваемой воды увеличивается в три раза и т.д.

Высота подъема воды насосом пропорциональна квадрату частоты вращения лопастного колеса.

и т. д.

В результате получим

и т. д.

Отсюда видно, что оказывается невозможно, изменяя величину Q насоса, не изменять значение Н, или наоборот, так что при переменных давлениях, если, например, насос качает воду непосредственно в сеть труб, где напоры меняются, изменяются и количества подаваемой насосом воды; или, если количество воды в трубах, забираемой из сети, изменяется, то также изменяется и давление у насоса.

Высота всасывания воды центробежными насосами небольшая, она не превышает 4-5 м, только при исключительно хороших условиях может быть порядка 5,5-6 м. С повышением температуры всасываемой воды высота всасывания уменьшается. При температуре поднимаемой воды не более чем на 26-25?C высоту всасывания принимают: а) при коротких (например, в 20-30 м) всасывающих линиях - в пределах 5,5-6,0 м; б) при всасывающих линиях средней длины (например, 40-60 м) в пределах 4,5-5 м; в) при длинных (например, 75-150 м) всасывающих линиях - в пределах 3,5-4 м. Для насосов, перекачивающих воду при температуре 45-50?C, высоту всасывания следует брать не более 1,75-2 м, а при температуре 50-60?C следует брать нулевой. В этом случае лучше подавать воду в насос даже с некоторым напором.

Под высотой всасывания понимают сумму геометрической высоты всасывания (вертикальное расстояние от самого низкого уровня воды в источнике до оси насоса) и высоты сопротивлений движению воды. При вычислении последних необходимо тщательно учитывать местные сопротивления: при проходе воды через приемный клапан с сеткой, через колена, задвижки и прочее. Эти сопротивления могут быть большими по сравнению с общим сопротивлением по длине линии.

На центробежном насосе, как правило, на всасывающей линии устанавливают приемный клапан и запорное устройство; на нагнетательной линии - обратный клапан и запорное устройство, а также вентиль для залива насоса водой перед его пуском и манометр.

Порядок пуска центробежного насоса следующий: осмотреть насос, проверить наличие масла в подшипниках. Далее насос и приемную линию залить водой (если он работает на всасывание), после чего проверить задвижку на напорном трубопроводе. Если задвижка на напорном трубопроводе открыта, то перед пуском ее следует закрыть, так как пуск насоса производится при закрытой задвижке. Далее необходимо проверить уровень масла в подшипниках, в случае надобности масло долить. Затем включить насос в работу. Когда насос наберет нормальное число оборотов, медленно открыть задвижку на нагнетательной линии. При остановке центробежного насоса необходимо вначале закрыть запорное устройство (задвижку на нагнетательной линии), а затем выключить электродвигатель, вращающий его.

Во время работы центробежного насоса следят за показаниями манометра, установленного на нагнетательной линии; за состоянием подшипников насоса; за показаниями амперметра электродвигателя; проверяют состояние сальников насоса, в случае необходимости слегка их осторожно подтягивают.

1.2.2 Парогенератор ДЕ-16-14ГМ

Парогенератором называется комплекс агрегатов, предназначенных для получения водяного пара. Этот комплекс состоит из ряда теплообменных устройств, связанных между собой и служащих для передачи тепла от продуктов сгорания топлива к воде и пару. Исходным носителем энергии, наличие которого необходимо для образования пара из воды, служит топливо.

Основными элементами рабочего процесса, осуществляемого в котельной установке, являются:

1) процесс горения топлива

;

2) процесс теплообмена между продуктами сгорания или самим горящим топливом с водой;

3) процесс парообразования, состоящий из нагрева воды и ее испарения.

Во время работы в парогенераторе образуются два взаимодействующих друг с другом потока: поток рабочего тела и поток образующегося в топке теплоносителя.

В результате этого взаимодействия на выходе объекта получается пар заданного давления и температуры.

Образование пара в парогенераторе происходит при постоянном давлении и непрерывном подводе тепла от продуктов сгорания к воде. Образование пара протекает с определенной последовательностью. Уже в экранных трубах начинается образование пара. Этот процесс протекает при больших температуре и давлении. Явление испарения заключается в том, что отдельные молекулы жидкости, находящиеся у ее поверхности и обладающие высокими скоростями, а следовательно, и большей по сравнению с другими молекулами кинетической энергией, преодолевая силовые воздействия соседних молекул, создающее поверхностное натяжение, вылетают в окружающее пространство. С увеличением температуры интенсивность испарения возрастает. Процесс обратный парообразованию называют конденсацией. Жидкость, образующуюся при конденсации, называют конденсатом. Она используется для охлаждения поверхностей металла в пароперегревателях.

В производстве пара задействованы газомазутные вертикально-водотрубные парогенераторы типа ДЕ (рисунок 1.3) паропроизводительностью 4,45 кг/с (16 т/ч), с абсолютным давлением 1,4 МПа (14 кгс/), общей поверхностью нагрева 600 , предназначены для выработки насыщенного пара, используемого для технологических нужд промышленных предприятий, на теплоснабжение систем отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий.

Рисунок 1.3 - Парогенератор ДЕ-16-14ГМ

Парогенераторы двухбарабанные вертикально-водотрубные выполнены по конструктивной схеме “Д”, характерной особенностью которой является боковое расположение конвективной части котла относительно топочной камеры.

Основными составными частями парогенератора являются два барабана (верхний и нижний), фронтового, боковых и заднего экранов, образующих топочную камеру, и конвективных труб. Внутренние диаметры барабанов 1000 мм. Длина цилиндрической части барабанов 5500 мм. Межцентровое расстояние установки барабанов 2700 мм.

Снизу в топку подается нужный для сгорания топлива воздух посредством дутьевых вентиляторов. Газ подается по трубопроводу на газовую горелку ГМГП 10. Смешение газа с воздухом в горелке происходит благодаря тому, что газ поступает в смесительную камеру горелки из головок - газопроводных труб несколькими струями под углом к направлению завихренного потока воздуха, поступающего в смесительную камеру из межтрубного пространства горелки.

Продукты сгорания топлива, называемые иначе газами, поступают в котельные газоходы, омывают трубы экономайзера, в которых происходит подогрев питательной воды до температуры 135, поступающей в барабаны котла. Далее дымовые газы проходят в дымоход и поступают в воздухоподогреватель. Из него газы через дымовую трубу выходят в атмосферу. Вода в котел подается по трубопроводу. Пар из барабана котла поступает в паровую сеть (магистраль).

1.2.3 Водоподогреватели

Основным оборудованием теплоподготовительных установок являются водоподогреватели (часто называемые бойлерами). Применяют водоподогреватели для нагрева в котельных с паровыми котлами воды, подаваемой в тепловые сети, водопроводной воды, поступающей в водоподготовительные установки, и для других целей, а также для подогрева воды в тепловых пунктах потребителей.

Водоподогреватели различают: по греющему теплоносителю (пароводяные и водоводяные), по расположению (горизонтальные, вертикальные), по устройству (трубчатые, кожуховые), по числу ходов нагреваемой воды (одноходовые, многоходовые), по емкости нагреваемой воды (скоростные, емкостные), по количеству секций (однокорпусные, многокорпусные или секционные), по характеру нагрузок (основные, пиковые).

Вертикальные пароводяные подогреватели применяют в крупных, а горизонтальные в - небольших котельных. Водоводяные подогреватели применяют в водогрейных котельных и в тепловых пунктах местных систем теплоснабжения. Емкостные подогреватели устанавливают на объектах с неравномерным потреблением воды (например, в душевых).

Водоподогреватели должны быть оснащены термометрами и манометрами, позволяющими контролировать перепады температуры и давления воды. Для контроля за уровнем конденсата в корпусах пароводяных подогревателей предусматривают указатели уровня воды.

Для изготовления водоподогревателей чаще всего применяют латунные, трубы более устойчивые, чем стальные, против коррозии. Наружные поверхности водоподогревателей, как и других теплообменных аппаратов, должны быть покрыты тепловой изоляцией, если температура греющей среды в них превышает 60?C.

1.2.4 Трубопроводы

Трубопроводы предназначены для соединения между собой всего действующего оборудования: парогенераторов, насосов, теплообменных аппаратов и т. д.

Трубопроводы состоят из системы труб и арматуры предназначенной для отключения отдельных трубопроводов и их участков, регулирования количества транспортируемого теплоносителя и его направления.

В настоящее время все элементы трубопроводов выполняются по отраслевым стандартам (ОСТ). Расчет диаметров трубопроводов производится по расходу протекающей среды и рекомендуемым значениям скорости.

Материал и толщина стенок трубопроводов выбираются в зависимости от давления и температуры протекающей среды в соответствии с правилами Гостехнадзора. Трубопроводы изготовляют из бесшовных электросварных труб.

При сооружении трубопроводов трубы между собой и с арматурой соединяют посредством сварки или фланцев. В настоящее время трубы соединяют между собой, кА правило сваркой, а фланцевые соединения применяют только при установке арматуры работающей с низким давлением. Для высокого давления применяется бесфланцевая арматура, соединяемая с трубопроводом посредством сварки.

Изменение температуры трубопровода вызывает изменение его длины. Каждый метр стальной трубы при изменении температуры на 100 К меняет свою длину на 1,2 мм. При изменении длины под влиянием температуры в трубопроводе возникают значительные термические напряжения способные вызвать его разрушение. Во избежание этого необходимо предусматривать возможность свободного перемещения трубопровода в определенных направлениях для компенсации изменения его длины под воздействием температуры.

Компенсация тепловых удлинений трубопроводов осуществляется либо установкой компенсаторов, либо изгибами трубопровода, специально предусматриваемыми при его трассировке.

Схема трубопроводов теплосети должна быть простой и надежной, а устанавливаемая на трубах арматура должна обеспечивать выполнение необходимых в эксплуатации переключений без нарушения технологического процесса работы основного и вспомогательного оборудования.

Для уменьшения тепловых потерь, а также во избежание ожога обслуживающего персонала все трубопроводы покрываются тепловой изоляцией.

1.3 Анализ применяемых методов и средств контроля, регулирования и сигнализации технологических параметров

Основным технологическим процессом, происходящим в системе теплоснабжения, является циркуляция, подогретой воды (теплоносителя) в бойлере, по всей тепловой сети.

Для разработки системы управления теплоснабжением определим основные технологические параметры теплоносителя, которые необходимо контролировать и поддерживать в определенных значениях для нормальной работы системы.

Параметрами теплоносителей называют температуру и давление. Вместо давления в практике эксплуатации широко пользуются другой единицей - напором.

Напор и давление связаны зависимостью

где Н - напор, м;

Р - давление, Па;

с - плотность теплоносителя, кг/м³;

g -ускорение свободного падения, м/с².

Сетевой насос за счет создаваемого давления обеспечивает поступление воды в систему водоподогревателей и циркуляцию ее по всей тепловой сети. Система водоподогревателей состоит из пяти линий. В каждой из этих линий имеется два бойлера предварительного нагрева и один бойлер основного нагрева. В бойлерах предварительного нагрева сетевая вода нагревается конденсатом, который образуется после прохождения пара по бойлеру основного нагрева. В бойлере основного нагрева вода нагревается паром, поступающим из парогенератора. Пар в бойлер поступает под постоянным давлением и постоянной температурой . Изменение температуры нагрева сетевой воды в бойлере происходит за счет изменения подаваемого количества пара (увеличение или уменьшение подачи газа в топку котла). В данной системе теплоснабжения для нагрева сетевой воды задействован один парогенератор и одна линия водоподогревателей.

В системе водоподогревателей теплоноситель (вода) может нагреться до температуры выше положенной по отопительному графику. Для поддержания заданной температуры в системе предусмотрена редукционно-охладительная установка (РОУ), принцип работы которой основан на подмешивании подогретой воды обратной сетевой водой. Основным оборудованием РОУ является регулятор температуры Р25.2 задние температуры, которому подается с пульта управления.

Давление перед сетью потребителей должно поддерживаться в определенных значениях Повышение давления перед сетью потребителей может привести к нарушению сварных соединений трубопроводов, а понижение давления может привести к нарушению циркуляции воды в сети потребителей.

Основным параметром, характеризующим нормальную работу системы, являются показания давления на обратной линии сетевой воды. Эти показания снимаются электро - контактным манометром и передаются на пульт управления. При понижении давления до значения срабатывает сигнализация и происходит остановка работы парогенератора до устранения причин падения давления. Понижение давления обычно сопровождается увеличением расхода сетевой воды (неполадки в системе). Для определения увеличения расхода сетевой воды на подпиточной линии установлен расходомер сигнал, которого передается на пульт управления. Общее количество используемой воды в системе теплоснабжения . Нормальным расходом является расход, при котором процент подпитки равен 0,25% от общего количества сетевой воды.

Одним из методов модернизации системы управления теплоснабжением является внедрение систем с частотно - регулируемыми приводами насосных агрегатов. Именно этот метод позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудования.

Попробуем разобраться, за счет чего и когда появляется возможность экономии потребляемой энергии приводами насосов и что необходимо делать для того, чтобы эту экономию получить, не нарушая общий ход технологического процесса. Для примера возьмем обобщенную технологическую схему системы, обеспечивающей подачу воды в сеть потребителей с постоянным заданным давлением (рисунок 1.4). Аналогичный подход можно применить и в других технологических системах, где в качестве транспортируемого вещества может быть жидкость или газ.

Рисунок 1.4 - Пример упрощенной технологической схемы с насосным агрегатом

З1, З2 - запорные технологические задвижки;

Р - насосный агрегат;

К₁ - обратный клапан;

Ф - фильтр;

К₂ - регулирующий клапан.

Основными элементами схемы являются запорные технологические задвижки З1 и З2, насосный агрегат Р, обратный клапан К1, фильтр воды Ф и регулирующий клапан К2. В этой схеме можно выделить и основные технологические параметры, среди которых - напор создаваемый источником подачи воды, - напор получаемый после насосного агрегата, - напор перед регулирующим клапаном, - напор в сети потребителей и - расходы воды потребителей сети. Кроме того, можно выделить напор , развиваемый насосным агрегатом, а также потери напора на элементах системы, расположенных между насосным агрегатом Р и сетью потребителей: - потери напора на задвижке З2 и водяном фильтре и - потери напора на регулирующем клапане.

