/
Автор: Глинков Г.М. Маковский В.А. Лотман С.Л. Шапировский М.Р.
Теги: металлургия автоматика металлы технологические процессы
Год: 1986
Текст
СТ. ЖМ1ЮНТ. ЭЛЯ
...
талер ::
ПРОЦЕССОВ
669,01
ПРОЕКТИРОВАНИЕ n?P
СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
И АВТОМАТИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
ПОСОБИЕ
ПО КУРСОВОМУ И ДИПЛОМНОМУ
ПРОЕКТИРОВАНИЮ
Издание второе,
переработанное и дополненное
Под общей редакцией
проф. докт. техн, наук
Г. М. ГЛИНКОВА
Допущено
Министерством высЙ№го,-^<ур^днргр *'
специального^райрвания СССР*?
в качестве учебного wfcdlfttr«а 1
для студентов _л, |
обучающихся по-; специальное™ *
«Автоматизация металлургическогб производства»
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1986
УДК 669 : 62—52 : 65.011.56
Г. М. Глинков, В. А. Маковский, С. Л. Лотман, М. Р. Шапировский
Рецензент: кафедра автоматизации металлургических процессов Жданов-
ского металлургического института
УДК 669 : 62—52 : 65.011.56
Проектирование систем коитроли и автоматического регулирования металлургиче-
ских процессов. Учеб, пособие для вузов/Г л и н к о в Г. М., М а к о в с к и й В. А.,
Л о т м а н С. Л., Ш а п и р о в с к и й М. Р. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Метал-
лургия, 1986. 352 с.
Приведены методика технических и экономических расчетов, в том числе на ЭВМ,
локальных систем автоматического контроля и управления, правила разработки
и оформления графической части и пояснительной записки проектов. Описаны си-
стемы автоматического контроля и управления, применяемые в металлургии. Пока-
зана последовательность выполнения дипломных проектов: определение состава
проекта, сбор материалов, составление математических моделей металлургических
процессов. Содержатся справочные материалы, необходимые при курсовом и дип-
ломном проектировании.
Предназначена в качестве учебного пособия по курсовому и дипломному проек-
тированию для студентов металлургических вузов, обучающихся по специальности
«Автоматизация металлургического производства». Может быть полезна студентам
других металлургических специальностей и инженерно-техническим работникам,
занимающимся проектированием и эксплуатацией систем автоматики. Ил. 119.
Табл. 74. Библиогр. список: 16 назв.
Герман Маркович Глинков
Виталий Анатольевич Маковский
Семеи^Львович Лотман
Михаил Романович Шапировский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ KOHTPVJBll JTufH Л -
И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИР ВА1ИЯ*’Л
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССО "
Издание второе,
переработанное и дополненное
Редактор издательства Н. Ф. Фокина
Художественный редактор Ю. И. Смурыгин
Технический редактор В. М. Курпяева
Корректоры: В. М. Гриднева, Т. В. Чуприс
ИБ № 2532
Сдано в набор 11.06.85. Подписано в печать 25.10.85. Т-19879.
Формат бумаги 60x90x/ie- Бумага типографская № 2.
Гарнитура литературная. Печать высокая. Уел. печ. л. 22,0. Усл. кр.-отт. 22,0.
Уч.-изд. л. 24,79. Тираж 5600 экз, Заказ 180. Цена 1 р. 10 к. Изд. № 0859
Ордена Трудового Красного Знамени
издательство «Металлургия», 119857, ГСП, Москва, Г-34,
2-й Обыденский пер., д. 14
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10
_ 2601000000—003 . о.
П 040(01)—86 4~86
© Издательство «Металлургия», 1986.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие .......................................................... 4
Введение.............................................................. 5
Часть первая. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА СИСТЕМ
АВТОМАТИЗАЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава I. Графическая часть проекта ................................... 9
§ 1. Структурные схемы автоматизации технологических процессов. . . 9
§ 2. Функциональные схемы автоматизации технологических процессов 11
§ 3. Принципиальные электрические схемы.............................. 27
§ 4. Щиты и пульты управления........................................ 59
§ 5. Схемы внешних электрических и трубных проводок.................. 64
§ 6. Монтажные чертежи расположения н установки оборудования, чер-
тежи кабельных и трубных проводок ..............-. . ............... 68
Глава II. Расчет систем контроля и автоматического управления. . 72
§ 1. Расчет сужающих устройств для измерения расходов................ 72
§ 2. Расчет электрических измерительных схем......................... 86
§ 3. Описание объекта управления..................................... 90
§4. Расчет локальных автоматических систем управления.............. 116
§ 5. Расчет автоматических систем управления с использованием ЭВМ ... 131
§ 6. Построение переходных процессов ............................. 136
§ 7. Расчет дроссельных регулирующих органов и выбор исполнительных
механизмов.......................................................... 145
Глава III. Выбор аппаратуры систем автоматизации.................... 160
§ 1. Надежность аппаратуры и систем автоматизации................... 161
§ 2. Расчет экономической эффективности систем контроля и автоматиче-
ского регулирования............................................ . 163
§ 3. Выбор аппаратуры технологического контроля и сигнализации . . . 168
§ 4. Выбор аппаратуры управления.................................... 183
Глава IV. Содержание и методика оформления текстовых материалов
проекта автоматизации .............................................. 190
§ 1. Пояснительная записка.......................................... 190
§ 2. Ведомости, спецификации и сметы на оборудование и монтажные ма-
териалы ........................................................ • 192
Часть вторая. АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
КУРСОВОЕ И ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Глава V. Автоматизация в металлургии................................ 196
§ 1. Подготовка рудного сырья ..................................... 196
§ 2. Доменное производство.......................................... 218
§ 3. Сталеплавильное производство................................... 235
§ 4. Нагревательные устройства прокатных цехов...................... 252
Глава VI. Курсовой проект «АСУ технологическими процессами» . . . 262
Глава VII. Курсовой проект «Проектирование систем автоматики» . . . 292
Глава VIII. Дипломное проектирование по специальности «Автомати-
зация металлургического производства» .............................. 299
§ 1. Задание на дипломное проектирование и содержание дипломного про-
екта .......................................................... . 299
§ 2. Сбор материалов для дипломного проектирования.................. 306
§ 3. Анализ технологического процесса с целью выбора выходных пере-
менных и управляющих воздействий.................................... 310
§ 4. Методы и примеры построения математических моделей............. 312
§ 5. Применение методов оптимизации в дипломном проектировании . . . 329
§ 6. Расчет экономической эффективности систем автоматизации........ 343
Библиографический список...............................<........... 344
Приложения ......................................................... 345
Предметный указатель...........'.................................... 350
1* 3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Решениями XXVI съезда КПСС, последующих Пленумов ЦК КПСС
и Совета Министров СССР намечен переход на интенсивное ведение
народного хозяйства СССР. Этот переход связан с широким внедре-
нием во все отрасли промышленности, в том числе в металлургию,
автоматических и автоматизированных систем управления техно-
логическими процессами (АСУ ТП).
При этом особенно важное значение приобретают качество про-
ектирования систем автоматизации металлургического производства,
развитие навыков которого у студентов достигается в процессе
курсового и дипломного проектирования.
Первое издание книги вышло в 1970 г. За время, прошедшее
с момента ее выхода, произошли большие изменения в области
автоматического регулирования и управления: появились новые
понятия и определения, приняты новые обозначения на функцио-
нальных и электрических схемах, почти полностью изменились
технические средства автоматики, на принципиально новый уровень
поднялось применение ЭВМ и возник новый класс систем—АСУ ТП,
бурное развитие получает микропроцессорная техника.
В связи с этим книга практически полностью переработана и
все материалы приведены в соответствие с современными достиже-
ниями науки и техники, а также с существующими правилами про-
ектирования и ГОСТами.
В книгу включены новые разделы, посвященные применению
ЭВМ при определении динамических характеристик объектов уп-
равления, нахождении коэффициентов уравнений объектов, для
расчета автоматических систем управления и моделирования их
работы. Даны примеры выполнения курсовых проектов с расчетами
на ЭВМ.
Поскольку в алгоритмах оптимального управления в АСУ ТП
используются математические модели технологических процессов
в гл. VIII рассмотрены методы построения математических моделей,
а также применение методов оптимизации для управления процес-
сами в металлургии.
