Реализация схемы автоматизации технического процесса

Задание 1

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

Дать краткое описание приборов и их параметров.

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

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

Составить:

Структурную схему автоматизации.

Функциональную схему автоматизации.

Спецификацию оборудования.

Исходные данные:

Вариант – последняя цифра шифра

Технологический параметр и условие

Величина параметра

Регулирующий орган

Техническая характеристика рег. органа

Дополнительные требования к цепи приборов

Температура

Среда щелочная

300 ⁰С

Поворотная заслонка

Момент равен 80 Нм

Приборы пневматические

Датчик – преобразователь температуры.

Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73

1. Назначение

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

2. Технические характеристики

1. Верхние пределы измерения:	+100…+400;
2. Длина соединительного капилляра, м	4
3. Длина погружения термобаллона, мм	200
4. Классы точности	0,6
5. Давление питания, кгс/см 2	1,4±0,14
6. Рабочий диапазон выходных пневматических сигналов, кгс/см 2	0,2…1
7. Температура окружающей среды, °С	–50…+80
8. Относительная влажность, %, не более	95
9. Давление измеряемой среды, кгс/см 2, до	64 без защитной гильзы 250 с защитной гильзой
10. Изготавливаются по	ТУ 25–7310.032–86
11. Габаритные размеры, мм	182х140х97

Регулятор.

Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1

1. Назначение

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

2. Технические характеристики

Параметры	Значение
Диапазон аналоговых давлений, подаваемых на вход.	20…100 кПа
Питание прибора осуществляется осушенным и очищенным от пыли и масла воздухом давлением.	40 кПа ± 14 кПа
Класс загрязненности сжатого воздуха питания.	0 и 1
Предел допускаемой основной погрешности по всем шкалам и диаграмме.	не превышает ± 1,0% от номинального диапазона входного сигнала
Нижний предел измерения приборов с расходной шкалой.	30% верхнего предела измерения
Изменение показаний прибора, вызываемое отклонением давления питания в пределах.	± 14 кПа от номинального, не превышает 0,5 абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности.
Погрешность хода диаграммы.	не превышает ± 5 мин. за 24 часа
Длина шкал приборов и ширина поля записи диаграммы.	100 мм
Шкалы приборов.	0–100 линейные
Скорость движения диаграммы.	20 мм/ч
Температура окружающей среды.	+5…+50 °С
Относительная влажность воздуха при 35 °С и более низких температурах, без конденсации влаги.	80%
Синхронный двигатель привода диаграммы питается от сети переменного тока напряжением.	220 В
Расход воздуха:	6,5 л/мин
Масса прибора:	8,0 кг

Исполнительный механизм.

Механизм исполнительный пневматический МИП-П

1. Назначение

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

2. Технические характеристики

Рабочая среда	Сжатый воздух
Ход поршня (мм)	200
Давление питания (МПа)	0,4.. 1,0
Входной сигнал (МПа)	0,02.. 0,15
Величина расхода воздуха при неподвижном штоке	1,2 м³/ч
Скорость перемещения штока при отсутствии нагрузки (при давлении питания 0,6 МПа) (м / с)	0,08
Максимальные усилия, развиваемые при давлении питания 0,6 МПа (кН) толкающее: тянущее:	4,1 3,1
Рабочая температура окружающего воздуха (°С)	-30..+50
Относительная влажность (%)	95
Габаритные размеры (мм)	175×190×560
Масса (кг)	20

Регулирующий орган.

Заслонка поворотная. Nemen серия 5000

1. Назначение

Заслонки поворотные используются в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры.

2. Технические характеристики

Диаметр	125 мм.
Температура	-100 – +600⁰С
Давление	2,0 МПа
Среда	агрессивные среды, щёлочи
Исполнение	В-сквозные отверстия Т – резьбовые отверстия
Возможности управления	-ручной рычаг (ручка) – гребенка на площадке заслонки обеспечивает ступенчатую регулировку через каждые 15 градусов поворота ручки – ручная червячная передача (редуктор) – плавная регулировка – электропривод – пневмопривод
Крутящий момент для управления заслонкой	80 Нм

Аппаратура воздухоподготовки.

Редуктор давления РДФ-3–1

1. Назначение

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

ТУ 25.02.1898–75.