Рассматривая энергетические характеристики технологического процесса объекта, можно написать, что требуемая (полезная) энергия для подачи воды потребителям может быть рассчитана как

Для нормальной работы сети чаще всего необходимо создание постоянного значения напора . Величины расходов определяются потребителями и с течением времени могут меняться. Гидравлическая энергия, развиваемая насосным агрегатом, может быть получена как

,

где сумма расходов составляет общий сетевой расход воды . В идеальном варианте желательно, чтобы сохранялось равенство и . На самом деле между насосным агрегатом и сетью установлены элементы со своими гидравлическими сопротивлениями, на которых теряется часть напора, развиваемого насосным агрегатом,

Таким образом, потери энергии на технологическое обеспечение параметров перекачиваемой жидкости можно определить как

Следовательно, для поддержания заданных технологических параметров сети насос должен развивать гидравлическую мощность, равную

Последнее выражение показывает, что потери энергии в технологическом процессе зависят от расхода сети (технологической нагрузки), определяемого потребителем, и потерь напора на оборудовании насосной станции , которые определяются гидравлическим сопротивлением элементов схемы. В общем случае оценить эти потери напора можно, сравнив показания манометров перед напорной задвижкой 32 и манометра в сетевом трубопроводе. Чем больше разница в их показаниях, тем больше потерь энергии имеет система. Для организации технологического процесса с минимальными энергетическими потерями необходимо, в первую очередь, снизить потери напора между трубопроводом насосного агрегата и сетью потребителей - .

Теперь рассмотрим работу технологического процесса, с точки зрения изменения параметров нагрузки сети - . Для этого воспользуемся известными характеристиками для насосных агрегатов и сети (рисунок 1.5). Кривая 1 соответствует напорной характеристике насосного агрегата, а кривая 2 - гидравлической характеристике сети, где - требуемый статический напор сети. Точка пересечения этих характеристик является идеальной расчетной точкой совместной работы насосного агрегата и сети . При изменении расхода в сети меняется ее гидравлическая характеристика - линии 3-5. Соответственно будут сдвигаться точки пересечения характеристик. Как видно из рисунка, с уменьшением расхода увеличивается давление в сети.

Кроме того, в процессе функционирования в зависимости от режимов работы системы может меняться давление перед насосом, создаваемое источником водоснабжения. Изменения этого давления также отражаются на величине давления в сети потребителей.

Рисунок 1.5 - Характеристики насосного агрегата и сети без регулирования давления

Такой характер взаимосвязи параметров требует установки в системе регулирующих элементов - регулирующих клапанов (иногда их роль выполняют напорные задвижки агрегатов). Эти элементы создают дополнительное гидравлическое сопротивление и позволяют обеспечить стабильное давление в сетевом трубопроводе. При использовании дроссельных элементов происходит распределение напора на элементах системы. Это распределение напора показано на рисунке 1.6, где - падение напора на дроссельном элементе.

Для поддержания заданного давления в сетевом трубопроводе при изменении расхода жидкости приходится изменять гидравлическое сопротивление регулирующего элемента. При этом общая гидравлическая характеристика будет иметь более крутой вид. Величина с таким регулированием неуклонно увеличивается. Таким образом, чем глубже производится дросселирование регулирующим элементом, тем больше энергетических потерь имеет весь технологический процесс.

На величину потерь при дроссельном регулировании влияет не только регулирующий элемент: чаще всего на этапе проектирования выбирается насосный агрегат с определенным запасом напора, а при замене насосных агрегатов новое оборудование может иметь несколько завышенные напорные характеристики. Кроме того, диапазон изменения входных давлений (перед всасывающим патрубком насосного агрегата) оказывает влияние на величину давления за насосным агрегатом. Все эти обстоятельства приводят к тому, что потери энергии в ходе технологического процесса становятся достаточно большими, достигающими 45 и более процентов от номинальной мощности агрегата.

Для решения задачи минимизации потерь, связанных с регулированием давления в сети, необходимо исключить дополнительные гидравлические сопротивления на участке от насосного агрегата до сетевого трубопровода, то есть необходимо полностью открыть всю запорно-регулирующую арматуру. Это можно сделать, если процесс регулирования давления передать насосному агрегату. Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики.

Рисунок 1.6 - Характеристики насосного агрегата и сети с дроссельным регулированием

Кроме того, напор, создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата. Изменение напорных характеристик насосного агрегата при изменении частоты вращения иллюстрирует рисунок 1.7, на котором кривая 1 соответствует номинальной (при номинальной частоте вращения привода) напорной характеристике, а кривые 2-4 - напорным характеристикам при пониженной частоте вращения.

Если организовать работу привода насосного агрегата таким образом, чтобы он при изменении параметров технологического процесса (расхода в сети и давления на входе агрегата) изменял частоту вращения, то в итоге можно без существенных потерь энергии стабилизировать давление в сети потребителей. При таком способе регулирования исключаются потери напора (нет дроссельных элементов), а значит, и потери гидравлической энергии.

Способ регулирования давления в сети путем изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление еще и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата.

Рисунок 1.7 - Характеристики насосного агрегата и сети с частотным регулированием

Характер изменения коэффициента полезного действия насоса в зависимости от расхода жидкости при различных частотах вращения представлен на рисунке 1.8. В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае к.п.д. насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повышения коэффициента полезного действия самого насоса - преобразования механической энергии в гидравлическую.

Применение частотного регулирования приводов позволяет существенно уменьшить и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием агрегатов и систем. Например, снижение перепада давления между всасывающим и напорным патрубками насосного агрегата увеличивает срок службы сальниковых уплотнений, практически исключает гидроудары и обеспечивает стабильность давлений в трубопроводах сетей, а также минимизирует затраты на их обслуживание.

Рисунок 1.8 - Изменение КПД насосного агрегата с частотным регулированием при изменении производительности

Практика применения частотных преобразователей для управления насосами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания специализированных систем управления технологическим процессом на основе применения программируемого логического контролера. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудования. Современные преобразователи частоты позволяют получать более 20 параметров состояния электропривода. Соответствующая обработка этих параметров позволяет проводить глубокое диагностирование, как оборудования системы, так и протекающих процессов. Появляется возможность не только реагировать на возникшую аварию, но и предупреждать её, что для энергетических объектов значительно важнее.

2. Автоматизация системы управления

2.1 Разработка функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации является одним из основных проектных документов, определяющим структуру и уровень автоматизации технологического процесса участка (цеха) или отдельного объекта и оснащение его средствами автоматизации. Функциональная схема представляет собой чертеж, на котором при помощи условных изображений показывают технологическое оборудование, коммуникации, органы управления, средства автоматизации, включая вычислительную технику.

Функциональная схема автоматизации является основанием для выполнения других схем автоматизации, например, принципиальных электрических и принципиальных гидропневматических схем систем управления, регулирования сигнализации и блокировок, монтажных схем местных центральных щитов и пультов управления.

Схема автоматизации системы теплоснабжения предусматривает следующие действия:

· ручной пуск сетевого насоса;

· автоматическое регулирование параметров сети, после включения системы управления:

· давление в сети;

· температуру в сети;

· автоматическую защиту и остановку сетевого насоса при возникновении аварийных ситуаций;

· дистанционное управление регулирующими исполнительными механизмами;

· автоматизированный сбор и архивирование информации с помощью установленного теплосчетчика - регистратора «ВЗЛЕТ ТСР».

На функциональной схеме, разработанной в проекте, дано изображение исполнительных механизмов, подлежащих автоматизации, а также приборов, средств автоматизации и управления, изображенных условными обозначениями по действующим стандартам, а также линии связи между ними.

Функциональная схема содержит систему дистанционного управления клапаном 1Б, обеспечивающему подмешивание прямой подогретой воды обратной сетевой водой, для регулирования температуры в прямой линии, согласно отопительному графику. Открытие и закрытие клапана производится исполнительным механизмом 1А, с помощью магнитного пускателя 1В подключенного к контролеру.

Регулирование давления в системе теплоснабжения производится сетевым насосом 2А, исполнительный механизм 2Б (двигатель) которого, подключен к сети электропитания, с помощью преобразователя частоты 2Б. Преобразователь частоты изменяет частоту сети электропитания, подаваемую на исполнительный механизм. Изменение частоты сети вызывает изменение числа оборотов вала двигателя и соответственно изменение давления в системе теплоснабжения. Управление преобразователем частоты осуществляется с помощью контролера, который обрабатывает информацию от датчиков и вырабатывает управляющее воздействие. Контроль параметров температуры, давления, расхода осуществляется теплосчетчиком - регистратором «ВЗЛЕТ ТСР».

2.2 Разработка структуры системы управления

Главные показатели, которые должна обеспечить предлагаемая структура системы управления следующие:

- обеспечение безопасного технологического режима работы системы теплоснабжения;

- снижение расхода электроэнергии;

- увеличение срока службы технологического оборудования;

- улучшение условий труда обслуживающего персонала;

- уменьшение потерь связанных с авариями.

В проекте автоматизации системы управления теплоснабжением предусмотрена двух уровневая структура системы управления. Основные задачи управления распределены между уровнями управления.

Предлагаемая структура системы управления представлена на рисунке 2.1.

/

Рисунок - 2.1 - Структура системы управления

На нижнем уровне управления располагаются датчики давления, датчики температуры датчики расхода, исполнительные механизмы, пускатели, а также средства дистанционного управления исполнительными механизмами. Вместо датчиков давления, температуры, расхода используются датчики теплосчетчика - регистратора «ВЗЛЕТ ТСР», который измеряет, эти параметры и обеспечивает вывод измерительной информации через последовательный интерфейс RS232. На среднем уровне используется программируемый логический контроллер Ремиконт Р-130, обеспечивающий функции сбора и обработки информации, а также дистанционное управление исполнительными устройствами.

2.3 Выбор и обоснование технических средств автоматизации

Средства автоматизации, с помощью которых будет осуществляться управление процессом, должны быть выбраны технически грамотно и экономически обоснованно.

Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учетом особенностей конкретного объекта управления и принятой системы управления.

Выбор конкретных типов средств контроля и автоматизации проводят исходя, из следующих соображений:

для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса следует применять одинаковые автоматические устройства, что облегчает их приобретение, настройку, эксплуатацию и ремонт;

следует отдавать предпочтение автоматическим устройствам серийного производства;

класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

для автоматизации технологических процессов, протекающих в агрессивных средах, следует предусмотреть установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении необходимо предусмотреть их защиту.

На основе вышеизложенных правил и рекомендаций производим выбор конкретных средств контроля и автоматизации.

2.3.1 Выбор и обоснование микропроцессорного контроллера (МК)

За последние годы достигнуты значительные успехи в совершенствовании методов и средств управления технологическими процессами. До появления и широкого освоения промышленностью дешевых программируемых средств (микропроцессоров, ПЗУ, ПЛМ и др.) техническую основу систем автоматизации составляли, с одной стороны, аналоговые и релейные схемы с 'жестким' алгоритмом функционирования, а с другой - свободно программируемые управляющие устройства на базе мини - и микро-ЭВМ. В настоящее время в промышленности широкое применение нашел новый класс микропроцессорных средств автоматизации - программируемые контроллеры, появившиеся на базе развития и слияния двух предшествовавших направлений.

Использование контроллера в системе управления имеет ряд преимуществ:

1) контроллер одинаково хорошо работает как в линейных, так и в нелинейных системах управления;

2) в отличие от аналоговых регуляторов контроллер не требует дополнительной аппаратуры;

3) все вычисления производятся по машинным программам, которые при необходимости могут быть изменены;

4) контроллер может регулировать процесс при изменяющемся во времени задании (законе регулирования), причем без подключения дополнительной аппаратуры и без вмешательства оператора.

В настоящее время из-за финансовых трудностей не представляется возможным разработка для конкретного регулируемого электропривода оптимального по составу, функциональным конструктивным требованиям специализированного микропроцессорного устройства, как это делают известные фирмы-производители электроприводов за рубежом. Поэтому в наших условиях единственным вариантом создания современной высокотехнологичной системы управления является применение доступных на отечественном рынке готовых микропроцессорных комплектов.

Выбор контролера произведем, рассмотрев несколько доступных на российском рынке контролеров отечественного и зарубежного производства, учитывая их стоимость и функциональные возможности.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-300

Программируемые контроллеры SIMATIC являются базовой системой автоматизации всех отраслей промышленного производства, объединяющей в своем составе стандартную аппаратуру управления и широкую гамму промышленного программного обеспечения.

Программируемый контроллер SIMATIC S7-300 стандартного исполнения предназначен для эксплуатации в нормальных промышленных условиях.

Ключевые особенности контролера SIMATIC S7-300:

- модульный программируемый контроллер предназначен для решения задач автоматизации низкой и средней степени сложности;

- широкий спектр модулей для максимальной адаптации аппаратуры к решению любой задачи;

- высокая гибкость, возможность использования систем распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности;

- удобная конструкция, простота монтажа, работа с естественным охлаждением;

- простота расширения системы в ходе модернизации объекта;

- высокая производительность благодаря наличию большого количества встроенных функций;

- степень защиты IP 20 в соответствии с IEC 529;

- диапазон рабочих температур при горизонтальной установке 0…60°C (-25…60°C - Outdoor);

- при вертикальной установке 0…40°C (-25…40°C - Outdoor);

- относительная влажность 5…95%, без конденсата (RH уровень сложности 2 в соответствии с IEC 1131-2);

- атмосферное давление 795 … 1080 ГПa;

- изоляция цепи =24 В - испытательное напряжение =500В;

- изоляция цепи ~230 В - испытательное напряжение ~1460В.

Характерные особенности структуры ПЛК фирмы Siemens:

1. Два многофункциональных модуля менеджера событий (EVA и EVB). Восьмиканальный генератор (ШИМ) и два 16-разрядных таймера общего назначения в составе каждого менеджера событий обеспечивают:

прямое цифровое управление по шести каналам трехфазным инвертором напряжения в режимах фронтовой, центрированной или векторной ШИМ-модуляции;

управление дополнительными ключами по двум каналам в режимах стандартной фронтовой или центрированной ШИМ-модуляции;

быстродействующую аварийную блокировку выходов ШИМ-генератора по внешнему сигналу;

защиту силовых ключей в стойке инвертора от сквозного тока на базе программируемого генератора «мертвого времени».