Глинковым Г. М. написаны § 4, 6 и 7 гл. II, § 4 гл. III, § 3 гл. V,
§ 1 гл. VIII; Маковским В. А. —§ 1, 2 гл. II, § 1, 2 и 3 гл. Ill, § 1,
2 и 4 гл. V, гл. VII, § 2 и 6 гл. VIII; Лотманом С. Л. — введение,
гл. I и гл. IV; Шапировским М. Р. — § 5 гл. II, § 3, 4 и 5 гл. VIII;
§ 3 гл. II и гл. VI написаны совместно Глинковым Г. М. и Шапиров-
ским М. Р. Моделирование работы автоматической системы управ-
ления на АВМ в § 6 гл. II по просьбе авторов написано доцентом
МВМИ Н. П. Бычковым.
Авторы выражают благодарность заведующему кафедрой авто-
матизации металлургических процессов Ждановского металлурги-
ческого института доценту Е. К. Шевцову за ценные замечания,
способствующие улучшению книги, а также инженерам Н. В. Бар-
ковской, С. Н. Болушаеву и А. А. Тютвинову за помощь, оказан-
ную при оформлении материалов рукописи,
4
ВВЕДЕНИЕ
Строительство новых промышленных объектов и реконструкцию
действующих предприятий осуществляют в соответствии с проектно-
сметной документацией, которая представляет собой комплекс тех-
нических документов, содержащих технико-экономическое обоснова-
ние целесообразности сооружения нового или реконструкции дей-
ствующего объекта и чертежи для производства всех видов строи-
тельно-монтажных и наладочных работ.
В зависимости от сложности объекта проектно-сметная доку-
ментация состоит из определенного числа частей. В отдельные части
обычно выделяют технологическую, строительную, сантехническую,
электрическую документацию, документацию по автоматизации
и др.
Проектирование ведут различные государственные проектные ин-
ституты (ГПИ) и проектно-конструкторские бюро (ПКБ). Почти
каждая отрасль промышленности имеет свои специализированные
технологические проектные институты. Например, проектирование
предприятий черной металлургии ведет Государственный институт
по проектированию металлургических заводов—Гипромез и т. д.
Отраслевые проектные институты являются генеральными про-
ектировщиками предприятий 'отрасли и имеют в своем составе,
как правило, подразделения, выполняющие все части проектно-
сметной документации.
Для крупных объектов со сложной технологией отдельные части
проектно-сметной документации готовят специализированные ГПИ
или ПКБ. Например, строительную часть выполняет ГПИ «Пром-
стройпроект», сантехническую — ГПИ «Сантехпроект», автомати-
зацию — ГПИ «Проектмонтажавтоматика» и т. д.
Основным документом, определяющим общие требования к про-
ектно-сметной документации, является «Инструкция о составе, по-
рядке разработкй, согласования—утверждения проектно-сметной
документации на строительство предприятий, зданий и сооруже-
ний»—СН-202—81. Кроме того, проектирование систем автомати-
зации технологических процессов выполняют в соответствии с «Вре-
менными указаниями по проектированию систем автоматизации
технологических процессов»—ВСН—281—75 Минприбора СССР.
При создании автоматизированных систем управления технологи-
ческими процессами (АСУ ТП) с применением электронно-вычисли-
тельных машин (ЭВМ) проектную документацию разрабатывают
в соответствии с Общеотраслевыми руководящими методическими
материалами по созданию автоматизированных систем управления
технологическими процессами в отрасли промышленности
(ОРММ АСУ ТП), утвержденными ГКНТ.
Системы автоматизации технологических процессов являются
частью системы управления промышленным предприятием (цехом),
поэтому проект системы автоматизации технологического процесса
увязывают с проектом автоматизированной системы управления
предприятием (АСУП), который разрабатывают в соответствии
5
с Общеотраслевыми руководящими методическими материалами по
созданию АСУП, утвержденными ГКНТ.
Проектирование объектов, как правило, выполняют в две ста-
дии— проект и рабочая документация (РД). Для технически не-
сложных объектов или для объектов, строительство которых будет
осуществляться по типовым проектам, проектирование выполняют
в одну стадию — рабочий проект (РП) со сводным сметным расче-
том стоимости.
Проект разрабатывают с тем, чтобы принять основные техни-
ческие решения по системам контроля и автоматического регули-
рования, определить технико-экономические показатели, получае-
мые в результате внедрения этих решений, и сметную стоимость
оборудования и монтажа. После утверждения проект служит основа-
нием для выполнения рабочей документации.
В рабочей документации уточняют и детализируют предусмо-
тренные проектом решения в объеме, позволяющем заказать обору-
дование и материалы, а также выполнить монтажно-наладочные
работы индустриальным методом.
Основанием для выполнения проектно-сметной документации яв-
ляется задание на проектирование, которое составляет заказчик и^ти
организация, выполняющая технологическую часть проекта. Иногда
к составлению задания привлекают организацию, выполняющую
проект автоматизации.
Задание на проектирование содержит:
а) состав проектируемого объекта, краткое описание техно-
логического процесса, характеристику установок и оборудо-
вания;
б) перечень контролируемых и регулируемых величин с указа-
нием характеристики среды, допустимой погрешности контроля и
регулирования и функциональных признаков приборов (показание,
запись, интегрирование, сигнализация и др.).
К заданию прилагают следующие исходные материалы: техноло-
гические схемы с трубопроводными коммуникациями и указанием их
диаметров; чертежи производственных помещений с расположе-
нием технологического оборудования, трубопроводных коммуни-
каций и рекомендуемых мест установки щитов КИП и пультов
управления (планы и разрезы); чертежи технологического обору-
дования, на котором предусматривают установку контрольно-изме-
рительных приборов и устройств автоматики; строительные чертежи
зданий с фундаментами и площадками под оборудование (планы и
разрезы); ведомости приборов и средств автоматики, поставляемых
комплектно с оборудованием. При разработке проекта объем исход-
ных материалов может быть сокращен.
Техническая проектно-сметная документация состоит из графи-
ческого и текстового материала. В графическую часть входят схемы,
графики, чертежи и т. п. В текстовую часть включают пояснитель-
ную записку, спецификацию с вопросными- листами, сметы и др.
Состав проектно-сметной документации зависит от сложности проек-
тируемого объекта и стадии проектирования.
6
На стадии «проект» в coctaB проектно-сметной документаций
включают структурные и функциональные схемы, чертежи размеще-
ния щитов и пультов на плане объекта; ведомости приборов, регуля-
торов, вспомогательного оборудования, электроаппаратуры, щитов,
пультов, кабелей, проводов и труб; перечень новых, не изготовляе-
мых промышленностью серийно приборов и средств автоматизации
с техническими заданиями на их изготовление; пояснительную
записку и сметные расчеты.
В процессе выполнения проекта выдают задания на обеспечение
устройств контроля и автоматического регулирования питанием
(электроэнергией, сжатым воздухом и др.), помещениями для раз-
мещения щитов и др.
На стадии «рабочая документация» в состав проектно-сметной до-
кументации включают структурные и функциональные схемы; прин-
ципиальные электрические, гидравлические и пневматические схемы
автоматического регулирования, управления, защиты и сигнали-
зации; принципиальные схемы питания (электрические, пневмати-
ческие); чертежи общих видов щитов и пультов; монтажные схемы
щитов, пультов и сложных соединительных коробок; сводные или
узловые схемы внешних соединений электрических и трубных про-
водок (под трубными проводками понимают проводки к гидро- и
пневмоприводам, газопроводы и паропроводы, применяемые в ка-
честве импульсных, командных, питающих, дренажных, обогреваю-
щих и охлаждающих линий); чертежи трасс трубных и кабельных
проводок, журналы кабельных и трубных проводок; чертежи уста-
новки аппаратуры, вспомогательных устройств, щитов и пультов;
чертежи общих видов нетиповых элементов, узлов, конструкций
и нестандартного оборудования; пояснительную записку; сводную
таблицу исходных данных и результатов расчетов регулирующих
дроссельных органов и непоставляемых приборостроительной про-
мышленностью сужающих устройств расходомеров; заказные спе-
цификации: а) приборов и средств автоматизации; б) электроаппа-
ратуры; в) щитов и пультов; г) трубопроводной аппаратуры; д) ка-
белей и проводов; е) основных монтажных материалов и изделий;
ж) нестандартного оборудования, ведомости материалов, вопрос-
ные листы для заказа приборов (расходомеров, газоанализаторов,
уровнемеров, ротаметров и др.); перечень нормалей и типовых
чертежей, использованных в проектах; смету стоимости оборудо-
вания и монтажа; задания смежным отделам или другим проект-
ным организациям: на конструкции и сооружения для установки
щитов и пультов; на туннели, каналы, проемы и закладные детали;
на размещение отборных и приемных устройств, регулирующих и
запорных органов, устанавливаемых на технологическом обору-
довании и трубопроводах; на подвод электроэнергии, сжатого воз-
духа, воды, пара и др. Проектные материалы комплектуют в тома,
соответствующие характеру выполняемых работ по монтажу и
наладке системы автоматизации.