2. Технические характеристики

Максимальный расход воздуха.	1,6 м³/ч
Допускаемое давление питания.	0,25…0,8 МПа (кгс/см²)
Пределы регулирования давления на выходе.	0,02…0,2 МПа (кгс/см²)
Допускаемое отклонение выходного давления при температуре окружающего воздуха (20±5) °С: при изменении входного давления воздуха 0,25…0,8 МПа (кгс/см²); при изменении расхода воздуха 0,15…1,6 м³/ч.	0,008 МПа; 0,01 МПа.
Отклонение выходного давления при изменении температуры окружающей среды на каждые 10 °С.	0,002 МПа (кгс/см²)
Размер твёрдых частиц на выходе	не более 10 мкм
Масса	не более 0,71 кг
Загрязненность воздуха после редуктора, не ниже класса	3

Поз. обозначение	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
1	TE	Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73	1
2	TRC	Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1	1
3		Механизм исполнительный пневматический МИП-П	1

4		Заслонка поворотная. Nemen серия 5000	1

Дано:

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

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

M_>н>_>с> = 61 (Нм) – Статистический момент на исполнительном валу;

J_>н>_>>= 36,2 (кгм²) – Момент инерции нагрузки;

η = 0,97 – КПД одной ступени редуктора;

α = 4 – Допустимый коэффициент перегрузки ДПТ.

Требуемая мощность на валу:

Р_>треб> = (2J_>н>  ε_>нм> + М_>нс>)  ω_>нм> = (2  36,2  1,48 + 61)  0,37 = 62.2162 (Вт).

Типоразмер ДПТ с номинальной мощностью:

Р_>ном> ≥ Р_>треб> = 175 (Вт) – двигатель типа СЛ – 521.

Технические данные двигателя постоянного тока серии СЛ типа 569

Тип	Р_>н>_>ом>, Вт	U_>ня>, В	ω_>ня>, с^-1	I_>ня>, А	r_>я>, Ом	J_>я>  10^–6, кгм²	d, м
СЛ – 569	77	110	314	1,1	8,5	127	10^-2

Р_>ном>_>>= 77 (Вт) – номинальная мощность двигателя;

U_>ня> = 110 (В) – номинальное напряжение якоря;

I_>ня> = 1,1 (А) – номинальный ток якоря;

ω_>ня> = 314 (c^-1) – номинальная скорость якоря;

J_>я>_>>= 12710^-6 (кгм²) – момент инерции якоря;

r_>я> = 8,5 (Ом) – сопротивление якоря;

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

Номинальный полезный момент двигателя:

Коэффициент противоЭДС обмотки якоря:

Момент потерь на валу двигателя:

Момент с учетом потерь:

М_>>_>>= С  I_>ня> = 320  10^-3  1,1 = 352,55  10^-3 (Н  м).

Предварительная оценка передаточного числа редуктора i_>p>:

i_>p>_>1> i_>p>  i_>p>_>2>

i_>p>_>1>и i_>p>_>2> находятся из уравнения:

1,7 · 10^-3 · i_>p>² – 1,9 · i_>p> + 118,1 = 0.

i_>p>_>1>  58;

i_>p>_>2>  1058.

Диапазон передаточного числа редуктора:

58_>> i_>p>  1058

Проверка рассчитанного передаточного числа редуктора по i_>p>max = 1058.

А) Выполнение условия по скорости:

i_>p> · _>нм> ≤ (1,1.. 1,2) · ω_>ня>;

i_>p> · _>нм> = 1058 · 1,4 = 386,4 (с^-1);

1,1 · ω_>ня> = 1,1 · 377 = 414,7 (с^-1).

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

В) Выполнение условия по моменту:

M_>НОМ> ≤ (3..4) · M_>n>;

M_>НОМ> = 0,29 + 0,13 + 0,08 = 0,5 (Н·м);

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

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

С) Выполнение условия по перегреву:

M_>t> ≤ M_>n>;

M_>n> = 464,2 · 10^-3 (Н·м).

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

Выбранный двигатель удовлетворяет всем условиям.

Расчёт редуктора с цилиндрическими колёсами для i_>p> = 200:

i_>p> = i_>1> · i_>2> ·…· i_>n> = 200;

где:

Z_>n> – число зубьев n-ой шестерни.

Соотношение передаточных чисел ступеней редуктора:

Из расчёта, что:

i_>n> = 11,2;

ИТОГ – 4 ступени.

i_>1> = 1,88;

i_>2> = 2,39;

i_>3> = 3,98;

i_>4> = 11,2.

i_>p> = 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29  200;

Расчёт числа зубьев:

Число зубьев ведущих шестерен:

Z_>1> = Z_>3> = Z_>5> = Z_>7> ≤ 15 = 15.

Число зубьев ведомых шестерен:

Z_>2> = Z_>1> · i_>1> = 15 · 1,88 = 28;

Z_>4> = Z_>3> · i_>2> = 15 · 2,39 = 36;

Z_>6> = Z_>5> · i_>3> = 15 · 3,98 = 60;

Z_>8> = Z_>7> · i_>4> = 15 · 11,2 = 168.