Блок трехканального модуля захвата в составе менеджера событий используется для ввода и измерения длительности импульсных сигналов. На его основе реализуются встроенный «квадратурный» декодер для интерфейса с импульсным датчиком положения в системах цифрового измерения положения и скорости.

В составе менеджера событий имеется также блок синхронизации запуска встроенного АЦП по характерным моментам периода ШИМ.

Оптимизированная архитектура блока менеджеров событий предназначена для прямого цифрового управления приводами всех типов на базе асинхронных, синхронных, шаговых, вентильно-индукторных, двигателей постоянного тока, для построения многодвигательных систем приводов.

Наличие значительного числа каналов ШИМ открывает новые перспективы перед разработчиками систем управления. В этом случае ПЛК может одновременно в реальном времени управлять входными и выходными сигналами.

2. Возросшая производительность 16-канального последовательного 10-разрядного АЦП с встроенным УВХ. Время преобразования существенно уменьшилось и составляет 500нс на канал, включая время выборки данных. АЦП может работать в режиме автоматического сканирования, когда выполняется когда выполняется последовательный запуск аналого-цифрового преобразования по заранее заданным пользователем каналам, т.е. реализуется так называемая «измерительная сессия». Для Simatic S7-400 для каждого из 16 каналов предусмотрены свои индивидуальные регистры результата. Такой подход позволяет полностью отделить процесс получения данных от процесса их анализа, упрощая и ускоряя программирование. В течение одной сессии можно выполнить до 16 преобразований. Аналоговые АЦП могут рассматриваться как 16 независимых каналов или как две группы каналов по 8 входов в каждой группе. В последнем случае имеется возможность управлять процессом преобразования данных в каждой группе входов от своего менеджера событий EVA или EVB. Гибкая система прерываний позволяет формировать запрос прерывания по готовности данных в конце каждого отдельного преобразования или по завершении сессии преобразований. Имеются режимы автоматической калибровки и тестирования АЦП.

3. Встроенный CAN-контроллер с поддержкой протокола 2.0В для реализации локальных промышленных сетей микроконтроллеров по двухпроводной связи.

4. Режим отладки в реальном времени с помощью внутрисхемного эмулятора, подключенного к контроллеру через интерфейс JTAG (IEEE Standard 1149.1).

Многофункциональный микропроцессорный контроллер КР-300М.

КР-300М -- это компактный многоканальный многофункциональный высокопроизводительный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами. Контроллер КР-300М эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления.

Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложности и широким динамическим диапазоном изменения технологических параметров, а также построения отдельных подсистем сложных АСУ ТП, обеспечивая при этом оптимальное соотношение производительность/стоимость одного управляющего или информационного канала.

Основные области применения контроллера:

АСУ ТП малой и средней сложности предприятий с непрерывными или дискретными технологическими процессами различных отраслей (энергетические, химические, нефте- и газодобывающие, машиностроительные, сельскохозяйственные, пищевые производства, производство стройматериалов, предприятия коммунального хозяйства т.п.).

Управление механизмами, агрегатами, линиями и т.п. как автономно, так и в составе АСУ ТП.

Контроллер предназначен для решения следующих задач:

Сбор информации с датчиков различных типов и ее первичная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков, «офизичивание» сигналов и т.п.).

Выдача управляющих воздействий на исполнительные органы различных типов.

Контроль технологических параметров по граничным значениям и аварийная защита технологического оборудования.

Регулирование прямых и косвенных параметров по различным законам.

Логическое, программно-логическое управление технологическими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования.

Математическая обработка информации по различным алгоритмам.

Регистрация и архивация технологических параметров.

Технический учет материальных и энергетических потоков (электроэнергия, тепло) различными участками производства.

Обмен данными с другими контроллерами в рамках контроллерной управляющей сети реального времени.

Обслуживание технолога-оператора, прием и исполнение его команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация, индикация значений прямых и косвенных параметров, выдача значений параметров и различных сообщений на пульт контроллера ПК и ПЭВМ верхнего уровня.

Обслуживание технического персонала при наладке, программировании, ремонте, проверке технического состояния контроллера.

Самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу.

Решение этих задач поддерживается аппаратными, программными и языковыми средствами контроллера.

Контроллер КР-300М является программируемым изделием. Программирование контроллера осуществляется при помощи технологических языков, не требующих привлечения профессиональных программистов при разработке технологических программ - языка Функциональных Алгоритмических Блоков ФАБЛ и процедурного языка высокого уровня Процедурный ТЕКСТ ПРОТЕКСТ. Процесс программирования на языке Фабл сводится к объединению в систему заданной конфигурации нужных алгоритмов, зашитых в постоянной памяти контроллера, на языке Протекст - к записи условий, содержащих алгебраические или логические выражения. Созданная таким образом программа записывается в энергонезависимую флэш-память с электрической записью и электрическим стиранием.

Программирование контроллеров и отладка программ пользователя ведется при помощи персонального компьютера и пакета ИСТОК (Интегрированная Среда Технического Обслуживания Контроллеров).

Для оперативного контроля и управления параметрами технологического процесса оператор-технолог может использовать следующие виды оборудования, встроенные в контроллер или подключенные к нему:

пульт контроллера ПК;

персональный компьютер.

Контроллер КР-300М содержит четыре функциональных подсистемы, поддерживаемых технологическими языками программирования и режимами работы пульта контроллера ѕ регулирующую, логическую, группового контроля и управления и программируемую. Первые три подсистемы поддерживаются обоими технологическими языками, последняя - только языком ПроТекст. Функции всех подсистем выполняются контроллером параллельно, но пульт контроллера в каждый момент времени может взаимодействовать только с одной из подсистем, назначенной оператором.

Регулирующая подсистема контроллера позволяет вести локальное, каскадное, программное, супервизорное, многосвязное регулирование. Архитектура этой подсистемы обеспечивает возможность вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры управления, причем все эти операции выполняются безударно независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта подсистема позволяет выполнить также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления.

Логическая подсистема контроллера формирует логическую программу шагового управления с анализом условий выполнения каждого шага, заданием контрольного времени на каждом шаге и условным или безусловным переходом программы к заданному шагу. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта подсистема позволяет выполнять также разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов, вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы.

Подсистема группового контроля и управления осуществляет информационный контроль и ручное управление большим количеством аналоговых и дискретных сигналов. В сочетании с возможностями контроллеров по обмену данными через контроллерную сеть эта подсистема обеспечивает работу контроллера в качестве диспетчера контроллерной сети, осуществляющего сбор, контроль и изменение данных других контроллеров.

Регулирующая, логическая и групповая подсистемы контроллера содержат встроенные программные средства взаимодействия с пультом контроллера, обеспечивающие его работу в стандартных штатных режимах, описанных в инструкции по эксплуатации. Эти средства позволяют вручную изменять режим работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и индицировать ошибки.

Программируемая подсистема обеспечивает взаимодействие с пультом на более низком уровне ѕ клавиш, светодиодов, цифровых индикаторов, что позволяет программировать работу пульта с помощью языка ПроТекст и создавать нестандартные, в том числе объектно-ориентированные режимы работы пульта. В этом случае инструкция по оперативному управлению контроллером создается разработчиком технологической программы.

Кроме классических задач регулирования и логического управления контроллер может выполнять функции регистрации параметров в оперативной памяти и архивации параметров на твердотельном флэш-диске в календарном времени, с последующей выдачей этих параметров на ПЭВМ.

Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к контроллеру КР-300М с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Встроенная батарея обеспечивает сохранение оперативных данных и работу таймера-календаря при отключении питания.

Контроллер КР-300 представляет собой комплекс технических средств. В его состав входят центральный микропроцессорный блок контроллера БК, до 4-х блоков расширения устройств связи с объектом БУСО и ряд дополнительных блоков.

Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку цифровой информации, осуществляет связь по сети и с верхним уровнем, ведет счет календарного времени, вырабатывает управляющие воздействия.

Блок БУСО предназначен для увеличения числа входов-выходов контроллера.

Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления, формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних переключений и блокировок и т.п.

Контроллер КР-300 является проектно-компонуемым изделием. Его состав и ряд параметров определяются потребителем и указываются в заказе.

В контроллере КР-300 встроены развитые средства самодиагностики, сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе аппаратуры, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по сети и т.п. Для дистанционной передачи информации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы.

Малоканальный микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-130.

Ремиконт Р-130 - это компактный малоканальный многофункциональный микропроцессорный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами. Он находит применение в электротехнической, энергетической, химической, металлургической, пищевой, цементной, стекольной и других отраслях промышленности.

Ремиконт Р-130 эффективно решает как сравнительно простые, так и сложные задачи управления.

Благодаря малоканальности Ремиконт Р-130 позволяет, с одной стороны, экономично управлять небольшим агрегатом и, с другой,- обеспечить высокую живучесть крупных систем управления.

Ремиконт Р-130 имеет две модели - регулирующую и логическую. Регулирующая модель предназначена для решения задач автоматического регулирования, логическая модель - для реализации логических программ шагового управления.

Регулирующая модель Ремиконта Р-130 позволяет вести локальное, каскадное, программное, супервизорное, многосвязное регулирование. Архитектура этой модели дает возможность вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры регулирования, причем все эти операции выполняются безударно независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой дискретных сигналов эта модель позволяет выполнять также логические преобразования сигналов и вырабатывать не только аналоговые или импульсные, но и дискретные команды управления.

Логическая модель Ремиконта Р-130 формирует логическую программу шагового управления анализом условий выполнения каждого шага, заданием контрольного времени на каждом шаге условным или безусловным переходом программы к заданному шагу. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта модель позволяет выполнять также разнообразные функциональные преобразования аналоговых сигналов и вырабатывать не только дискретные, но и аналоговые управляющие сигналы.

Все модели Ремиконта Р-130 содержат средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера, позволяющие вручную изменять режимы работы, устанавливать задание, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и индицировать ошибки.

Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполнительные устройства подключаются к Ремиконту Р-130 с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Контроллеры Р-130 могут объединяться в локальную управляющую сеть МАГИСТР с конфигурацией «общая шина» и настраиваемой пользователем скоростью передачи данных. Для такого объединения никаких дополнительных устройств не требуются. Через сеть контроллеры могут обмениваться информацией в цифровой форме по витой паре проводов. Производительность сети обеспечивает обмен данными в реальном времени и позволяет рассматривать контроллеры сети как единую распределенную в пространстве систему.

Каждый контроллер Ремиконт Р-130, независимо от того, включен он в сеть или нет, может взаимодействовать с любым внешним абонентом (например, ЭВМ верхнего уровня), имеющим интерфейс RS_232, RS-485 или ИРПС.

Ремиконт Р-130 - программируемое устройство, но для работы с ним не нужны программисты. Процесс программирования сводится к тому, что путем последовательного нажатия нескольких клавиш из библиотеки, зашитой в постоянной памяти, извлекаются нужные алгоритмы, эти алгоритмы объединяются в систему заданной конфигурации и в них устанавливаются требуемые параметры настройки.

С помощью встроенной батареи при отключении питания запрограммированная информация сохраняется. Запрограммированная информация может быть записана в ППЗУ.

Ремиконт Р-130 представляет собой комплекс технических средств. В его состав входит центральный микропроцессорный блок контроллера и ряд дополнительных блоков. Центральный блок преобразует аналоговую и дискретную информацию в цифровую форму, ведет обработку цифровой формации и вырабатывает управляющие воздействия. Дополнительные блоки используются для предварительного усиления сигналов термопар и термометров сопротивления, формирования дискретных выходных сигналов на напряжение 220 В, организации внешних переключении и блокировок и т. п.

Ремиконт Р-130 является проектно-компонуемым изделием. Его состав и ряд параметров определяются потребителем и указываются в заказе. В Ремиконт Р-130 встроены развитые средства самодиагностики, сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе аппаратуры, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по сети и т.п. Для дистанционной передачи информации об отказе предусмотрены специальные дискретные выходы.

В регулирующей модели Ремиконта Р-130 предусмотрено:

1. До 4 независимых контуров регулирования, каждый из которых может быть локальным или каскадным, с аналоговым или импульсным выходом, с ручным, программным (в том числе многопрограммным) или супервизорным задатчиком.

2. Разнообразное сочетание (по заказу) аналоговых и дискретных входов-выходов.

3. 76 зашитых в ПЗУ алгоритмов непрерывной и дискретной обработки информации, включая алгоритмы ПИД-регулирования, математических, динамических, нелинейных, аналого-дискретных и логических преобразований.

4. До 99 алгоритмических блоков (алгоблоков) со свободным их заполнением любыми алгоритмами из библиотеки и свободным конфигурированием между собой и с входами-выходами контроллера.

5. Ручная установка или автоподстройка любых коэффициентов в любых алгоритмах.

6. Безударное изменение режимов управления и безударное включение, отключение, переключение и реконфигурация контуров регулирования любой степени сложности.

7. Формирование нескольких (до 40) программ с возможностью оперативного выбора нужной программы и ее однократного, многократного или циклического выполнения.

8. Оперативное управление контурами регулирования с помощью 12 клавиш, 2 четырехразрядных цифровых индикаторов и набора светодиодов, позволяющих менять режимы, устанавливать задание, управлять исполнительными механизмами, контролировать сигналы, индицировать аварийные ситуации. При программном регулировании средства оперативного управления позволяют выбирать требуемую программу, пускать, останавливать и сбрасывать программу, переходить к следующему участку программы, а также контролировать ход выполнения программы.

В логической модели Ремиконта Р-130 предусмотрено:

1. До 4 независимых логических программ шагового управления, каждая из которых может быть линейной (выполняющейся последовательно шаг за шагом) или разветвленной с безусловными или условными переходами.

2. До 87 этапов программы с возможностью реализации в каждом этапе до 20 шагов. При этом в каждом шаге задаются условия его выполнения, контрольное время, в течение которого анализируются условия и определяется поведение программы в случае, когда эти условия не выполняются.

3. Разнообразное (по заказу) сочетание аналоговых и дискретных входов-выходов (всего 30 модификаций).