Проектирование начинают с изучения и анализа задания на про-
ектирование. По технологическим чертежам и пояснениям к ним со-
7
ставляют четкое представление о технологическом процессе, кон-
струкции машин и механизмов, определяющих работу установки.
Уточняют объем параметров, подлежащих контролю и автомати-
ческому регулированию, перечень дистанционно-управляемых и
автоматизируемых приводов, объем блокировок и перечень сигналов,
включаемых в схему автоматики безопасности работы установки.
Анализируют работу установки совместно с устройствами контроля
и автоматики. Составляют структурные и функциональные схемы
автоматизации технологических процессов. Выбирают контрольно-
измерительные приборы, регуляторы и аппаратуру автоматики.
Разрабатывают принципиальные (элементные) схемы автоматиче-
ского регулирования, управления, сигнализации и автоматики
безопасности. Рассчитывают системы регулирования в установившемся
и переходном режимах. Составляют схемы питания. Проектируют
общие виды щитов и пультов и уточняют место их размещения.
Намечают место расположения датчиков и вспомогательных уст-
ройств. Выполняют монтажные схемы щитов и пультов и схемы
внешних соединений. Составляют кабельный и трубный журнал.
Выполняют чертежи трасс электрических и трубных проводок.
Составляют спецификацию, пояснительную записку и смету. ,
При проектировании следует руководствоваться:
основными техническими направлениями в проектировании пред-
приятий черной и цветной металлургии, исходя из перспективы
развития науки и техники; результатами, научно-исследователь-
ских и опытно-конструкторских работ; передовым промышленным
опытом в области автоматизации технологических процессов в чер-
ной и цветной металлургии; действующими нормативными доку-
ментами по проектированию систем автоматизации технологических
процессов, утвержденными в установленном порядке, а также
эталонами проектов автоматизации; нормами и правилами строитель-
ного проектирования, санитарными, электротехническими, проти-
вопожарными и другими требованиями; нормами и правилами на
производство строительных, монтажных и специальных работ;
утвержденными сметными нормами, прейскурантами и ценниками
для определения сметной стоимости систем автоматизации техноло-
гических процессов; типовыми методиками по определению экономи-
ческой эффективности капитальных вложений; указаниями (Госкоми-
тета по делам изобретений и открытий Совета Министров СССР)
о мерах по обеспечению патентоспособности и патентной чистоты
машин, приборов, оборудования, материалов и технологических
процессов в случаях, предусмотренных ГОСТ 2.110—68.
Курсовые проекты содержат некоторые элементы проектных
заданий и рабочих чертежей, а дипломный проект по объему графи-
ческой части несколько превосходит проектное задание, значительно
уступая в то же время рабочим чертежам. Несмотря на различия
в объеме, курсовые и дипломные проекты по форме и содержанию
должны соответствовать нормам и правилам промышленного проек-
тирования и содержать стандартные условные изображения и обо-
значения.
8
Часть
первая
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И РАСЧЕТА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава I
ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
§ 1. Структурные схемы автоматизации
технологических процессов
Графическое изображение структуры контроля и управления объ-
ектом называют структурной схемой. Структурные схемы разраба-
тывают на стадии «проект» для крупных объектов со сложной тех-
нологией, для которых, как правило, предусматриваются автома-
тизированные системы управления технологическим процессом
(АСУ ТП), базирующиеся на использовании вычислительной тех-
ники.
На структурной схеме отображают в общем виде основные ре-
шения проекта по функциональной, организационной и технической
структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимо-
связей между технологическим объектом и комплексом технических
средств (КТС) системы управления.
Принятые при выполнении структурной схемы принципы кон-
троля и управления технологическим объектом, состав и обозначе-
ния отдельных элементов структурной схемы сохраняют в рабочей
документации, в которой они конкретизируются и детализируются.
Элементы структурной схемы изображают, как правило, в виде
прямоугольников, в которых пишут условные обозначения. Рас-
шифровка этих обозначений и указание функций элементов произ-
водятся в таблице, помещенной на чертеже схемы. Размеры всех
условных изображений не регламентируются и выбираются по
усмотрению исполнителя. Для однотипных изображений соблюдают
одинаковые размеры. Связь между элементами схемы показывают
линиями со стрелками, указывающими направление прохождения
сигналов.
В качестве примера на рис. 1 приведена упрощенная структур-
ная схема контроля и управления доменной печью № 9 Криворож-
ского металлургического комбината, АСУ ТП для которой разра-
ботана с использованием элементов КТС ЛИУС и АСВТ.
Обработка и представление информации, стабилизация или из-
менение по заданной программе технологических параметров, ввод
информации в УВМ и вывод рекомендаций по управлению ходом
доменной печи и другие операции осуществляются с помощью тех-
нических средств системы централизованного контроля и управ-
ления доменной печи (СЦКУ),
9
о
Бункерная эстакада АЩ и К
ДАМ ДУ АВ АШиК ВК двм ДРАК пвмв
ДП
ИМ
С ДТ ддпд ДР ДВл АДиГ ДУП ДУ ТК
Мнемо щит системы шихтоподачи и ПУ
СТ ВП МС КУ РЗВД
Гладный щит ДП и ПУ
РАЗ КУ СТ Ц И ВП МС ИПМ ТВ
I Т
Е_
ЭВМ шп
ВЦР
ЦВУ СЦК
ВЦР
ВЦИД
Рис. 1. Упрощенная структурная схема контроля и управления доменной печью:
Д/7 — доменная печь: ДНМ — датчики наличия--материалов; ДУ — датчики уровня; ДВ датчики веса; АШиК — анализаторы шихты
и кокса; J3K — влагомер кокса; ЦВМ. — датчики вида материалов; ДРАК — датчики разрыва лент конвейеров; ПВМБ — питатели для
выдачи материалов из бункеров; ИМ — исполнительные механизмы; ДТ — датчики температуры; ДДПД —датчики давления или перепада
давлений; ДР — датчики расхода; ДВл — датчики влажности; АДиГ — анализаторы дутья и газа; ДУП — датчики угла поворота; ТК —
телекамеры; СТ— сигнальные табло; ВП — вторичные приборы; МС — мнемосхемы; КУ — ключи управления; РЗВД — ручные за-
датчики веса дозы: ЛСДМ — локальные системы дозирования материалов; ЛСР — локальные системы регулирования; БЦИЧ — блок
цифровой индикации с частотными вводами; РДЗ — ручные дистанционные задатчики; ЦИ — цифровые индикаторы; ИПМ — индикаторы
положения механизмов; ТВ — телевизоры; ЭВМ ШП — ЭВМ шихтоподачи; ЦВУ СЦК — цифровое вычислительное устройство системы
централизованного контроля; БЦР — блоки цифровой регистрации; БЦИД — блок цифровой индикации с дискретными вводами; ЭВМ
УХДП — ЭВМ, управляющая тепловым состоянием и ходом печи; ИТ -— информационное табло; ПУ — пульты управления
В состав СЦКУ включены локальные системы регулирования раз-
личных параметров и локальные системы дозирования материалов.
§ 2. Функциональные схемы автоматизации
технологических процессов
Основные положения
Функциональные схемы автоматизации являются основными чер-
тежами, определяющими характер построения системы автомати-
зации технологической установки. Систему автоматизации на этих
схемах представляют в виде функционально-блочных узлов авто-
матического контроля, управления и регулирования, дающих пол-
ное представление об оснащении объекта приборами и средствами
автоматизации (в том числе средствами 'телемеханики и вычислитель-
ной техники).