Расчёт диаметра колёс:

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

Для стальных цилиндрических прямозубых колёс с эвольвентным профилем:

σ_>н>	Удельное давление на зуб	≤ 1,372·10⁸
k_>Д>	Динамический коэффициент	1,7
М_>нс>	Статистический момент на исполнительном валу	35,4 (Н м)
k_>ε>	Коэффициент перекрытия	1,25
ψ	Коэффициент смещения (5..10)	5
k_>ф>	Коэффициент формы	0,12
π		3,14
R	Радиус последней шестерни редуктора	(Z_>8> · m) / 2
Z_>8>	Количество зубьев последней шестерни редуктора	168

m ≥ 1,3 = 2,0.

Диаметр ведущих шестерен:

D_>1> = D_>3> = D_>5> = D_>7> = m · Z_>1> = 2,0 · 15 = 30 (мм).

Диаметр ведомых шестерен:

D_>2> = m · Z_>2> = 2 · 28 = 56 (мм);

D_>4> = m · Z_>4> = 2 · 36 = 72 (мм);

D_>6> = m · Z_>6> = 2 · 60 = 120 (мм);

D_>8> = m · Z_>8> = 2 · 168 = 336 (мм).

Проверка:

A) Меньшего диаметра из колёс, относительно диаметра вала:

D_>1> ≥ 2d.

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

B) Передаточного числа пар и всего редуктора:

i_>p> = 1,86 · 2,4 · 4,0 · 11,2 = 199,99  200;

Передаточное число соответствует заданному.

Расчёт приведённого к валу двигателя момента инерции редуктора:

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

J_>1> = J_>3> = J_>5> = J_>7> = K_>J> · D_>1>⁴ = 7,752 · (3 · 10^-2)⁴ = 6,279 · 10^-6 (кг·м²);

J_>2> = K_>J> · D_>2>⁴ = 7,752 · (5,6 · 10^-2)⁴ = 76,237 · 10^-6 (кг·м²);

J_>4> = K_>J> · D_>4>⁴ = 7,752 · (7,2 · 10^-2)⁴ = 208,326 · 10^-6 (кг·м²);

J_>6> = K_>J> · D_>6>⁴ = 7,752 · (1,2 · 10^-1)⁴ = 1,6 · 10^-3 (кг·м²);

J_>8> = K_>J> · D_>8>⁴ = 7,752 · (3,36 · 10^-1)⁴ = 98,8 · 10^-3 (кг·м²);

Расчёт полного момента инерции:

π		3,14
ρ	Плотность стали (кг/м³)	7,9 · 10³
b = m · ψ	Ширина шестерни (м)	10^-2
D_>i>	Диаметр шестерни	30..336

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

= 46,864 · 10^-6 (кг·м²).

J_>ред> = 46,864 · 10^-6 кг·м².

Проверка пригодности двигателя с рассчитанным редуктором.

А) Выполнение условия по скорости:

i_>p> · _>нм> ≤ (1,1.. 1,2) · ω_>ня>;

i_>p> · _>нм> = 200 · 1,4 = 280 (с^-1);

1,1 · ω_>ня> = 1,1 · 377 = 414,7 (с^-1).

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

В) Выполнение условия по моменту:

M_{>НОМ.ред}> ≤ (3..4) · M_>n>;

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

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

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

С) Выполнение условия по перегреву:

M_>t>_>.ред> ≤ M_>n>;

M_>n> = 464,2 · 10^-3 (Н·м).

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

Двигатель с редуктором подходят для использования.

Построение семейств механических и регулировочных характеристик двигателя.

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

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

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

и ω = ω_>ня> = 377 (с^-1).

3 точка – пуск двигателя, при ω = 0:

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

1 точка – рабочая точка, при U = U_>ня> = 110 (В),

и ω = ω_>ня> = 377 (с^-1).

2 точка – трогание двигателя, при U = U_>Тр>, и ω = 0;

Расчёт усилителя мощности.

Максимальное напряжение усилителя мощности U_>max>_>.ум> и добавочный резистор R_>доб>, ограничивающий ток якоря при пуске:

U_>max>_>.ум> = α  I_>ня>  (R_>доб> + r_>я>); – (уравнение якорной цепи для пускового режима).

U_>max>_>.ум> = = I_>ня>  R_>доб> + U_>ня>. – (уравнение якорной цепи для номинального режима).

α  I_>ня>  (R_>доб> + r_>я>) = = I_>ня>  R_>доб> + U_>ня>;

U_>max>_>.ум> = = I_>ня>  R_>доб> + U_>ня>.

U_>max>_>.ум> = = 2  R_>доб> + 110.

R_>доб> = 13,5 (Ом) – добавочный резистор;

U_>max>_>.ум> = = 137,1 (В) – максимальное напряжение усилителя мощности.

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

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