4. 76 зашитых в ПЗУ алгоритмов дискретной и непрерывной обработки информации, включая алгоритмы шагового управления, логических, математических, динамических аналого-дискретных и нелинейных преобразований.

5. До 99 алгоритмических блоков (алгоблоков) со свободным их заполнением любыми алгоритмами из библиотеки и свободным конфигурированием между собой и с входами-выходами контроллера.

6. Ручная установка или автоподстройка любых коэффициентов в любых алгоритмах.

7. Оперативное управление шаговыми программами с помощью 12 клавиш, одного четырехразрядного цифрового индикатора и набора светодиодов, позволяющих выполнять программу в автоматическом или пошаговом режиме, пускать, останавливать и сбрасывать программу, вручную включать или выключать исполнительные устройства, контролировать до 32 дискретных сигналов, а также контролировать ход выполнения программы.

Из рассмотренных выше контроллеров из экономических соображений можно сразу исключить контроллер SIMATIC S7-300 фирмы SIEMENS из-за его высокой цены. Выбор среди оставшихся контроллеров делаем в пользу Р-130, так как он для данного технологического процесса обладает рядом преимуществ по сравнению с КР-300М:

- цена контроллера Р-130 будет меньше чем КР-300М, так как Р-130 имеет меньшее число входных и выходных каналов по сравнению с КР-300М, из чего следует, что не используемых каналов будет меньше.

- для работы с Р-130 не нужны программисты, процесс программирования сводится к тому, что путем последовательного нажатия нескольких клавиш из библиотеки, зашитой в постоянной памяти, извлекаются нужные алгоритмы, что облегчает управление т.к. в структуре управления не предполагается использовать ЭВМ.

2.3.2 Выбор и обоснование датчиков

Датчиком называют первичный измерительный преобразователь, который непосредственно преобразует значение измеряемой величины в один из стандартных сигналов электрический, пневматический или гидравлический.

Подбор датчиков будем вести исходя из следующих соображений:

- так как АСУ ТП выполняется на базе микроконтроллера, то одним из главных факторов будет использование электрических выходных сигналов, либо возможность использования нормирующего преобразователя;

- для измерения одинаковых параметров технологического процесса следует применять одинаковые устройства, что облегчает их приобретение, настройку, ремонт и эксплуатацию;

- следует отдавать предпочтение устройствам серийного производства;

- класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

- использовать уже установленные датчики, если их дальнейшая эксплуатация является целесообразной и не влияет на качество ведения процесса, в целях экономии затрат на приобретение и установку новых.

Давление, температура и расход будут измеряться уже установленным на прямой и обратной лини тепловой сети теплосчетчиком - регистратором «ВЗЛЕТ ТСР» с тепловычислителем исполнения ТСРВ-010.

Теплосчетчик-регистратор «ВЗЛЕТ ТСР» предназначен для измерения, вычисления, индикации, регистрации, хранения и передачи значений количества и параметров тепловой энергии, теплоносителя, горячего и холодного водоснабжения, а также подпитки на источниках тепловой энергии, в системах теплоснабжения/теплопотребления различного типа.

Теплосчетчик «ВЗЛЕТ TCP» с тепловычислителем исполнения ТСРВ-010 обеспечивает:

измерение и индикацию текущих значений расхода, температуры и давления в 1 - 4 трубопроводах; имеется возможность использовать любой незадействованный канал измерения давления для измерения температуры с целью контроля температуры холодной воды и окружающего воздуха;

определение и индикацию текущих значений количества (объема или массы по выбору) теплоносителя, передаваемого по 1 - 4 трубопроводам;

определение и индикацию текущих значений тепловой энергии и тепловой мощности, расходуемой в одной или двух теплосистемах;

архивирование в энергонезависимой памяти результатов измерений, вычислений и хранение параметров функционирования при отключении питания;

ввод, просмотр и вывод согласованных в установленном порядке договорных значений температуры и давления воды в источнике холодного водоснабжения (ХВС), давления теплоносителя в трубопроводах;

вывод измерительной, диагностической, установочной, архивной и т.д. информации через последовательные интерфейсы RS232 (в том числе через телефонный или радиомодем), RS485, а также вывод измерительной и архивной информации на печатающее устройство через адаптер принтера;

вывод результатов измерений в каналах 1, 2 в виде импульсной последовательности;

вывод результатов измерения по одному из каналов в виде нормированного токового сигнала;

автоматический контроль и индикацию наличия неисправностей теплосчетчика и нештатных состояний (режимов работы) теплосистем, а также определение, индикацию и запись в архивы времени работы и останова теплосчетчика для каждой из теплосистем;

защиту архивных и установочных данных от несанкционированного доступа.

Таблица 2.1

Основные технические характеристики теплосчетчика

Принцип действия теплосчетчика основан на измерении параметров теплоносителя и обработке результатов измерений в соответствии с выбранным алгоритмом. Структурная схема теплосчетчика приведена на рисунке 2.2.

Каналы измерения расхода, температуры и давления теплосчетчика состоят из первичного измерительного преобразователя соответствующего параметра (расхода, температуры, давления), линии связи и каналов измерения тепловычислителя.

В качестве преобразователей расхода в составе теплосчетчика могут использоваться электромагнитные, ультразвуковые, вихревые или основанные на иных физических принципах преобразователи, расходомеры, счетчики и т.д., имеющие импульсные выходы. В 1^Ш и 2^Ш, 4^Ш и 5^Ш каналах измерения могут использоваться согласованные по погрешностям измерения пары ПР.

В качестве преобразователей температуры могут использоваться термопреобразователи сопротивления платиновые с номинальными статическими характеристиками преобразования (НСХ) 100П (Pt100), 500П (Pt500) W₁₀₀ = 1,3850 или W₁₀₀ = 1,3910. В дополнительных каналах измерения температуры используются ПТ с нормированным токовым выходным сигналом 4...20 мА для диапазона температур минус 50 ... 50°С.

Рисунок 2.2 - Структурная схема теплосчетчика

ПД - преобразователь давления; ПК - персональный компьютер; ПР - преобразователь расхода; ПТ - преобразователь температуры

В качестве преобразователей давления могут использоваться ПД, обеспечивающие преобразование давления теплоносителя в контролируемом трубопроводе в нормированный токовый выходной сигнал 4...20 (0...5; 0...20) мА. Электропитание ПД может осуществляться либо от встроенного в ТВ, либо от отдельного источника питания (преобразователя).

Питание тепловычислителя обеспечивается от сети 220 (36) В 50 Гц.

2.3.3 Выбор преобразователя частоты

Выбор преобразователя частоты делаем в пользу преобразователя частоты ПЧ-С-300 выпускаемого Ижевским Радиозаводом.

Преобразователь частоты ПЧ-С предназначен для плавного пуска, регулирования скорости вращения вала, контроля и защиты асинхронных трехфазных электродвигателей с короткозамкнутым ротором мощностью от 0,37 кВт до 160 кВт и номинальным напряжением 220 или 380 В.

Преобразователь частоты ПЧ-С выполнен в виде навесного блока со съемной панелью управления и содержит силовые цепи на IGBT-модулях, фильтры, модуль микропроцессора, датчики тока, напряжения и температуры, модуль связи с интерфейсом RS232/RS485 и систему воздушного охлаждения.

Дополнительное оборудование:

· входной и выходной дроссели;

· входной фильтр для обеспечения электромагнитной совместимости;

· выходной фильтр для работы на «длинную линию»;

· тормозной резистор;

· конвертор RS232/RS485;

· конвертор Modbus/Profibus DP-Canbus-Device Net;

· программное обеспечение для удаленного управления через Internet.

Таблица 2.2

Технические характеристики преобразователя частоты С300

Преобразователи частоты выполнены на основе 3-фазного инвертора с ШИМ-модуляцией, преобразующего сетевое напряжение в напряжение с регулируемой амплитудой и частотой. Микропроцессорная система управления гальванически развязана от силовых цепей, обеспечивает регулируемый пуск и торможение, обеспечивает защиту двигателя и преобразователя при возникновении аварийных ситуаций.

Рабочая температура окружающей среды: от -10°С до +40°С.

Преимущества использования преобразователей частоты:

· увеличение срока службы подключаемого оборудования;

· исключение пусковых перегрузок сети;

· сокращение расхода электроэнергии на 20 - 60% и более;

· автоматизация объектов и снижение удельных затрат;

· высокая помехоустойчивость и электробезопасность.

Функции преобразователя частоты:

· формирование напряжения 0-380 В (ПС-С300) частотой 0,5 - 200 Гц

· многофункциональное измерение;

· ПИ-регулирование;

· ускоренное торможение;

· управление одновременно тремя электродвигателями, работающими на одну нагрузку;

· защита по току, напряжению и температуре;

· термическая защита электродвигателя;

· прием управляющих сигналов:

o по 6 цифровым программируемым входам;

o по 2 аналоговым входам;

o вывод контролируемых сигналов:

o на цифровой программируемый выход;

o на релейные программируемые выходы;

o на аналоговые (до 2-х) выходы;

· управление и контроль через интерфейс RS232/RS485

2.4 Разработка функциональной схемы ЭП

Функциональная схема необходима для того, чтобы выяснить, какие функциональные блоки необходимы для реализации управления автоматизированного электропривода. Функциональная схема содержит блоки преобразования силовой энергии, двигатель, измерительные преобразователи, блоки управления, датчики. По функциональной схеме определяют, какие блоки необходимо использовать при составлении структурной схемы ЭП. Функциональная схема позволяет определить, как проходит по схеме силовая энергия (энергия необходимая для выполнения технологического процесса) и по каким элементам схемы проходит сигнал управления.

Применяем систему подчиненного регулирования, которая представляет собой последовательно включенные контуры регулирования, число которых должно равняться числу регулируемых величин. На вход каждого регулятора подается сигнал с предыдущего звена, соответствующий задаваемому уровню. Каждый предыдущий каскад является задающим органом для последующего. Контур регулирования строится так, чтобы иметь только одну составляющую постоянную времени.

Для представления электродвигателя как объекта управления необходимо определить выходные координаты, управляющее воздействие, возмущения и входные параметры. Выходными координатами могут быть: частота вращения электродвигателя; момент на валу электродвигателя; угол поворота вала электродвигателя. Управляющие координаты: ток в цепи статора и напряжение в цепи статора. Возмущающие воздействия: отклонение напряжения промышленной сети; отклонение момента нагрузки; изменение момента инерции перемещающихся механических частей.

Функциональная схема системы частотно-токового управления асинхронным двигателем с АИТ представлена на рисунке 2.3. В ней задающий сигнал определяет частоту переключения тиристоров АИТ, а следовательно, частоту тока статора, если не вошло в зону ограничения устройство ограничения УО. После вычитания из напряжения напряжения, пропорционального угловой скорости двигателя , образуется сигнал абсолютного скольжения , который является управляющим (после прохождения через ФП) для контура регулирования тока. В этот контур входят управляемый выпрямитель УВ с системой управления СУВ, усилитель разности сигнала У, сильная обратная отрицательная связь по току , стабилизирующая ток на уровне, определяемом сигналом задания, и сигнал задания тока , получаемый на выходе функционального преобразователя ФП. В данной схеме . Следовательно, при всех частотах ток двигателя пропорционален скольжению.

При резких изменениях заданного сигнала в системе или при перегрузках двигателя срабатывает ОУ (ограничивая на заданном уровне и задание тока). Система переходит в режим ограничения момента. Сигнал задания частоты в этом режиме определяется текущим значением угловой скорости и заданным ограничителем ОУ абсолютным скольжением.

Система с АИТ позволяет регулировать угловую скорость в диапазоне примерно до (20-30):1.

Рисунок 2.3 - Функциональная схема системы частотно-токового управления АД

2.5 Расчет параметров двигателя

Паспортные данные двигателя

Таблица 2.4 - Геометрические размеры двигателя

Таблица 2.5

Коэффициенты двигателя

Активное сопротивление обмотки фазы статора определяется по формуле 9-178 [21 с158]:

(2.1)

где - удельная электрическая проводимость меди при 20^єС;

- количество витков в обмотке фазы статора, по таблице 2.4;

- средняя длина обмотки фазы статора, по таблице 2.4;

- количество параллельных ветвей обмотки статора, по таблице 2.4;

- количество элементарных проводников, по таблице 2.4;

- площадь поперечного сечения элементарного неизолированного провода, по таблице 2.4.

Активное результирующее сопротивление ротора, определяется по формуле 9-221 [21 с162]:

(2.2)

где - активное сопротивление короткозамыкающих колец приведенное к статору, определяется по формуле 9-220 [21 с162]:

(2.3)

где - коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора, по таблице 2.5;

- сопротивление короткозамыкающих колец, приведенное к току стержня, определяется по формуле 9-199 [21 с161]:

(2.4)

где - удельная электрическая проводимость алюминия;

- количество пазов в сердечнике ротора по таблице 2.4;

- средний диаметр кольца, по таблице 2.4;

- поперечное сечение кольца, по таблице 2.4;

- коэффициент приведения тока кольца к току стержня, по таблице 2.5;

- активное сопротивление верхней части стержня, приведенное к статору, определяется по формуле 9-217 [21 с162]:

(2.5)

где - активное сопротивление верхней части стержня, определяется по формуле 9-216 [21 с162]:

(2.6)

где - длина сердечника ротора, по таблице 2.4;

- площадь поперечного сечения верхней части стержня, по таблице 2.4;

- активное сопротивление нижней части стержня, приведенное к статору, определяется по формуле 9-219 [21 с162]:

(2.7)

где - активное сопротивление нижней части стержня, определяется по формуле 9-218 [21 с162]:

(2.8)

где - площадь поперечного сечения нижней части стержня, по таблице 2.4.