К составлению функциональных схем приступают после подроб-
ного изучения объекта автоматизации. Особое внимание уделяют
технологическому процессу и анализу, подготовленности объекта
к автоматизации. В необходимых случаях выдвигают требования
по модернизации установки или изменению технологической схемы
с целью приспособления их к требованиям автоматизации.
При составлении функциональных схем в первую очередь раз-
рабатываются следующие основное вопросы:
получения первичной информации о состоянии технологического
процесса и оборудования;
непосредственного воздействия на технологический процесс для
управления им;
стабилизации технологических параметров процесса;
контроля и регистрации технологических параметров процесса
и состояния технологического оборудования.
Указанные вопросы решают на основании анализа работы тех-
нологического оборудования, выявленных законов и критериев
управления объектом, а также требований, предъявляемых к точ-
ности стабилизации, контроля и регистрации технологических пара-
метров, к качеству регулирования и надежности.
В процессе составления функциональных схем осуществляют:
1) выбор методов измерения технологических параметров;
2) выбор основных технических средств автоматизации, наиболее
полно отвечающих предъявленным требованиям и условиям работы
объекта;
3) определение приводов исполнительных механизмов регули-
рующих и запорных органов технологического оборудования, уп-
равляемого автоматически или дистанционно;
4) размещение средств автоматизации на щитах, пультах, техно-
логическом оборудовании и трубопроводах и т. п. и определение
способов представления информации о состоянии технологического
процесса и оборудования.
Функциональную схему выполняют в виде чертежа, на котором
схематически условными изображениями показывают: технологи-
11
ческое оборудование, коммуникации, органы управления и средства
автоматизации с указанием связей между технологическим обору-
дованием и средствами автоматизации, а также связей между отдель-
ными функциональными блоками и элементами автоматики.
Изображение технологического оборудования
и коммуникаций
Технологическое оборудование и коммуникации изображают на
схеме, как правило, упрощенно, без указания вспомогательных
устройств, на которых не устанавливаются средства автоматики.
Однако, выполненная таким образом технологическая схема должна
давать ясное представление о принципе работы оборудования во
взаимодействии со средствами автоматизации.
На технологических трубопроводах обычно показывают ту регу-
лирующую и запорную арматуру, которая непосредственно участ-
вует в контроле и управлении процессом, а также ту, которая необ-
ходима для определения относительного расположения мест отбора
импульсов и пояснения необходимости измерений.
Технологические коммуникации и трубопроводы жидкости и газа
изображают условными обозначениями, приведенными в табл. 1.
Для уточнения характера среды к цифровому обозначению добав-
ляют буквенный индекс, например, вода чистая — 14, пар перегре-
тый — 2П, пар насыщенный — 2Н и т. п.
Условные цифровые обозначения трубопроводов проставляют
через расстояния не менее 50 мм.
Детали трубопроводов, арматуру, теплотехнические и санитарно-
технические устройства показывают условными обозначениями в со-
ответствии с ГОСТ 2.785—70 и ГОСТ 2.786—70.
Таблица 1. Условные цифровые обозначения трубопроводов1 для
жидкостей и газов
Наименование транспор- тируемой среды Обозначение Наименование транспорти- руемой среды Обозначение
Вода —1—1— Горючие и взрывоопасные
Пар —2—2 газы:
Воздух —3—3— водород —16—16—
Азот —4—4 ацетилен — 17—17—
Кислород —5—5— фреон — 18—18—
Инертные газы: метан — 19—19—
аргон —6—6— этан —20—20—
неон —7—7— этилен —21—21—
гелий —8—8— пропан —22—22—
криптон —9—9— пропилеи —23—23—
ксенон — 10—10— бутан —24—24—
Аммиак —11—11— бутилен —25—25—
Кислота (окислитель) — 12—12— Противопожарный трубо- —26—26—
Щелочь —13—13— провод
Масло —14—14— Вакуум —27—27
Жидкое горючее —15—15—
12
Трубопроводы для жидкостей и газов, не предусмотренных
табл. 1, обозначают последующими цифрами с обязательными по-
яснениями на чертеже новых условных обозначений.
Если обозначения трубопроводов на технологических чертежах
не стандартизованы, то на функциональных схемах применяют ус-
ловные обозначения, принятые в технологических чертежах.
У изображения технологического оборудования, отдельных его
элементов и трубопроводов проставляют соответствующие поясня-
ющие надписи (наименование технологического оборудования, его
номер и т. п.). Направление потока указывают стрелками.
На трубопроводах, на которых предусматривается установка
отборных устройств и регулирующих органов, указывают диаметры
условных проходов.
Технологическую установку и трубопроводы вычерчивают тон-
кими линиями в верхней части чертежа без соблюдения масштаба.
Желательно, чтобы конфигурация агрегата примерно соответство-
вала действительной, но возможно и отступление от этого правила.
Например, схему кольцевой печи иногда выполняют так, как-будто
цилиндрическая печь разрезана по образующей и цилиндр развер-
нут в плоскости чертежа.
Изображение приборов и средств автоматизации
Условное графическое изображение приборов и средств автомати-
зации выполняют по отраслевому стандарту ОСТ 36-27—77. Это
изображение более перспективно, так как оно в основном соответ-
ствует требованиям международного стандарта НСО 3511/1 и стан-
дарта СТ СЭВ 2410—80 в части изображения приборов и устройств
автоматики. Графическое условное обозначение электроаппаратуры,
а именно: звонков, сирен, гудков, сигнальных ламп (табло) и элек-
тродвигателей выполняют по соответствующим стандартам ЕСКД
(единой системы конструкторской документации). Отборные и при-
емные устройства, встраиваемые в технологическое оборудование
и трубопроводы с помощью бобышек, карманов расширителей и т. п.,
на функциональных схемах не показывают.
Ряд приемных устройств, которые не требуют непосредственного
контактирования с измеряемой средой (радиоактивные устройства —
коллиматоры, видеоприемные устройства и т. п.), изображают в не-
посредственной близости от объекта измерения.
Система построения графических и буквенных обозначений по
ОСТ 36-27—77 основывается на функциональных признаках, при-
боров и средств автоматизации.
Основные условные обозначения приборов и средств автомати-
зации по ОСТ 36-27—77 приведены в табл. 2. Для обозначения из-
меряемых величин и функциональных признаков приборов приняты
прописные буквы латинского алфавита (табл. 3 и 4). Предусматри-
вается два способа построения условных обозначений: упрощенный
и развернутый.
Упрощенный способ применяют, в основном, для несложных объ-
ектов автоматизации. Изображение приборов и средств автомати-
13
зации цри этом способе производят непосредственно на изображе-
нии технологического оборудования и трубопроводов. Первичные
измерительные преобразователи и вар вспомогательную аппаратуру
не показывают. Приборы и средства автоматизации, осуществляю-
щие сложные функции (контроль, регулирование, сигнализацию
и т. п.) и выполненные в виде отдельных блоков, показывают од-
ним условным обозначением. При этом способе достаточно буквен-
ных обозначений, приведенных в табл. 3.
Развернутый способ, как правило, применяют для наиболее
сложных объектов автоматизации. По этому способу каждый при-
бор или блок, входящий в единый (измерительный, регулирующий
или управляющий) комплект, показывают отдельным условным
графическим обозначением. Сложные приборы, выполняющие не-
сколько функций, изображают несколькими окружностями, распо-
ложенными слитно. Методика построения графических условных
обозначений является общей для обоих способов.
В верхней части окружности проставляют буквенные обозначе-
ния измеряемой величины и функционального признака прибора,
Таблица 2. Условные обозначения приборов и средств
автоматизации по ОСТ 36—27—77 ’
Наименование
Обозначение,
размеры
Первичный измерительный преобразователь (датчик), прибор
(контролирующий, регулирующий):
базовое обозначение
допускаемое обозначение
Прибор, устанавливаемый на щите
Отборное устройство без постоянно подключенного прибора
(служит для эпизодического подключения приборов во время
наладки, снятия характеристики и т. п.)