Активное приведенное сопротивление роторной обмотки определяется по формуле 7.17 [1; с131]:

Ом (2.9)

где - ток обмоток статора, по таблице 2.3;

- напряжение обмоток статора, по таблице 2.3;

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора определяется по формуле 9-193 [21; с158]:

Ом (2.10)

где - частота питающей сети статора;

- число эффективных витков в обмотке фазы статора, по таблице 2.4;

- количество пазов сердечника статора на полюс и фазу, по таблице 3.2;

- длина сердечника статора, по таблице 2.4;

- число пар полюсов, по таблице 2.4;

- коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора, определяется по формуле 9-192 [21; с158]:

(2.11)

- коэффициент магнитной проводимости пазового рассеивания, для прямоугольного полуоткрытого паза определяется по формуле 9-193 [21; с158]:

(2.12)

где - размер обмотки, по таблице 3;

- размеры частей обмоток и паза, определяемые по таблице 9-21 [21; с159]

- размер по ширине паза, по таблице 2.4;

- высота шлица, по таблице 2.4;

- высота клина, по таблице 2.4;

- ширина шлица полуоткрытого паза, по таблице 2.4;

- коэффициенты, учитывающие укорочение шага, по таблице 2.5;

- коэффициент проводимости дифференциального рассеяния, определяется по формуле 9-189 [21; с158]:

(2.13)

где - коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора, определяется по таблице 9-22 [21; с159];

- коэффициент дифференциального рассеяния статора, определяется по таблице 9-23 [21; с159];

- коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора, по таблице 2.5;

- воздушный зазор между статором и ротором, по таблице 2.4;

- обмоточный коэффициент, по таблице 2.5;

- зубцовое деление статора в наиболее узком месте, определяется по формуле 9-46 [21 с135]:

(2.14)

где - внутренний диаметр сердечника статора, по таблице 2.4;

- количество пазов сердечника статора, по таблице 2.4;

- коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния, определяется по формуле 9-188 [21 с158]:

(2.15)

- коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки, определяется по формуле 9-191 [21 с158]:

(2.16)

где - средняя длина одной лобовой части обмотки, по таблице 2.4;

- укорочение шага по таблице 2.4;

- полюсное деление, определяется по формуле 9-190 [21 с158]:

(2.17)

Индуктивное результирующее сопротивление определяется по формуле 9-229 [21 с162]:

(2.18)

где - индуктивное сопротивление общей цепи ротора, приведенное к статору, определяется по формуле 9-228 [21 с162]:

(2.19)

где - приведенный коэффициент проводимости рассеяния общей цепи ротора, по таблице 2.5.

Индуктивное приведенное результирующее сопротивление обмотки ротора, определяется по формуле 9-214 [21 с162]:

(2.20)

Полученные результаты сводим в таблицу 2.6.

Таблица 2.6

Результаты расчетов

2.6 Механические характеристики электродвигателя для замкнутой системы регулирования

Определим ток статора при переходных процессах (пуск, торможение) по формуле:

А, (2.21)

где - номинальный ток статора, по таблице 2.3;

=6,5 - перегрузочный коэффициент по току.

Для определения механических характеристик должно поддерживается условие [4; с393]:

, (2,22)

где - фазное напряжение статора;

- номинальное фазное напряжение статора при частоте

- частота питающей сети статора

- номинальная частота питающей сети статора.

Момент двигателя будет определяться по формуле [4; с393]:

, (2.23)

где - номинальное фазное напряжение статора при частоте ;

- частота в долях к номинальной, определяется по рекомендации к формуле [8; с390]:

микропроцессорный технологический автоматизация теплоснабжение

; (2.24)

- приведенное активное сопротивление, по таблице 2.6;

- скольжение;

- номинальная частота вращения двигателя, по таблице 2.3;

- активное сопротивление статора, по таблице 2.6;

- модуль комплекса, согласно рекомендации к формуле 5.34 [8; с392] составим таблицу 2.7 изменения модуля

Таблица 2.7

Параметры модуля комплекса при изменении частоты

- индуктивное сопротивление статора, по таблице 2.6;

-приведенное индуктивное сопротивление ротора, по таблице 2.6.

Угловая скорость рассчитывается по формуле [4; с109]

, (2.25)

где - скорость холостого хода, определяется по формуле [1; с21]:

, (2.26)

где - число пар полюсов, по таблице 3.2.

Тогда угловая скорость будет определяться по формуле:

(2.27)

Составим таблицу 2.8 по формулам (2.23) и (2.27), изменяя величину скольжения ротора.

По таблице 2.8 строим семейство механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при разных частотах и величинах скольжения ротора (рисунок 2.4).

Таблица 2.8

Параметры двигателя (М, w) при частотном управлении АД

Рисунок 2.4 - Механические характеристики АД при частотном управлении

2.7 Расчет и выбор элементов силовой части ЭП

2.7.1 Расчет автономного инвертора

В качестве преобразователя выпрямленного тока в переменное напряжение применяем автономный инвертор тока с включением тиристоров по трехфазной мостовой схеме. Каждый тиристор открыт только в течение интервала , так как при отпирании следующего тиристора той же группы ранее проводивший отпирание тиристор запирает за счет напряжения на соответствующем коммутирующем конденсаторе. Действующее значение синусоидального тока определяется по формуле [5; с659]

, (2.28)

где - выпрямленный ток, управляемый выпрямителем.

Откуда

, (2.29)

По формуле (2.28) определим максимальное и номинальное значения выпрямленного тока управляемым выпрямителем:

где - максимальный ток двигателя статора;

- номинальный ток двигателя статора.

2.7.2 Расчет выпрямителя

В качестве управляемого выпрямителя выбираем схему шестиплечную мостовую. Ток через каждый вентиль проходит в течении 1/3 периода переменного тока. В катодной группе вентилей ток протекает через вентиль, у которого потенциал катода низкий. Каждый вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы, соединенными с другими фазами [11; с157].

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется по формуле [5; с157]:

, (2.30)

где - действующее значение фазного напряжения.

Максимальное значение обратного напряжения, определяется по формуле [11; с157]:

. (2.31)

Среднее значение тока, протекающего через вентиль, определяется по формуле [11; с158]:

, (2.32)

где - среднее значение выпрямленного тока.

Максимальное значение тока, протекающего через вентиль, определяется по таблице 2.9:

, (2.33)

Таблица 2.9

Основные соотношения для мостовых схем трехфазных выпрямителей

2.7.3 Индуктивность дросселя

Определим угол, на который основная гармоника тока i_н опережает основную гармонику U_н, который определяет время, предоставляемое для восстановления управляемости тиристора по формуле [4; с659]:

, (2.34)

где - максимальная частота сети;

- паспортное время выключения тиристора, согласно рекомендации [4; с. 109]. Из полученного диапазона принимаем угол Согласно рекомендации [5; с659] . Тогда принимаем

Индуктивность дросселя L_d в цепи постоянного тока обычно выбирают из условия непрерывности тока. Для трехфазной мостовой схемы :

, (2.35)

где - выпрямленное напряжение управляемого выпрямителя.

2.7.4 Блок управления

Входными сигналами блока регулирования являются: задающие напряжение , определяющие частоту автономного инвертора тока АИТ, напряжение отрицательной обратной связи по выпрямленному току , снимаемое с датчика тока ДТ, и напряжение отрицательной обратной связи по угловой скорости асинхронного двигателя, снимаемое сдатчика ДС.

Блок управления состоит из четырех операционных усилителей. [10; 139]

Регулирование выпрямленного тока (и, следовательно, тока статора двигателя) осуществляется при помощи регулятора тока (РТ), воздействующего через систему управления выпрямителем (СУВ) на угол включения тиристоров управляемого выпрямителя (УВ). Регулятор тока собран на операционном усилителе по схеме ПИ - регулятора. Через резисторы R10 и R11 на его вход подаются сигналы отрицательной обратной связи по току и задающий сигнал , пропорциональный модулю скольжения двигателя. Независимо от выходной частоты автономного инвертора тока (АИТ) регулятор тока обеспечивает в статике точное соответствие тока статора задающему сигналу .

Регулятор скольжения (РС) собран на операционном усилителе по схеме П - регулятора. С его помощью осуществляется вычитание из сигнала пропорционально угловой скорости ротора, и усиление разности этих сигналов, которая пропорциональна величине скольжения двигателя. Так как выпрямленный ток не меняет своего знака независимо от режима работы двигателя, а изменяет свой знак скольжение, то знак должен сохраняться неизменным. Операция выделения модуля напряжения осуществляется с помощью диодов V2 и V3 и инвертора знака, выполненного на усилителе И.

На входе регулятора частоты (РЧ) суммируются сигналы скольжения (с выхода РС) и угловой скорости (с датчика ТГ). Напряжение с выхода РЧ подается на систему управления инвертором (СУИ), управляющую выходной частотой АИТ. Следовательно, регуляторы РТ и РЧ подчинены регулятору скольжения.

Стабилитрон V1 служит для ограничения скольжения и соответственно тока в переходных и аварийных режимах.

Параметры РЧ выбраны так, что при увеличении нагрузки на валу двигателя частота на выходе АИТ сохраняется постоянной. Пропорционально увеличению сигнала скольжения возрастает ток двигателя. Поэтому жесткость механической характеристики остается такой же, как и у естественной.

При подаче скачком задающего напряжения открывается стабилитрон V1. С увеличением угловой скорости происходит частотный пуск двигателя при постоянном скольжении и соответствующих ему постоянном токе статора и моменте двигателя. По окончании пуска напряжение , поступающее со стороны датчика угловой скорости, становится близким к задающему сигналу . Стабилитрон V1 закрывается и угловая скорость привода устанавливается в соответствии с задающим сигналом.

При отключении осуществляется торможение электропривода с отдачей энергии в сеть. При этом открывается стабилитрон V1, но уже при другом знаке сигнала скольжения по сравнению с пуском, и на входе РЧ сигнал скольжения вычитается из сигнала угловой скорости, частота на выходе АИТ уменьшается и двигатель переходит в генераторный режим (величина скольжения становится отрицательной). Торможение происходит при неизменных значениях тока, момента и скольжения двигателя.

Стабилитроны V10, установленные в цепи обратной связи регулятора тока, ограничивают максимальный уровень сигнала управления выпрямителем , то есть максимальные значения э. д. с. в выпрямительных и инверторных режимах его работы.

2.7.5 Выбор тахогенератора

Отрицательной обратной связью по угловой скорости двигателя является датчик скорости. В качестве датчика скорости подбираем тахогенератор. Тахогенератор - машина постоянного тока с независимым возбуждением или возбуждением постоянными магнитами, работающая в генераторном режиме. По максимальному числу оборотов двигателя по таблице 9.2 [5; с128] выбираем тахогенератор типа ТД-103. Его данные приведены в таблице 2.10.

Таблица 2.10

Данные тахогенератора

Рассчитаем выходное напряжение тахогенератора по формуле [7; с214]:

(2.36)

где - коэффициент тахогенератора, по таблице 2.10;

- число оборотов вала двигателя, по таблице 2.3.

2.7.6 Выбор датчика тока

В качестве датчика тока используем резистивный шунт. Он определяется по номинальному току. По таблице 1.36 [5; с29] выбираем шунт, технические характеристики, которого приведены в таблице 2.11.

Таблица 2.11

Характеристики шунта

3. Исследование моделируемой системы управления

3.1 Передаточная функция регулятора скольжения

Регулятор скольжения (РС) собран на операционном усилителе по схеме П - регулятора. С его помощью осуществляется вычитание из сигнала и усиление разности этих сигналов, пропорционально величине скольжения двигателя. Запишем условие работы регулятора при номинальной скорости [5; с113]:

(3.1)

где - задающий сигнал, зададимся условием, что при номинальной скорости . Так как выпрямленный ток не меняет своего знака независимо от режима работы двигателя, а изменяет свой знак скольжение, то знак должен сохраняться неизменным;

- номинальное выходное напряжение тахогенератора, по формуле (2.36)

Тогда из формулы (3.1) следует зависимость:

(3.2)

Зададимся сопротивлением резистора . Тогда

По стандартному ряду таблица 11.1.3 [20 с. 215] выбираем приближенное значение .

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К140УД1, параметры которой указаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Параметры микросхемы К140УД1

Определяем . Тогда и передаточная функция регулятора скольжения будет иметь вид:

(3.3)

3.2 Передаточная функция инвертора знака

Операция выделения модуля напряжения осуществляется с помощью диодов V2 и V3 и инвертора знака, выполненного на усилителе И. В качестве усилителя выбираем тот же операционный усилитель К140УД1 с . Тогда передаточная функция данного звена запишется следующим образом:

(3.4)

Резисторы R7 и R8 определяются как ограничители тока для диодов V2 и V3 и будут равны 1кОм.

3.3 Передаточная функция регулятора частоты

На входе регулятора частоты РЧ суммируются сигналы скольжения (с выхода РС) и угловой скорости (с датчика скорости). Напряжение с выхода РЧ подается на СУИ, управляющую выходной частотой АИТ. Запишем условие работы регулятора при номинальной скорости [5 с113]:

(3.5)

где - выходное напряжение регулятора скольжения, по формуле 3.1 ;

- номинальное выходное напряжение тахогенератора, по формуле (2.21) .

Из формулы (3.4) следует зависимость:

. (3.6)

Зададимся сопротивлением резистора . Тогда

По стандартному ряду таблица 11.1.3 [20 с215] выбираем приближенное значение .

Передаточная функция для регулятора частоты запишется в следующем виде:

(3.7)

При k=0,033 номинал резистора , будет определяться по формуле:

(3.8)

По стандартному ряду таблица 11.1.3 [20 с215] выбираем приближенное значение .

3.4 Передаточная функция регулятора тока

Регулирование выпрямленного тока (и, следовательно, тока статора двигателя) осуществляется при помощи регулятора тока (РТ), воздействующего через СУВ на угол включения тиристоров УВ. Регулятор РТ собран на операционном усилителе по схеме ПИ-регулятора. Через резисторы R10 и R11 на его вход подаются сигналы отрицательной обратной связи по току и задающий сигнал пропорциональный модулю скольжения двигателя. Независимо от выходной частоты автономного инвертора тока регулятор тока обеспечивает в статике точное соответствие тока статора задающему сигналу . Передаточная функция данного звена будет иметь вид [10, с134]:

, (3.9)

где p - оператор;

k - передаточный коэффициент, определяется при :

, (3.10)

где - выходное напряжение регулятора тока, из условия СУВ ;

- номинальное падание напряжения на датчике тока, по таблице «»»» ;

- постоянная времени регулятора тока. В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К140УД1. В таблице 3.2 приведены основные зависимости от k.

Таблица 3.2

Основные зависимости передаточного коэффициента

По формуле (3.9) , тогда по таблице 3.2 принимаем номинал резистора и емкость конденсатора . Тогда

(3.11)

Отсюда передаточная функция будет иметь вид:

Номинал резисторов R10 и R11 определим из зависимости [10 с134]:

, откуда

(3.12)

По стандартному ряду таблица 11.1.3 [20 с. 215] выбираем приближенное значение .

3.5 Передаточная функция управляемого выпрямителя

Передаточная функция управляемого выпрямителя вместе с системой управления СУВ, как правило, апроксимируется апериодическим звеном первого порядка:

(3.13)

где - выходное напряжение управляемого выпрямителя

- напряжение управления, подаваемое на вход системы управления СУВ;

- коэффициент передачи управляемого выпрямителя, определяется по формуле:

, (3.14)

где - постоянная времени управляемого выпрямителя, определяется по формуле [14, с. 204]:

. (3.15)

Отсюда передаточная функция управляемого вентиля будет иметь вид:

3.6 Передаточная функция инвертора тока

Автономный инвертор тока вместе с системой управления СУИ будет поддерживать условие [8, с393]:

, (3.16)

где - фазное напряжение статора;

- номинальное фазное напряжение статора при частоте ;

f - частота питающей сети статора;

- номинальная частота питающей сети статора, .

Удовлетворяя условие (3.16), передаточная функция АИТ примет вид:

. (3.17)

3.7 Передаточная функция АД

Упрощенная схема асинхронного двигателя при управлении угловой частотой напряжения статора показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Структурная схема асинхронного двигателя

Где - относительное напряжение статора, определяется по формуле [12; с92]:

, (3.18)

- относительная частота напряжения статора, определяется по формуле [12; с. 92]:

, (3.19)

из условия (3.16)

,

получаем:

,

- механическая постоянная времени, определяется по формуле [10; с80]:

(3.20)

где J = 3,3 - момент инерции двигателя, определяется по таблице 2.3;

- номинальная частота, по таблице 2.3;

- номинальный момент двигателя, определяется по таблице 2.3;

- электромагнитная постоянная времени двигателя определяется по графику рисунок 2-15 [8; с. 75], при и .

Тогда передаточная функция электрической части двигателя будет иметь вид:

, (3.21)

а передаточная функция механической части выглядит

, (3.22)

3.8 Передаточная функция датчика скорости

Передаточная функция датчика обратной связи по скорости представляется в виде без инерционного линейного элемента:

, (3.23)

где - номинальное выходное напряжение тахогенератора;

- угловая скорость вращения вала двигателя;

- коэффициент тахогенератора, по таблице 2.10.

3.9 Передаточная функция датчика обратной связи по току

Передаточная функция датчика обратной связи по току представляется в виде без инерционного линейного элемента:

(3.24)

где - номинальное падение напряжения на шунте, по таблице 2.11; - номинальный ток, протекающий через шунт.

3.10 Структурная схема электропривода

Элементами структурной схемы являются элементарные динамические звенья и сумматоры. Структурная схема составляется на основе функциональной схемы, согласно которой определяются блоки, через которые проходит сигнал управления.

Соединяя элементы САУ между собой в соответствии с их функциональным назначением и схемой САУ, окончательно получаем ее структурную схему, представленную на рисунке 3.2.

В результате преобразований структурной схемы, получаем общую передаточную функцию цепи регулирования тока:

(3.25)

Эта передаточная функция позволяет упростить исходную структурную схему (рисунок 3.3).

Рисунок 3.2 - Структурная схема ЭП

Рисунок 3.3 - Упрощенная структурная схема ЭП

3.11 Анализ устойчивости системы

Для определения устойчивости системы и качества переходных процессов воспользуемся программным обеспечением системы MATLAB 6.1.

Рисунок 3.4 - Переходная характеристика электропривода

Рисунок 3.5 - ЛАХ и ЛФХ САУ электропривода

Рисунок 3.6 - АФЧХ САУ электропривода

Для определения устойчивости системы проведем оценку качества переходного процесса:

1. Время регулирования ;

2. Перерегулирование:

где - значение первого максимума;

- установившееся значение выходной величины.

3. Число колебаний , не превышает нормы.

4. Время достижения первого максимума .

5. Время нарастания

6. Декремент затухания

Из анализа ЛАХ и ЛФХ видно, что разность между числом положительных и отрицательных переходов ЛФЧ прямых при Lm А >0 равна нулю. Запас устойчивости по амплитуде , по фазе .

Анализируя график АФЧХ видно, что кривая не охватывает точку с координатами (-1;0) и согласно критерию Найквиста система является устойчивой. Запас устойчивости по амплитуде .

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Расчет экономических показателей эффективности

Технико-экономическое обоснование автоматизации основных функций управления предприятием характеризуется следующими показателями эффективности:

а) экономический эффект по годам функционирования АСУТП;

б) срок окупаемости капитальных вложений.

Годовой экономический эффект от функционирования АСУТП определяется по формуле:

, (4.1)

где - нормативный коэффициент эффективности, определяется по формуле:

(4.2)

где - срок эксплуатации оборудования;

- разность капитальных вложений по базовому варианту и проектируемому варианту, определяется по формуле:

, (4.3)

где - капитальные вложения по базовому варианту, в данном проекте не изменяются ;

Таблица 4.1

Стоимость нового оборудования

- капитальные вложения по проектируемому варианту, определяются по формуле:

(4.4)

где - стоимость оборудования и КИП инвентаря по проектируемому варианту, по таблице 4.1 ;

- транспортные расходы составляют 12% от стоимости оборудования, и определяются по формуле:

;

- затраты на установку и монтаж, составляют 15% от стоимости оборудования, и определяются по формуле:

;

- единовременные предпроизводственные затраты НИР и ОКР по проектируемому варианту, составляют 10-40% от , принимаем

руб.

- текущие затраты в эксплуатации по базовому варианту, определяется по формуле:

, (4.5)

где - затраты на амортизацию основных производственных фондов, составляют 15,6% от балансовой стоимости оборудования и определяются по формуле:

, (4.6)

где - балансовая стоимость оборудования по базовому варианту, ;

;

- затраты на ремонт и техническое обслуживание определяются по формуле:

; (4.7)

- затраты на потребляемую электроэнергию, определяются по формуле:

, (4.8)

где - стоимость 1кВтч электроэнергии, ;

- установленная мощность оборудования, кВт;

- коэффициент, учитывающий использование оборудования, ;

- эффективный годовой фонд времени работы технических средств АСУТП, ч;

- коэффициент, учитывающий загрузку оборудования, ;

- коэффициент, учитывающий потери в сети, ;

- коэффициент полезного действия оборудования, ;

;

- текущие затраты в эксплуатации по проектируемому варианту, определяется по формуле:

, (4.9)

где - затраты на амортизацию основных производственных фондов, составляют 15,6% от балансовой стоимости оборудования и определяются по формуле:

, (4.10)

где - балансовая стоимость оборудования по проектируемому варианту, определяется по формуле:

; (4.11)

;

- затраты на ремонт и техническое обслуживание определяются по формуле:

; (4.12)

- затраты на потребляемую электроэнергию, определяются по формуле:

,

где - стоимость 1кВтч электроэнергии, ;

- коэффициент, учитывающий использование оборудования, ;

- эффективный годовой фонд времени работы технических средств АСУТП, ч;

- коэффициент, учитывающий загрузку оборудования, ;

- коэффициент, учитывающий потери в сети, ;

- коэффициент полезного действия оборудования, ;

- установленная мощность нового оборудования, определяется по формуле:

(4.13)

где - максимальная потребляемая мощность насоса;

- минимальная потребляемая мощность, определяется из соотношения с числом оборотов вала двигателя:

, (4.14)

где - число оборотов вала двигателя, при максимальной потребляемой мощности из сети, ;

- число оборотов вала двигателя, при минимальной потребляемой мощности из сети, определяется из соотношения с напором, по формуле:

, (4.15)

где - максимальный напор создаваемый насосом, ;

- минимальный напор насоса, необходимый для нормальной работы теплосети, ;

;

;

руб.;

4.2 Расчет окупаемости капитальных вложений

Срок окупаемости капитальных вложений в АСУТП, определяется по формуле:

(4.16)

г.

При этом должно выполняться условие:

(4.17)

1,2<5,

условие выполняется.

По полученным показателям эффективности можно сделать вывод, что внедрение АСУТП является выгодным.

5. Безопасность и экологичность проекта

Почти во всех случаях проявления опасностей источниками воздействия являются элементы техносферы с их выбросами, сбросами, твердыми отходами, энергетическими полями и излучениями. Идентичность источников воздействия во всех зонах техносферы неизбежно требует формирования общих подходов и решений в таких областях защитной деятельности как безопасность труда, безопасность жизнедеятельности и охрана природной среды.

Промышленные предприятия, объекты энергетики являются основными источниками энергетического загрязнения промышленных регионов, городской среды, помещений самого промышленного объекта и т. д. К энергетическим загрязнениям относят вибрационное и акустическое воздействия, электромагнитные поля и излучения.

Условиями надежной и безаварийной работы являются надлежащие состояние котельного оборудования, правильная организация труда и рабочих мест персонала, а также прочное знание и выполнение производственных инструкций и требований техники безопасности.

В теплоэнергетических объектах, в связи с пожаро - и взрывоопасностью перерабатываемых веществ, их агрессивностью и токсичностью в создании безопасных условий труда имеет особое значение автоматизация технологических процессов.

Проведение некоторых современных технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации. При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьезным последствиям.

Внедрение специальных автоматических устройств, способствует безаварийной работе оборудования, исключает случаи травматизма.

На каждом производстве должны иметься специфические нормативно-технические документы по безопасности жизнедеятельности, применению и хранению вредных веществ и указания о средствах коллективной и индивидуальной защиты, отвечающих требованиям ГОСТ 12.04.001 ССБТ ”Средства защиты работающих. Классификация”.

5.1 Анализ опасных и вредных факторов в помещении котельной

Основными опасностями в помещении котельной являются:

· токсичные вещества, образующиеся в процессе горения топлива;

· природный газ, используемый в качестве топлива;

· поражение электротоком;

· пожаро- и взрывоопасность.

Химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты, называется горением. В качестве окислителя используется кислород воздуха. Процесс горения может идти с разной скоростью: от медленного до мгновенного окисления горючих элементов во всем объеме топлива.

При использовании в качестве топлива природного газа, уровень концентрации утечки газа в рабочей зоне замеряется газоанализатором универсального типа ГХП ГОСТ 6329-74 на высоте 1,5-1,7 м от пола. Предельно допустимый уровень концентрации газа в воздухе по ГОСТ 12.1.005-76 и СНиП 245-71 составляет 3 мг/м³. В процессе сжигания топлива в парогенераторах образуются продукты сгорания (СО и СО₂), которые могут оказать воздействие на организм человека, попадая в него через дыхательные пути. Их предельно допустимый уровень концентрации по ГОСТ 12.1.005-76 и СниП 245-71 составляют соответственно 20 мг/м³ и 30 мг/м³.

Из всех образующихся при горении веществ безопасными для живого организма являются лишь водяные пары, азот, углекислый газ и кислород. Остальные - окислы серы (SO_х = SO₂ + SO₃) и азота (NO_х = NO + NаO₂), угарный газ, сажа, зола, пятиокись ванадия - являются в той или иной мере токсичными веществами, вредно влияющими на органы дыхания, кожу человека и животных (рисунок 5.1).

В зависимости от степени опасности воздействия на организм человека вредные вещества подразделяются на несколько групп. К чрезвычайно опасным относится пятиокись ванадия и бензапирен, который появляется в дымовых газах при сжигании любого вида топлива с недостатком кислорода. Высоко опасными являются двуокись азота NO2 и серный ангидрид SO3. В дымовых газах находится обычно 2-5% серного ангидрида от общего количества сернистого ангидрида SO2, который получается при сжигании топлива.

Рисунок 5.1 - Состав дымовых газов

Загрязнение окружающей среды сырьем, полупродуктами и продуктами производства возможно лишь при нарушении технологического режима, разгерметизации оборудования и выхода его из строя. Поэтому для защиты окружающей среды от опасностей необходимо выдерживать нормы технологического режима и содержать в исправном состоянии технологическое оборудование, трубопроводы, регулирующие и предохранительные устройства.

Для защиты людей от поражения электрическим током в процессе производства работ применяются следующие виды защиты и средства защиты:

диэлектрические перчатки и боты;

резиновые коврики и изолирующие подставки;

изолирующие клещи, указатели напряжения;

устройство защитного заземления.

Оборудование и трубопроводы должны представлять на всем протяжении непрерывную цепь и присоединяться к заземляющим устройствам.

Заземление производится как естественное, так и искусственное.

Естественное заземление - металлические конструкции, арматура, трубопроводы, оборудование, имеющее надежное соединение с землей.

Искусственное заземление - изготавливается в виде труб, стержней, вбитых вертикально в землю длиной 3-5 метров, стальные шины сечением не менее 100 мм².

Котельная №1 относится к категории взрыво- и пожароопасных производств. Вид топлива газ является взрывопожароопасным веществом. Природный газ, используемый в качестве топлива имеет температуру вспышки 50С, температуру самовоспламенения 379С.

Электрооборудование на установке парогенератора устанавливается во взрывобезопасном исполнении.

Для ликвидации пожара и загораний все помещения котельной обеспечены соответствующими средствами пожаротушения: огнетушителями, ящиками с песком, пожарными кранами и инвентарем.

В помещении котельной не устранены в полной мере причины, приводящие к неблагоприятным воздействиям на работоспособность и здоровье трудящихся. Основными причинами отдельных несчастных случаев на участке являются недостатки и неисправности оборудования, а также нарушение работающими правил техники безопасности. Кроме того, причинами несчастных случаев и различных заболеваний могут быть: нерациональный режим труда, загазованность помещений, недостаточное освещение и другие общесанитарные недостатки.

5.2 Освещение

Рациональное освещение помещений и рабочих мест - один из важнейших элементов благоприятных условий труда. Правильное спроектированное и выполненное производственное освещение способствует повышению производительности труда и качества выпускаемой продукции, снижает утомляемость и травматизм на производстве. Неправильное и недостаточное освещение может привести к созданию опасных ситуаций.