Исполнительный механизм:
общее обозначение (положение регулирующего органа при
прекращении подачи энергии или управляющего сигнала
не регламентируется)
открывающий регулирующий орган при прекращении по-
дачи энергии или управляющего сигнала
14
Продолжение табл. 2
Наименование Обозначение, размеры
закрывающий регулирующий орган при прекращении по-
дачи, энергии или управляющего, сигнала
который при прекращении подачи энергии или управляю- *5 ' •
щего сигнала оставляет регулирующий орган в неизменном
положении
с дополнительным ручным приводом (обозначение может 2
применяться в сочетании с лк>бым из дополнительных зна-
ков, характеризующих положение регулирующего органа
при прекращении подачи энергии или управляющего
сигнала) J
1
Регулирующий орган
Линия связи ;
Пересечение линий связи:
без соединения друг с другом 4-
соединением между собой 1'
Таблица 3. Буквенные условные обозначения по ОСТ 36-27—77
Обо- значе- ние Измеряемая величина Функции, выполняемые прибором
Основное значение первой буквы Дополнительное значение, уточ- няющее значение первой буквы Отобра- жение инфор- мации Формирова- ние выход- ного сигнала Дополнительное значение
А — — Сигна- лизация — —
В Резервная буква — — — —
С — — — Регулиро- вание, уп- равление —
D Плотность Разность, перепад — — —
Е Любая электри- ческая величина — — — Чувствитель- ный элемент.
F Расход Соотношение, доля, дробь — — —
15
Продолжение табл. 3
Обо- значе- ние Измеряемая величина Функции, выполняемые приборном
Основное значение первой буквы Дополнительное значение, уточ- няющее значение первой буквы Отобра- жение инфор- мации Формирова- ние выход- ного сигнала Дополнительное значение
G Размер, положе- ние, перемещение — — — —
Н Ручное воздей- ствие — — — Верхний пре- дел измеряе- мой величины
I — — Пока- зание — ‘ —
J — Автоматиче- ское переклю- чение, обегание — — —
К Время, времен- ная программа — — — Станция управ- ления f
L Уровень — — — Нижиий пре- дел измеряе- мой величины
М Влажность — — — —
0, N Резервные буквы — — — —
Р Давление, вакуум — — — —
Q Величина, харак- теризующая ка- чество: состав, концентрацию и т. п. Интегрирова- ние, суммиро- вание по вре- мени
R Радиоакти вность — Реги- страция — —
S Скорость, часто- та Включение, отключение, переключе- ние, сигна- лизация
Т Температура — — — Дистанцион- ная передача
и Несколько разно- родных измеряе- мых величин — — — —
V Вязкость — — — —
W Масса — — —
Y — — Преобра- зование
16
Таблица 4. Дополнительные обозначения, применяемые при построении
преобразователей сигналов и вычислительных устройств по ОСТ 36-27—77
Наименование Обозначение
Род сигнала:
электрический Е
пневматический Р
гидравлический Виды сигнала: G
аналоговый А
дискретный D
Операции, выполняемые вычислительным устройством:
суммирование 2
умножение сигнала на постоянный коэффициент k k
перемножение двух и более сигналов друг на друга X
деление сигналов друг иа друга
возведение величины сигнала f в степень п fn
извлечение из величины сигнала f корня степени п VI
логарифмирование ig
дифференцирование dx/dt
интегрирование
изменение знака сигнала X (-1)
ограничение верхнего значения сигнала max
ограничение нижнего значения сигнала min
в нижней — позиционное обозначение (цифровое или буквенно-ци-
фровое), служащее для нумерации комплекта измерения или регу-
лирования (при упрощенном способе построения условных обозна-
чений) или отдельных элементов комплекта (при развернутом спо-
собе построения условных обозначений).
Порядок расположения буквенных обозначений в верхней части
(слева направо) должен быть следующим:
обозначение основной измеряемой величины; обозначение, уточ-
няющее (если необходимо) основную измеряемую величину; обозна-
чение функционального признака прибора. Функциональные при-
знаки (если их несколько в одном приборе) располагают в последо-
вательности: IRGSA.
Пример построения условного обозначения прибора для измере-
ния, регистрации и автоматического регулирования перепада дав-
ления приведен на рис. 2. При построении условных обозначений
приборов указывают не все функциональные признаки прибора,
а лишь те, которые используются в данной схеме. Например, при
обозначении показывающих и самопишущих приборов (если функ-
ция «показание» не используется) пишут TR вместо TIR, PR вместо
PIR и т. п.
В отдельных случаях, когда позиционное обозначение прибора
не помещается в окружности, его наносят вне пределов окружности.
Размеры графических условных обозначений по ОСТ 36-27—77
приведены в табл. 2. Условные графические обозначения на схемах
выполняют линиями толщиной 0,5—0,6 мм. Горизонтальную раз-
делительную черту внутри обозначения и линии связи выполняют
линиями толщиной 0,2—0,3 мм. В обоснованных случаях (например,
при позиционных обозначениях, состоящих из большого числа
знаков) для обозначения первичных преобразователей и приборов
применяют вместо окружно-
сти изображение в виде эл-
липса.
В табл. 5 приведены приме-
ры построения условных обо-
значений по ОСТ 36-27—77 в
основном, для приборов изме-
рения и регулирования темпе-
ратуры. Для других параметров
обозначения аналогичны. На- 1
пример, при построении услов-
ного обозначения сигнализа-
тора уровня, блок сигнализации
которого является бесшкаль-
ным прибором, снабженным
контактным устройством и
встроенными сигнальными лам-
пами пишут: a) LS — если при-
бор используют только для
включения, выключения насо-
са, блокировок и т. д.; б) LA —
если прибор используют только
для сигнализации (местной или
дистанционной); в) LSX — если
используют обе функции по «а»
обозначения
Рнс. 2. Пример построения условного обозна-
чения прибора для измерения, регистрации и
автоматического регулирования перепада дав-
ления
и «б»; г) LC — если прибор используют для позиционного регули-
рования уровня. При использовании условных обозначений
ОСТ 36-27—77 руководствуются следующими правилами:
1. Букву А (см. табл. 3) применяют для обозначения функции
сигнализации при упрощенном способе построения условных обо-
значений, а также при развернутом способе, когда для сигнализа-
ции используются лампы, встроенные в сам прибор. Во всех осталь-
ных случаях для обозначения контактного устройства прибора при-
меняют букву S: Сигнализируемые предельные значения измеряе-
мых величин конкретизируют добавлением букв Н и L. Эти буквы
наносят вне графического обозначения, справа от него (см. табл. 5
поз. 16). Букву S не применяют для обозначения функции регули-
рования (в том числе позиционного).
2. Для конкретизации измеряемой величины около изображения
прибора (справа от него) указывают наименование или символ из-
меряемой величины, например «напряжение», «ток», pH, О2 и т. д.
(см.табл. 5 поз. 23—25).
18
I
' Таблица 5. Примеры построения условных обозначений по ОСТ 36-27—77
№ п. п Наименование Обозначение
1 Первичный измерительный преобразователь (чувстви- тельный элемент) для измерения температуры, установ- ленный по месту (термометр термоэлектрический, тер- мометр сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т. п.) Прибор для измерения температуры:
2 показывающий, установленный по месту (термометр ртутный, термометр манометрический и т. п.) (2)
3 показывающий, установленный на щите (милливольт- метр, логометр, потенциометр, мост автоматический)
4 бесшкальйый с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (термометр манометрический с пневмо- или электропередачей) CD
5 одноточечный регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, по тенциометр, мост автоматический и т. п.)
6 с автоматическим обегающим устройством регистри- рующий, установленный йа щите (потенциометр мно- готочечный самопишущий, мост автоматический и т. п.)
7 регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, логометр, потен- циометр, мост автоматический и т. п.)
8 Регулятор 'температуры бесшкальный,'установленный по месту (например, дилатометрический регулятор тем- пературы) (^)
9 Комплект для измерения температуры регистрирую- щий, регулирующий, снабженный станцией управле- ния, установленный на щите (например, вторичный прибор и регулирующий блок)
10 Прибор для измерения температуры бесшкальный с кон- тактным устройством, установленный по месту (напри- мер, реле температурное) CD
11 Панель дистанционного управления, установленная иа щите
19
Продолжение табл. 5
№ п. п Наименование Обозначение
12 Переключатель электрических цепей измерения (уп- равления), переключатель для газовых (воздушных) ли- ний,- установленный на щите (%?)