Рабочие места операторов и другого дежурного персонала, помещения, где размещены теплообменники, конденсационные баки, тягодутьевые машины, установки водоподготовки, тепловые щиты, пульты управления и автоматики, а также отдельно расположенные контрольно-измерительные приборы и указатели уровня, должны быть хорошо освещены.

Освещённость рабочих мест должна обеспечивать хорошую и устойчивую видимость показаний приборов с рабочих мест. Особенно это важно для зон и участков, где установлены наиболее важные приборы. Важным требованием является защита зрения. Глаза необходимо защищать от действия яркого света, идущего непосредственно от источника света или от отражающих поверхностей.

Освещение в котельной может быть обычного исполнения, однако если котельная встроена в здание, то в ней необходимо дополнительно установлены светильники взрывозащищенного исполнения с отдельной проводкой, причем их выключатель и предохранитель следует располагать вне помещения, у входа в котельную.

В производственных помещениях применяется общее или комбинированное (общее и местное) освещение. Применение одного местного освещения не разрешается. Местное освещение, создаваемое светильником непосредственно над рабочими поверхностями, применяется, когда необходима высокая освещённость рабочей зоны.

В помещение котельной применяются герметичные светильники. Все производственные помещения с постоянным пребыванием в них рабочих в дневную смену должны иметь естественное освещение.

Согласно нормам, освещенность рабочего места должна быть не менее 50 лк, в бытовом помещении не менее 200 лк; аварийное 5°/о от основного освещения и не менее 2 лк для ведения каких-либо работ в этих условиях по технологическому процессу Аварийное освещение используется в аварийных случаях и обеспечивает освещение:

а) в помещениях при освещении менее 0,5 лк по линии основных переходов и лестниц;

б) на открытых местах при освещенности менее 0,2 лк.

В цехе используются светильники повышенной надежности против взрыва типов НОБ-300 и НЗБ-150. Для местного освещения рабочего места применяются светильники напряжением 12В взрывозащищенного исполнения.

Данные по нормативам освещенности приведены в СНиП 23-05-95.

Для внутреннего освещения технологических аппаратов во время их осмотра и ремонта применяются переносные светильники во взрывозащитном исполнении напряжением не более 12 В, защищенные металлической сеткой.

Ниже приведен расчет естественного освещения согласно СНиП 23-05-95:

Основной задачей светотехнических расчетов является: для естественного освещения определение необходимой площади световых проемов. Естественное освещение поступает через окна.

Найдем площадь пола помещения по формуле:

, (5.1)

где А - длина помещения, А = 50м;

В - ширина помещения, В = 30м.

Необходимая площадь световых проемов, определяется по формуле:

(5.2)

где - нормированное значение коэффициента естественной освещенности, (определим из таблицы СНиП 23-05-95 по 5 разряду зрительной работы и наименьшему размеру 1-5 мм объекта различения) ;

- световая характеристика окон, (по таблице СНиП 23-05-95 при боковом освещении) ;

К_зд - коэффициент, учитывающий затенение окон противостоящими зданиями, (по таблице СНиП 23-05-95) К_зд=1,1;

К_з - коэффициент запаса, (по таблице СНиП 23-05-95, при вертикально расположенных светопропускающего материала и в помещении содержащее от 1 до 5 мг/м³ пыли, дыма, копоти) К_з=1,4;

- коэффициент, учитывающий влияние отраженного света; (по таблице СНиП 23-05-95, с учетом геометрических размеров помещения, светопроема и значений коэффициентов отражения стен, потолка, пола) ;

- общий коэффициент светопропускания, определяемый по формуле:

, (5.3)

где - коэффициент светопропускания материала, (подберем из СНиП 23-05-95 для одинарного оконного стекла) ;

- коэффициент, учитывающий потери света в переплетах светопроема, (подберем из СНиП 23-05-95, т. к. переплеты для окон промышленных зданий стальные, одинарные, глухие) ;

- коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных устройствах, (солнцезащитное устройство - горизонтальный козырек с защитным углом не более 30°) .

Найдем площадь одного окна, которое находится в помещении котельной, по формуле:

, (5.4)

где а - длина окна, а = 2 м;

в - ширина окна в=1м.

Определим количество окон, необходимое для светопропускания в производственном помещение по формуле:

штук (5.5)

В промышленном помещении, чтобы поддержать хорошую светопроницаемость необходимо 176 окно.

Ниже приведен расчет искусственного освещения в операторной, согласно СНиП 23-05-95:

Целью расчета является определение числа светильников в помещении операторной установки. Расчет производится по коэффициенту использования светового потока, по которому определяется световой поток ламп, необходимый для создания заданной освещенности горизонтальной поверхности при общем равномерном освещении, с учетом света, отраженного полом и потолком. Определяем разряд и подразряд зрительной работы. Для этого сначала находим число светильников:

; (5.6)

где L - расстояние между центрами светильников, определяется по формуле:

; (5.7)

где Н - высота помещения Н=10м;

М - расстояние между параллельными рядами, определяется по формуле:

(5.8)

Найдем световой поток по формуле:

(5.9)

где Ен - нормированный тип освещения, по СНиП 23-05-95 Ен = 300;

Z - коэффициент минимального освещения, по СНиП 23-05-95 Z = 1,1;

К- коэффициент запаса по СНиП 23-05-95 К = 1,5;

- коэффициент использования светового потока ламп, по СНиП 23-05-95= 32.

Выбираем лампы ЛД-40, мощностью 40Вт,

Выполняем проверку по формуле:

(5.10)

Вычислим потребляемую мощность осветительной установки по формуле:

(5.11)

где р - мощность одной лампы р = 40 Вт;

n - количество ламп в осветительной установки, n = 4.

Оценивая и места установки наиболее важных приборов и установок, выявили, что для улучшения труда и безопасной работы персонала котельной необходимы дополнительные оконные проемы для естественного освещения. Произвели расчет и выбор размеров дополнительных оконных проемов. В темное время суток для обеспечения работы персонала котельной рассчитано дополнительное искусственное освещение, подобраны лампы дневного освещения ЛД-40.

5.3 Вентиляция

Вентиляционные системы, предназначенные для создания воздухообмена, заключающегося в удалении из производственного помещения загрязненного воздуха с подачей вместо него чистого, что позволяет создать в рабочей зоне нормальные метеорологические условия. Вентиляция также необходима для исключения перегрева приборов и средств автоматизации и создания для них благоприятного микроклимата, общие требования определены в СНиП 2.04.05-91, к системам вентиляции ГОСТ 12.4.021-75 ССБТ.

В случае внезапного поступления в помещение большого количества взрывоопасных или токсичных выделений в результате аварии или нарушения технологического процесса предусмотрено включение аварийной вентиляции.

Для аварийной вентиляции используются два вентилятора типа ЦАГИ, обладающие производительностью 32000 м³/ч. В помещениях цеха кратность вентиляции: в операторной - 4, в помещениях цеха, по СНиП 11-92-76. Кратность воздухообмена это объем воздуха, подаваемого в течении одного часа в производственное помещение и обеспечивающего соблюдения санитарных норм.

Включение аварийной вентиляции предусмотрено автоматически от газоанализаторов и дистанционно со щита операторной.

Организация и проведение технологического процесса должны предусматривать:

- замену технологических процессов и операций с возникновением опасных и вредных производственных факторов, процессами и операциями, при которых указанные факторы отсутствуют или обладают меньшей интенсивностью: комплексная механизация, автоматизация, применение дистанционного управления технологическими процессами и операциями при наличии опасных и вредных производственных факторов:

- герметизацию оборудования;

- применение средств коллективной защиты;

- своевременное получение информации о возникновении опасных и вредных производственных факторов на отдельных технологических операциях;

- систему контроля и управления технологического процесса, обеспечивающие защиту работающих и аварийное отключение производственного оборудования;

- своевременное удаление и обезвреживание отходов производства, являющихся источниками опасных и вредных производственных факторов.

Работу внутри аппаратов, в колодцах, цистернах производить в шланговом противогазе, в присутствии дублера и лица, ответственного за проведение работ, которые должны иметь средства индивидуальной защиты.

Особое значение имеет вентиляция производственных помещений, позволяющая бороться с запылённостью и загрязнением различными примесями воздуха. Естественная вентиляция усиливается при помощи форточек, вытяжных каналов, а также аэрации зданий и управляемой естественной вентиляции, использующей окна и фонари зданий, через них удаляется в атмосферу нагревшийся в помещении воздух.

Механическая (принудительная) вентиляция необходима на производстве, которое имеет источники загрязнения воздуха (различные испарения, загазованность, и пр.). Она снабжена устройствами, подающими в помещение чистый воздух из атмосферы и вытяжными установками. Места образования пыли укрывают кожухами, присоединёнными к воздуховодам вытяжной вентиляции.

Для предупреждения вредного воздействия полей электромагнитных излучений все источники экранируются специальными приспособлениями типа перегородок, отсеков и тому подобным. Имеются средства индивидуальной защиты от излучений, соответствующие костюмы из обработанной ткани, шлемы и специальные защитные очки. В рабочих помещениях систематически замеряется напряжённость электромагнитного поля.

Определим полное необходимое количество свежего воздуха. Количество воздуха необходимое для удаления избыточного тепла:

(5.12)

где t_у - температура удаляемого воздуха, t_у=26С°;

t_пр - температура принятого воздуха, t_пр =18 С°;

- избыточное тепловыделение, определяется по формуле:

(5.13)

где Q₁ - тепловыделение от искусственного освещения, определяется по формуле:

, ккал/час (5.14)

где - мощность осветительной установки, Вт;

-коэффициент тепловыделения,;

Q₂ - тепловыделение от работающих людей, ккал/час;

где h - количество работающих в наибольшей смене, h=24 чел;

q₁ - количество тепла, выделяемого одним человеком, q₁=120ккал/час.

Количество воздуха для удаления избытка влаги:

(5.15)

где V_уд - влагосодержание удалённого воздуха, V_уд =17 г/м³;

V_пр - влагосодержание приточного воздуха, V_пр =12 г/ м³;

N - влаговыделение работающих людей, определяется по формуле;

(5.16)

где С₁ - влаговыделение одного человека, С₁=160 г/час.

Расчет количества воздуха, необходимого для поддержания ПДК вредных примесей.

Количество воздуха, необходимое для поддержания ПДК вредных примесей рассчитывается по формуле:

(5.17)

где V₁ - количество углекислого газа, выделяемого одним человеком, V₁=30 л/час;

К_под - концентрация углекислого газа в подаваемом воздухе, К_под =0,1 л/м³;

К_уч - ПДК углекислого газа в воздухе участка, К_уч =1 л/м³

Полное необходимое количество приточного воздуха:

Для предупреждения вредного воздействия загрязнения воздуха различными испарениями, загазованности, и другими, предусмотрена и рассчитана принудительная вентиляция, она снабжена устройствами, подающими в помещение чистый воздух из атмосферы и вытяжными установками. Места образования пыли укрывают кожухами, присоединёнными к воздуховодам вытяжной вентиляции. Рассчитано необходимое количество приточного воздуха для обеспечения безопасной работы персонала котельной.

Оценивая условия работы персонала котельной, и все вредные факторы, выявлено много недостатков, которые существенно мешают нормальной работе персонала котельной. Произведены необходимые расчеты для естественного и искусственного освещения, с подбором необходимых оконных проемов и ламп дневного освещения удовлетворяющие СНиП 23-05-95. Также произведены расчеты для дополнительного приточного воздуха принудительной вентиляцией удовлетворяющие СНиП 2.04.05-91. По данным расчетов можно сделать вывод, что обеспечены хорошие условия для нормальной работы персонала котельной.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автоматизация теплоэнергетического оборудования является основой развития технического прогресса направленного на экономию различных ресурсов, улучшение условий работающих, уменьшение загрязнения воздушного бассейна городов и населенных пунктов.

В настоящее время в республике Башкортостан многие тепловые станции требуют модернизации. Оборудование таких станций потребляют большое количество электроэнергии, морально устарело. Агрессивная политика РАО ЕС и предприятий - поставщиков электроэнергии заставляет потребителей энергии задумываться о стоимости энергоносителей и предпринимать адекватные действия для компенсации своих потерь.

Известно, что максимальную эффективность от модернизации такого оборудования можно обеспечить применением частотно - регулируемых приводов. Надежность и степень готовности современных преобразователей частоты в полной мере соответствуют сокровенной мечте любого эксплуатационщика, начиная от техника и заканчивая главным инженером, которая выражается незамысловатой формулой: «Установил, включил и забыл».

В дипломном проекте разработан проект модернизации системы управления теплоснабжением. Выполнен анализ действующих технологических процессов, применяемого оборудования, методов и средств автоматизации функций контроля, регулирования и сигнализации, выявлены недостатки. Предложен подход к модернизации системы управления теплоснабжением на основе применения микропроцессорных средств автоматизации. Разработана двухуровневая система управления, выбраны и обоснованы необходимые технические средства (датчики, контроллеры и др. элементы АСУТП).

Правильность принятых решений при проектировании системы управления проверена с помощью пакета моделирования MATLAB.

Произведен расчет ожидаемого годового экономического эффекта, от внедрения проекта, который составил 43441 рубль.

Рассмотрены вопросы охраны труда персонала котельной, выявлены недостатки, которые существенно мешают нормальной работе персонала котельной. Произведены необходимые расчеты для естественного и искусственного освещения, с подбором необходимых оконных проемов и ламп дневного освещения. Также произведены расчеты для дополнительного приточного воздуха принудительной вентиляцией.

Разработанная в ходе дипломного проекта АСУ ТП позволит реализовать следующие возможности:

- первичный сбор и контроль технологических параметров;

- автоматическое регулирование технологических параметров в соответствии с регламентными требованиями;

- улучшение условий труда технологического персонала;

- повышение производительности оборудования;

- уменьшение энергетических затрат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петрущенков В.А. Теплофикация и тепловые сети: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1998.-88с

2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. школа, 1980. - 469 с., ил.

3. С.А. Абдурашитов, А.А. Тупиченков, И.М. Вершинин. Насосы и компрессоры: М.: Недра, 1974.