13 Прибор для измерения расхода: интегрирующий, установленный по месту (любой бесщкальный счетчик-расходомер с интегратором)
14 ( показывающий, интегрирующий, установленный по месту (например, показывающий дифманометр с ин- тегратором) © ,0
15 интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количества вещества, установленный по месту (например, счетчик-дозатор)
16 Прибор для измерения уровня показывающий с кон- тактным- устройством, установленный на щите (напри- мер, вторичный показывающий прибор с сигнальным устройством) 0 Г- ж
17 Прибор для измерения любой электрической вели- чины показывающий, установленный по месту (^)
18 Вольтметр
19 Амперметр ©А
20 Ваттметр
21 Прибор для управления процессом по временной про- грамме, установленный на щите (командный электро- пневматический прибор, многоцепное реле времени и т. п.)
22 Прибор для измерения влажности регистрирующий, установленный на щите (например, вторичный прибор влагомера) (ЯР)
23 Первичный измерительный преобразователь (чувстви- тельный элемент) для измерения качества продукта, установленный по месту (например, датчик р/7-метра)
20
Продолжение табл. 5
№ п. п Наименование Обозначение
24 Прибор для измерения качества продукта: показывающий, установленный по месту (например, газоанализатор для контроля содержания кислорода в дымовых газах) о»
25 регистрирующий, установленный на щите (например, вторичный самопишущий прибор для измерения кон- центрации серной кислоты в растворе) (Sil!' .н23(\
26 Прибор для измерения радиоактивности показывающий с контактным устройством, установленный по месту (на- пример, прибор для показания и сигнализации предель- но допустимых концентраций а и р-лучей) “,Д
27 Прибор для измерения частоты вращения привода ре- гистрирующий, установленный на щите (например, вто- ричный прибор тахогенератора) (si
28 Прибор для измерения нескольких разнородных вели- чин регистрирующий, установленный по месту (напри- мер, самопишущий дифманометр-расходомер с допол- нительной записью давления и температуры пара)
Преобразователь сиг нала:*
29 установленный на щите (входной и выходной элек- трические сигналы; например, преобразователь изме- рительный, служащий для преобразования т. э. д. с. термоэлектрического термометра в сигнал постоянно- го тока)
30 установленный по месту (входной сигнал пневмати- ческий, выходной — электрический) Р/Е
31 Вычислительное устройство, выполняющее функцию умножения на постоянный коэффициент /С Д'
32 Пусковая аппаратура для управления электродвига- телем (например, магнитный пускатель, контактор и т. п. Применение резервной буквы W должно быть ого- ворено на поле схемы) (NS
Аппаратура, предназначенная для ручного дистан- ционного управления:
33 установленная на щите (кнопка, ключ управления, задатчик и т. п.) (н'
34 снабженная устройством для сигнализации, уста- новленная на щите (кнопка со встроенной лампочкой, ключ управления с подсветкой и т. п.)
35 Ключ управления, предназначенный для выбора уп- равления, установленный на щите ^'“'8101-2
21
3. При необходимости около изображения прибора указывают
вид радиоактивности, например а-, Р- или у-излучение (см. табл. 5
поз. 26).
4. Буква U может быть использована для обозначения прибора,
измеряющего несколько разнородных величин. Подробную рас-
шифровку измеряемых величин проставляют около прибора или на
поле чертежа (см. табл. 5 поз. 28).
5. В качестве резервной буквы в первую очередь используют
букву X при этом на схеме дают соответствующее пояснение ее зна-
чения.
6. Для обозначения дополнительных значений буквы D, F Q
допускается заменять строчными буквами d, f, q.
7. В отдельных случаях, когда позиционное обозначение при-
бора не помещается в окружность, допускается нанесение его вне
окружности (см. табл. 5 поз. 35).
8. Букву Е (см. табл. 3) применяют для обозначения чувстви-
тельных элементов, т. е. устройств, выполняющих первичное пре-
образование (термометров термоэлектрических, термометров сопро-
тивления, датчиков пирометров, сужающих устройств расходоме-
ров, датчиков индукционных расходомеров и т. п.).
9. Буква Т обозначает промежуточное преобразование—дистанци-
онную передачу сигнала. Ее применяют для обозначения приборов
с дистанционной передачей показаний, например, бесшкальных
манометров (дифманометров), манометрических термометров и т. п.
10. Букву К применяют для обозначения приборов, имеющих
станцию управления, т. е. переключатель для выбора вида управ-
ления (автоматическое, ручное), и устройство для дистанционного
управления.
11. Букву Y рекомендуется применять при построении обозна-
чений преобразователей сигналов и вычислительных устройств.
12. Порядок построения условных обозначений с применением
дополнительных букв следующий: на первом месте ставят букву,
обозначающую измеряемую величину; на втором — одну из до-
полнительных букв: Е, Т, К или Y. Например: первичные измери-
тельные преобразователи температуры (термометры термоэлектри-
ческие, термометры сопротивления и др.) обозначают ТЕ\ первич-
ные измерительные преобразователи расхода (сужающие устройства
расходомеров, датчики индукционных расходомеров и др.) — FE;
бесшкальные манометры с дистанционной передачей показаний —
РТ; бесшкальные расходомеры с дистанционной передачей — FT
И т. д.
13. При применении обозначений из табл. 4 надписи, расшифро-
вывающие вид преобразования или операции, выполняемые вычи-
слительным устройством, наносят справа от графического обозна-
чения прибора.
14. В обоснованных случаях во избежании неправильного пони-
мания схемы допускается вместо условных обозначений (из табл. 4)
приводить полное наименование преобразуемых сигналов, также
рекомендуется обозначать некоторые редко применяемые или спе-
22
цифические сигналы, например, кодовый, время — импульсный,
число — импульсный и т. п.
15. При построении обозначений комплектов средств автомати-
зации первая буква в обозначении каждого прибора, входящего в ком-
плект, является наименованием измеряемой комплектом величины.
Например, в комплекте для измерения и регулирования температуры
первичный измерительный преобразователь обозначают ТЕ, вто-
ричный регистрирующий прибор — TR , регулирующий блок —
ТС и т. п. Исключения: 1. В обозначении всех устройств, выпол-
няемых в виде отдельных блоков и предназначенных для ручных
операций, должна быть на первом месте буква Н независимо от того,
в состав какого измерительного комплекта они входят. Например,
переключатели электрических цепей измерения (управления), пе-
реключатели газовых (воздушных) линий обозначают HS, байпас-
ные панели дистанцйонного управления — НС, кнопки (ключи)
для дистанционного управления, задатчики — Н и т. п.
2. При обозначении комплекта, предназначенного для измерения
нескольких разнородных величин, первичные измерительные преоб-
разователи (датчики) обозначают в соответствии с измеряемой вели-
чиной, вторичный прибор»— UR.
Приборы и средства автоматизации, встраиваемые в технологи-
ческое оборудование и коммуникации или механически связанные
с ними, изображают на схеме в непосредственной близости к техно-
логическому оборудованию. К ним относятся: термометры расшире-
ния, термометры термоэлектрические (термопары), термометры со-
противления, датчики пирометров, сужающие измерительные уст-
ройства, ротаметры, газовые и жидкостные счетчики, датчики ин-
дукционных расходомеров, датчики уровнемеров, датчики радиоак-
тивности, плотности и др., исполнительные механизмы, регулирующие
и запорные органы.
Приборы и средства автоматизации, расположенные на щитах,
пультах, стативах показывают в прямоугольниках, изображающих
щиты, пульты, стативы. С помощью прямоугольников изображают
также агрегатированные комплексы, машины централизованного
контроля, управляющие вычислительные машины и т. п. Прямо-
угольники располагают в нижней части поля схемы в одном или
нескольких горизонтальных рядах и в такой последовательности,
при которой достигается наибольшая простота и ясность схемы.
В каждом прямоугольнике с левой стороны указывают соответствую-
щее наименование.
Приборы и средства автоматизации, которые расположены вне
щитов и конструктивно не связаны непосредственно с технологи-
ческим оборудованием и коммуникациями, условно показывают
в прямоугольнике «внещитовые технические средства», который
располагают над прямоугольниками щитов. Примерный порядок
построения прямоугольников приведен на рис. 3.