4. Москаленко В.В. Электрический привод. - М.: Высшая школа, 1991.

5. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. Профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н. Орлов) и др. - 7-е изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

7. Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 1970.

8. Вешневский С.Н. Характеристика двигателей в электроприводе. Изд. 5-е книги “Расчет характеристик и сопротивлений для двигателей”. - М.: Энергия, 1967.

9. Справочник по проектированию автоматизированного электропривода и систем управления технологическими процессами / Под ред. В.И. Круповича, Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1982.

10. Ю.Г. Бацежев, В.С. Костюк. Электропривод и электроснабжение. Учебник для вузов - М.: Недра, 1989.

11. Справочник по наладке электрооборудования промышленных предприятий, под ред. М.Г. Зименкова, Г.В. Розенберга, Е.М. Феськова - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

12. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. Отделение, 1982.

13. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. - 6-е изд. доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981

14. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001.

15. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов; Под ред. А.А. Воронова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1986.

16. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов; Под ред. Ю.М. Соломенцева. - 2-е изд. исправленное - М.: Высш. шк., 1999.

17. Контроллеры многофункциональные Р-130, Р-130М. Руководство по эксплуатации. ЗАО «Контраст». - Чебоксары, 2002. - 73 с.

18. Теплосчетчик-Регистратор «ВЗЛЕТ ТСР» Руководство по эксплуатации. - Санкт-Петербург 2001.

19. Олсон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. - СПб.: Невский Диалект 2001. - 557 с.: ил.

20. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. Книга 2. Масленков М.Ю., Соболев Е.А., Соколов Г.А. и др. - М.: 1993.

21. Проектирование электрических машин: Учебник для втузов / Под ред. О.Д. Гольдберга. - М.: Высш. шк., 1984. - 431 с., ил.

22. С.В. Белов и др. Безопасность жизнедеятельности. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.

23. Теплотехника: Учебник для студентов втузов / А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ. Ред. В.И. Крутова.- М.: Машиностроение, 1986. - 432 с.

ДОКЛАД

Уважаемые члены Государственной экзаменационной комиссии. Вашему вниманию представляется дипломный проект на тему: «Проект модернизации системы управления теплоснабжением». Работа выполнялась на базовом предприятии «КРТС», в котельной №1 поселка Маячный, предназначенной для теплоснабжения систем отопления жилых и производственных зданий.

Актуальность проекта. Один из наиболее известных примеров парадоксально неэффективной технологии - это применяемая в российских городах система центрального отопления. Само по себе центральное отопление - очень эффективный способ и при правильном применении заметно превосходит, например, электроотопление как по термодинамическим, так и по экономическим показателям. На практике, однако, ни для кого не секрет, что нерегулируемые нагревательные элементы почти всегда дают либо недостаточно тепла (потребитель мерзнет), либо слишком много (потребитель вынужден открывать окно), и очень редко - именно столько, сколько действительно необходимо. Это происходит в связи с материальными и политическими причинами. При проектировании систем отопления проектировщики предполагали, что в российских городах и поселках будет постоянно продолжаться строительство жилых и производственных зданий, в связи, с чем все оборудование выбиралось с запасом. В результате оборудование тепловых станций на сегодняшний день потребляет значительно больше топлива и электроэнергии чем это требует технологический процесс.

В настоящее время в республике Башкортостан многие тепловые станции требуют модернизации. Оборудование таких станций потребляет большое количество электроэнергии, морально устарело. Агрессивная политика РАО ЕС и предприятий - поставщиков электроэнергии заставляет потребителей энергии задумываться о стоимости энергоносителей и предпринимать адекватные действия для компенсации своих потерь.

Известно, что максимальную эффективность от модернизации такого оборудования можно обеспечить применением частотно - регулируемых приводов для насосных агрегатов.

Лист №1. Основным технологическим процессом, происходящим в системе теплоснабжения, является циркуляция, подогретой воды (теплоносителя) в бойлере, по всей тепловой сети.

Сетевой насос за счет создаваемого давления обеспечивает поступление воды в систему водоподогревателей и циркуляцию ее по всей тепловой сети. Система водоподогревателей состоит из пяти линий. В каждой из этих линий имеется два бойлера предварительного нагрева и один бойлер основного нагрева. В бойлерах предварительного нагрева сетевая вода нагревается конденсатом, который образуется после прохождения пара по бойлеру основного нагрева. В бойлере основного нагрева вода нагревается паром, поступающим из парогенератора. Пар в бойлер поступает под постоянным давлением и постоянной температурой . Изменение температуры нагрева сетевой воды в бойлере происходит за счет изменения подаваемого количества пара (увеличение или уменьшение подачи газа в топку котла). В данной системе теплоснабжения для нагрева сетевой воды задействован один парогенератор и одна линия водоподогревателей.

В системе водоподогревателей теплоноситель (вода) может нагреться до температуры выше положенной по отопительному графику. Для поддержания заданной температуры в системе предусмотрена редукционно-охладительная установка (РОУ), принцип работы которой основан на подмешивании подогретой воды обратной сетевой водой.

Давление перед сетью потребителей должно поддерживаться в определенных значениях Повышение давления перед сетью потребителей может привести к нарушению сварных соединений трубопроводов, а понижение давления может привести к нарушению циркуляции воды в сети потребителей. Для ограничения повышения давления в прямой линии в системе установлена задвижка (запорная арматура), которая настроена (в ручную) на давление не более 5 кгс/см2. При открытой задвижке и минимальном расходе в сети давление в прямой линии может достигнуть максимального значения 5-5,2 кгс/см2, что больше положенного.

Основным параметром, характеризующим нормальную работу системы, являются показания давления на обратной линии сетевой воды. Эти показания снимаются электро - контактным манометром и передаются на пульт управления. При понижении давления до значения срабатывает сигнализация и происходит остановка работы парогенератора до устранения причин падения давления. Понижение давления обычно сопровождается увеличением расхода сетевой воды (неполадки в системе). Для определения увеличения расхода сетевой воды на подпиточной линии установлен расходомер сигнал, которого передается на пульт управления. Общее количество используемой воды в системе теплоснабжения. Нормальным расходом является расход, при котором процент подпитки равен 0,25% от общего количества сетевой воды.

Недостатками данной системы является дроссельное регулирование в результате, которого происходит ограничение давления в прямой линии. Ограничение давления на задвижке равно потерям электроэнергии на сетевом насосе.

Одним из методов модернизации системы управления теплоснабжением является внедрение систем с частотно - регулируемыми приводами насосных агрегатов. Именно этот метод позволит снизить затраты на электроэнергию, увеличить срок службы оборудования, улучшить условия работы труда обслуживающего персонала.

Лист №2. Попробуем разобраться, за счет чего и когда появляется возможность экономии потребляемой энергии приводами насосов и что необходимо делать для того, чтобы эту экономию получить, не нарушая общий ход технологического процесса.

Для этого воспользуемся известными характеристиками для насосных агрегатов и сети (рис а), где Q - расход в сети, H - напор. Кривая 1 соответствует напорной характеристике насосного агрегата, а кривая 2 - гидравлической характеристике сети, где - требуемый статический напор сети. Точка пересечения этих характеристик является идеальной расчетной точкой совместной работы насосного агрегата и сети . При снижении расхода в сети меняется ее гидравлическая характеристика - линии 3-5. Соответственно будут сдвигаться точки пересечения характеристик. Как видно из рисунка, с уменьшением расхода увеличивается давление в сети.

На рисунке б, показаны характеристики насосного агрегата и сети с дроссельным регулированием где - падение напора на дроссельном элементе. Чем больше величина, тем глубже производится дросселирование регулирующим элементом, тем больше энергетических потерь имеет весь технологический процесс.

Теория работы нагнетателей (насосов и вентиляторов) доказывает, что изменение частоты вращения привода нагнетателя изменяет его напорные характеристики. Кроме того, напор, создаваемый нагнетателем, пропорционален квадрату частоты вращения агрегата.

Из теории работы нагнетателей известно, что создаваемый нагнетателем напор пропорционален квадрату частоты вращения агрегата. Из этого следует, что при снижении частоты вращения снижаются напорные характеристики насоса.

Изменение напорных характеристик насосного агрегата при изменении частоты вращения иллюстрирует рисунок в, на котором кривая 1 соответствует номинальной (при номинальной частоте вращения привода) напорной характеристике, а кривые 2-4 - напорным характеристикам при пониженной частоте вращения.

Из рисунка видно, что если контроль давления в сети передать насосному агрегату, то можно добиться требуемого давления в сети без лишних затрат электроэнергии.

Способ регулирования давления в сети путем изменения частоты вращения привода насосного агрегата снижает энергопотребление еще и по другой причине. Собственно насос как устройство преобразования энергии имеет свой коэффициент полезного действия - отношение механической энергии, приложенной к валу, к гидравлической энергии, получаемой в напорном трубопроводе насосного агрегата. Характер изменения коэффициента полезного действия насоса в зависимости от расхода жидкости при различных частотах вращения представлен на рисунке г. В соответствии с теорией подобия максимум коэффициента полезного действия с уменьшением частоты вращения несколько снижается и смещается влево. Анализ требуемого изменения частоты насосного агрегата при изменении расхода в сети показывает, что с уменьшением расхода требуется снижение частоты вращения. Если рассмотреть работу агрегата для расхода меньше номинального (вертикальные линии А и В), то для этих режимов рационально работать на пониженной частоте вращения. В этом случае кпд насоса выше, чем при работе на номинальной частоте вращения. Таким образом, снижение частоты вращения в соответствии с технологической нагрузкой позволяет не только экономить потребляемую энергию на исключении гидравлических потерь, но и получить экономический эффект за счет повышения коэффициента полезного действия самого насоса - преобразования механической энергии в гидравлическую.

Практика применения частотных преобразователей для управления насосами доказывает целесообразность не просто включения преобразователя для управления агрегатом, а создания системы управления технологическим процессом на основе применения программируемого логического контролера. Именно такой подход позволяет получить экономический эффект не только от снижения потребляемой из сети электрической мощности, но и добиться существенного уменьшения эксплуатационных расходов, улучшения условий труда и увеличения срока службы оборудования.

Лист №3. Для достижения заданной цели в дипломном проекте разработана функциональная схема автоматизации с применением контролера. Функциональная схема содержит систему дистанционного управления клапаном 1Б, обеспечивающему подмешивание прямой подогретой воды обратной сетевой водой, для регулирования температуры в прямой линии, согласно отопительному графику. Открытие и закрытие клапана производится исполнительным механизмом 1А, с помощью магнитного пускателя 1В подключенного к контролеру.

Регулирование давления в системе теплоснабжения производится сетевым насосом 2А, исполнительный механизм 2Б (двигатель) которого, подключен к сети электропитания, с помощью преобразователя частоты 2Б. Преобразователь частоты изменяет частоту сети электропитания, подаваемую на статорную обмотку двигателя. Как ранее известно, изменение частоты сети вызывает изменение числа оборотов вала двигателя и соответственно изменение давления в системе теплоснабжения. Управление преобразователем частоты осуществляется с помощью контролера, который обрабатывает информацию от датчиков и вырабатывает управляющее воздействие. В качестве датчиков давления температуры и расхода используются датчики уже установленного в данной системе теплоснабжения теплосчетчика - регистратора «ВЗЛЕТ ТСР».

Плакат №4. В данной системе теплоснабжения теплосчетчик-регистратор «ВЗЛЕТ ТСР» используется для экономических расчетов.

Теплосчетчик «ВЗЛЕТ TCP» с тепловычислителем исполнения ТСРВ-010 обеспечивает: измерение и индикацию текущих значений расхода, температуры и давления в 1-4 трубопроводах; вывод измерительной, диагностической, установочной, архивной и т.д. информации через последовательные интерфейсы RS232 (в том числе через телефонный или радиомодем), RS485.

На рис. а) изображен сводный перечень алгоритмов расчета тепла для всех режимов функционирования теплосчетчика. На рис. б) показана рекомендуемая схема применения теплосчетчика в данном режиме. На рис. в) последовательность переключения индикации параметров.

На чертеже №5 изображена упрощенная принципиальная схема преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Схема ПЧ со звеном постоянного тока состоит из двух основных блоков: управляемого выпрямителя и управляемого инвертора тока с системами управления. Напряжение сети стандартной частоты подается на вход управляемого выпрямителя, преобразующего переменное напряжение в постоянное, которое можно регулировать в широких пределах с помощью системы управления выпрямителем. Выпрямленное и регулируемое напряжение подается на вход инвертора, который преобразует его в трехфазное напряжение регулируемой частоты, поступающее на двигатель. Частота выходного напряжения инвертора регулируется системой управления инвертором в функции сигнала управления.

Входными сигналами блока управления являются: задающие напряжение, определяющие частоту автономного инвертора тока АИТ, напряжение отрицательной обратной связи по выпрямленному току, снимаемое с датчика тока ДТ, и напряжение отрицательной обратной связи по угловой скорости асинхронного двигателя, снимаемое с датчика скорости ДС.

Блок управления состоит из четырех операционных усилителей.

Лист №6. Для проверки предложенной системы управления использовано моделирование. Разработана функциональная схема ЭП. Для каждого элемента рассчитаны передаточные функции и изображены на структурной схеме.

Моделирование выполнено с использованием пакета прикладных программ MATLAB, получены результаты моделирования. На основании результатов моделирования можно сделать вывод, что система устойчива.

На плакате №7 изображены основные экономические показатели.

Полученные в ходе экономических расчетов технико-экономические показатели свидетельствуют о целесообразности проводимых мероприятий по внедрению автоматизированной системы управления теплоснабжением.

Заключение. Разработанная в ходе дипломного проекта АСУ ТП позволит реализовать следующие возможности:

- первичный сбор и контроль технологических параметров;

- автоматическое регулирование технологических параметров в соответствии с регламентными требованиями;

- улучшение условий труда технологического персонала;

- повышение производительности оборудования;

- уменьшение энергетических затрат.

Из сказанного можно сделать вывод, что применение современных преобразователей частоты в системах теплоснабжения в полной мере соответствует сокровенной мечте любого эксплуатационщика, начиная от техника и заканчивая главным инженером, которая выражается незамысловатой формулой: «Установил, включил и забыл».