Места входа и выхода сигналов на прямоугольник соответствую-
щих устройств телемеханики, управляющих вычислительных ма-
шин и агрегатизированных комплексов обозначают кружками диа-
23
метром 1,5—2 мм. При необходимости рядом с кружками простав-
ляют условное обозначение, характеризующее вид сигналов, на-
пример, ТИ — телеизмерение, ТУ — телеуправление и т. д. Все
принятые условные обозначения расшифровывают на схеме. Функ-
циональные связи между технологическим оборудованием и уста-
Рис. 3. Примерная схема построения надписей в прямоугольниках раз-
мещения средств автоматизации
новленными на нем первичными преобразователями, а также со сред-
ствами автоматизации, установленными на щитах и пультах, на схе-
мах показываются тонкими сплошными линиями.
Позиционное обозначение приборов
и средств автоматизации
Позиционное обозначение — это условное буквенно-цифровое обо-
значение, предназначенное для записи в формализованном виде
сведении об элементе схемы и необходимое для ссылок и взаимных
связей между элементами отдельных схем. Позиционное обозначе-
ние (позиции) присваивают всем приборам и средствам автоматиза-
ции, изображенным на функциональной схеме. Эти обозначения со-
храняются во всех материалах проекта для данного прибора без
изменения.
Позиционное обозначение приборов и средств автоматизации,
как правило состоит из двух частей: обозначения арабскими цифрами
номера функциональной группы и строчными буквами русского
алфавита—номера прибора и средств автоматизации в данной функ-
циональной группе.
Буквенные обозначения присваивают каждому элементу функ-
циональной группы в порядке алфавита в зависимости от последо-
вательности прохождения сигнала — от устройства получения ин-
формации к устройству воздействия на управляемый процесс (на-
пример, приемное устройство — датчик, вторичный преобразовд-
24
тель, задатчик, регулятор, указатель положения, исполнительный
механизм, регулирующий орган).
Во избежание разночтений буквы «з» и «о», имеющие начертание
похожее на начертание цифр, не применяют.
Изображение линий связи
Линии связи между приборами и средствами автоматизации изо-
бражают одной тонкой сплошной линией независимо от фактического
числа проложенных проводов или труб. Подвод линий связи к сим-
волу прибора можно осуществлять в любой точке окружности (сверху,
снизу, сбоку). Линии связи выполняют по возможно кратчайшему рас-
стоянию с минимальным числом изгибов и пересечений. Линиями
связи можно пересекать изображения технологического оборудо-
вания и трубопроводов. В случае функционального взаимодействия
(соединения) линий связи в месте пересечения проставляют точку.
Линии связи должны четко отображать функциональные связи при-
боров (элементов) от начала прохождения сигнала (воздействия)
до конца. При необходимости указания направления передачи сиг-
нала на линиях связи наносят стрелки.
Для сложных объектов с большим числом применяемых прибо-
ров и средств автоматизации, когда изображение непрерывных
линий затрудняет чтение схемы, предусматривают их разрыв. При
этом оба конца линий связи в местах разрыва нумеруют одной и той
же арабской цифрой. Нумерацию разрыва линий связи выносят на
основные базовые линии (вверх или вниз от технологического обо-
рудования), обеспечивая минимальное пересечение линий связи
с изображением технологического оборудования и коммуникаций.
Величину разрыва для всех линий связи делают одинаковой, с таким
расчетом, чтобы нумерация сверху и снизу проставлялась соответ-
ственно на одном уровне. Нумерацию линий связи начинают с ле-
вой стороны щитов в порядке возрастания номеров. В отдельных
случаях допускается комбинированное выполнение линий связи:
непрерывными линиями и адресным методом для тех участков схемы,
где нанесение непрерывных линий затруднено. На участках линий
связи со стороны приборов, изображенных в прямоугольниках щитов
или прямоугольнике «приборы местные», слева, непосредственно
у подхода их к первому прямоугольнику, указывают предельные
рабочие (максимальные или минимальные) значения измеряемых
или регулируемых величин. Эти величины указывают в единицах
шкалы выбираемого прибора или в международной системе единиц
измерения. Разрежение (вакуум) обозначают знаком «минус».
Для приборов, встраиваемых непосредственно в технологическое
оборудование или трубопроводы и не имеющих линий связи с дру-
гими приборами, предельные значения величин указывают рядом
с обозначением приборов.
Графическое оформление функциональных схем
Функциональную схему автоматизации выполняют, как правило, на
одном листе. Сложные технологические схемы расчленяют на от-
25
g
Рнс. 4. Функциональная схема, построенная упрощенным методом изображения средств контроля и автоматики:
1 — вентилятор; 2 — дымовая труба; 3 — рекуператор; 4 — горелки правой стороны печи; 5 — термическая печь; 6 —
к горелкам левой стороны печи
дельные технологические узлы и выполняют функциональные схемы
этих узлов в виде отдельных чертежей на нескольких листах или на
одном.
Для технологических процессов с большим объемом автомати-
зации функциональные схемы могут быть выполнены раздельно по
видам технологического контроля и управления. Например, отдельно
выполняют схемы автоматического управления, контроля и сигна-
лизации и т. п. Форматы функциональных схем выбирают в соот-
ветствии с ГОСТ 2.301—68. Изображение технологической уста-
новки размещают в верхней части чертежа, таблицу прямоуголь-
ников размещения приборов и щитов — в нижней части чертежа.
Наименование схемы пишут в штампе — в правом нижнем углу
чертежа. Над штампом размещают таблицу условных обозначений,
не предусмотренных стандартом. Над этой таблицей располагают
пояснительный текст к схеме. Толщину линий на схеме выбирают
на основании ОСТ 36027—77 и ГОСТ 2.303—68. В частности, реко-
мендуется следующая толщина линий: контурных (для технологи-
ческого оборудования) 0,2—0,5 мм; трубопроводов 0,5—1,5 мм;
обозначений приборов и средств автоматизации 0,5—0,6 мм; связи
0,2—0,3 мм; прямоугольников, изображающих щиты, пульты 0,5—
1,0 мм; выносок 0,2—0,3 мм.
Размеры цифр и букв для позиций и позиционных обозначений
выбирают на основании ГОСТ 2.304—81. Рекомендуется применять
следующие размеры шрифта: для позиций — цифры 3,5 мм, буквы
(строчные) 2,5 мм; для позиционных обозначений — буквы и цифры
3,5 мм; для пояснительного текста и надписей 3,5—5,0 мм.
Расстояние между параллельными линиями связи должно быть
не менее 3 мм.
На рис. 4 приведен пример построения функциональной схемы
с упрощенным .методом изображения средств контроля и автоматики
непосредственно у мест отборов импульса.
На рис. 5 приведен пример функциональной схемы того же
объекта, изображенной по наиболее распространенному методу
с размещением приборов на прямоугольнике щитов в развернутом
виде по функциональному признаку.
§ 3. Принципиальные электрические схемы
Общие требования ' Т
Принципиальные электрические схемы в проектах автоматизации
служат для изображения взаимной электрической связи аппаратов
и устройств, действия которых обеспечивают решение задач автома-
тического контроля, регулирования, сигнализации и управления
технологическим процессом. Эти схемы являются важными проект-
ными материалами, которые используют не только в процессе про-
ектирования, но и в процессе наладки и эксплуатации технологи-
ческой установки.
По форме исполнения различают совмещенные (свернутые) и раз-
вернутые принципиальные электрические схемы.
27
28
to
7
i
Ю
Внещатовые
технические
средства
автомо-
тизации
электроап-
паратуры
5э
FC
5ж
500Па 500Па
d а с h.
HLd
Телемеханическое
устройство
Что измеряется Автоматическое регулирование температуры в печи Контроль давления Регулирование соотношения „газ - воздух'' Сигнализация Отсечка газа
в печи газа перед горелками воздуха перед горелками падения давления газа падения давления воздуха контроля напряжения
Рис. 5. Функциональная схема термической печи, построенная развернутым методом изображения средств контроля и автоматики (обо-
значения см. рис. 4)
На совмещенных электрических схемах приборы и аппараты изо-
бражают в собранном виде, т. е. все обозначения элементов, входя-
щих в комплект аппарата (катушки, электромагниты, контакты, вы-
ключатели и др.), размещают внутри условного изображения при-
бора с маркировкой выводных зажимов согласно заводской инструк-
ции или данным каталога. Эти схемы применяют для изображения
принципа действия сложных регулирующих устройств, информа-
ционных или вычислительных управляющих машин и др.
На развернутых принципиальных электрических схемах изо-
бражения приборов и аппаратов расчленяют на составные элементы,
которые соединяют один с другим, в результате чего образуются
отдельные электрические цепи. Схема в целом состоит из ряда элек-
трических цепей, расположенных горизонтально или вертикально:
желательно электрические цепи располагать в соответствии с по-
следовательностью действия отдельных элементов во времени.
Так как в развернутых принципиальных электрических схемах
используют развернутые йзображения отдельных элементов аппа-
ратов, их именуют также электрическими элементными схемами ав-
томатизации. ' ’
Принципиальные электрические схемы управления,, регулиро-
вания, сигнализации, питания, входящие в состав проекта автома-
тизации технологических процессов, выполняют в соответствии
с требованиями седьмой группы стандартов ЕСКД (единой системы
конструкторской документации) по правилам выполнения схем,
условным графическим обозначениям, маркировке цепей и буквенно-
цифровым обозначениям элементов схем.
При вычерчивании принципиальных электрических схем про-
ектов автоматизации применяют условные графические обозначе-
ния (табл. 6).
Элементы коммутирующих устройств электрических схем (на-
пример, реле, контакторов, кнопок, переключателей) изображают
обычно в отключенном положении, т. е. при отсутствии напряжения
во всех цепях и внешних механических воздействий на аппараты.
В соответствии с этим правилом контакты электрических аппаратов
делят на замыкающие (3) — разомкнутые при невозбужденном ап-
парате и при отсутствии внешнего механического воздействия — и
размыкающие (Р) — замкнутые при тех же условиях.
Переключатели, для которых нет отключенного состояния, изо-
бражают на схеме в одном из положений, принятом за исходное.
Для аппаратов, отключённое состояние которых определить затруд-
нительно, положение контактов на схеме должно быть специально
оговорено. Для обозначения положения контактов ключей, переклю-
чателей управления, программных реле и других многопозиционных
аппаратов и устройств используют специальные диаграммы, характе-
ризующие состояние контактов при различных положениях ап-
паратов.
Разработка принципиальных электрических. схем требует уме-
лого применения элементарных электрических цепей и типовых
функциональных узлов, оптимальной'компоновки их в единую схему
30
^Таблица 6. Условные графические обозначении, применяемые
; в электрических схемах проектов автоматизации
Наименование
Машины электрические
Обмотка статора (каждой фазы) машины пе-
ременного тока, обмотка последовательного
возбуждения машины постоянного тока
Обмотка параллельного возбуждения маши-
ны постоянного тока, обмотка независимого
возбуждения
Статор, обмотка статора. Общее обозначение
Статор с трехфазной обмоткой:
соединенной в треугольник
соединенной в звезду
Ротор. Общее обозначение
Ротор с обмоткой, коллектором и щетками
Машина электрическая. Общее обозначение
Катушки индуктивности, дроссели,
трансформаторы, автотрансформаторы
и магнитные усилители
Обмотка трансформатора, автотрансформато-
ра, дросселя и магнитного усилителя
Трансформатор без сердечника
31
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
Трансформатор однофазный с ферромагнит-
ным сердечником
Разрядники, предохранители
Предохранитель пробивной
Предохранитель плавкий. Общее обозначение
Выключатель-предохранитель
Резисторы, конденсаторы
Резистор постоянный
Резистор с отводами
Резистор переменный (реостат):
общее обозначение
32
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
с разрывом цепи
без разрыва цепи
Резистор регулируемый (потенциометр):
общее обозначение
с отводами
Тензорезнстор
Варистор
Терморезистор (тер!мистор) прямого подогре-
ва
Термистор косвенного подогрева
Нагревательный элемент
Конденсатор постоянной емкости. Общее обо-
значение
2 Глинков Г. М. н др.
33
Продолжение табл. 6
Наименование Обозначение
Приборы полупроводниковые Днод. Общее обозначение Диодный тиристор (динистор) Триодный незапираемый тиристор: с управлением по аноду с управлением по катоду Триодный запираемый тиристор: с управлением по аноду с управлением по катоду Приборы электровакуумные Фотоэлемент электронный Источники света Лампа накаливания осветительная и сигналь- ная J J 1 ! 1 0Z? 1 V ф
84
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозиачеиие
Приборы акустические
Звонок электрический:
общее обозначение
постоянного иди переменного тока
Сирена электрическая
Гудок
Устройства коммутационные
и контактные соединения
Контакт коммутационного устройства:
замыкающий
размыкающий
2*
35
Продолжение табл. 6
Наименование Обозначение
или г 1 I I I I 1
переключающн й 1^1 1
переключающий без размыкания цепи
Контакт в контактной группе, срабатываю-
щий раньше по отношению к другим контак- там группы:
замыкающий
размыкающий
Контакт в контактной группе, срабатывающий
позже по отношению к другим контактам группы:
замыкающий
размыкающий к
г-
Зв
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
Контакт замыкающий с замедлителем дей- ствующим: при срабатывании при возврате при срабатывании и возврате 1 Контакт размыкающий с замедлителем дей- ствующим: при срабатывании при возврате при срабатывании и возврате Контакт с самовоэвратом: замыкающий 1 •*) I1
37
Продолжение табл, б
ЭД
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
Выключатель трехполюсный с автоматиче-
ским ввзвратом
Выключатель кнопочный нажимный:
с замыкающим контактом
с размыкающим контактом
Переключатель однополюсный, многопози-
ционный, например 6-позиционный
Примечание. Позиции переключателя,
в которых отсутствуют коммутируемые цепи, обоз-
начаются короткими штрихами, длиной 3 мм
Переключатель двухполюсной 4-позиционный
Переключатель цепи управления с ручным
возвратом в нейтральное положение
Соединение контактное разъемное
39
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
Соединение контактное разъемное четырех-
проводное
Воспринимающая часть
электромеханических устройств
Катушка электромеханического устройства.
Общее обозначение
Примечание. Выводы катушки допус*
кается изображать с одной стороны' прямоуголь-
ника
Катушка электромеханического устройства
с одной обмоткой
Катушка электромеханического устройства
с указанием вида обмотки:
тока
напряжения
максимального тока
минимального напряжения
Примечание. При отсутствии дополни-
тельной информации на основном поле допу-
скается на этом поле указывать уточняющие дан-
ные, например катушка электромеханического
устройства с обмоткой минимального тока
]-»— чч
чч
40
Продолжение табл. 6
Наименование
Обозначение
Катушка поляризованного электромехани-
ческого устройства
Катушка электромеханического устройства,
работающего с замедлением:
при срабатывании
при отпускании
при срабатывании и отпусканир
Обмотка теплового реле
с учетом удовлетворения предъявляемых к схемам требованиям,
а также возможного их упрощения и минимизации.
На чертежу принципиальной электрической схемы изображают:
а) схемы главных (силовых) цепей;
б) элементные схемы управления, регулирования, защиты и
сигнализации^сХнадписями, поясняющими назначение отдельных
элементов;
в) контакты аппаратов данной схемы, используемые в других
схемах, а также контакты аппаратов из других схем;
г) диаграммы положения контактов многопозиционных аппара-
тов;
д) перечень аппаратуры с указанием мест ее расположения;
е) краткое пояснение работы схемы и перечень чертежей, отно-
сящихся к данной схеме.
Главные (силовые) цепи выполняют обычно в развернутом виде
в многолинейном изображении. Для наглядности эти цепи выделяют
более толстыми линиями.
Элементные схемы управления, регулирования, защиты и сигна-
лизации выполняют с изображением всех фаз переменного тока или
обоих полюсов постоянного тока. Катушки контакторов и реле,
41
а также контакты располагают по возможности по одной или несколь-
ким вертикальным линиям при горизонтальном начертании отдель-
ных цепей, или по одной или нескольким горизонтальным линиям при
вертикальном начертании цепей.
Контакты аппаратов, основной элемент которых (катушка реле,
контрольно-измерительный или регулирующий прибор и др.) изобра-
жен на другом чертеже, обводят штриховым контуром с указанием
номера чертежа, на котором приведена диаграмма или схема вклю-
чения катушки аппарата или прибора.
Контакты аппаратов, используемые в схемах, изображенных на
других чертежах, показывают в виде отдельных цепей, располагае-
мых на свободном поле чертежа с указанием наименования и номера
чертежа, в котором их используют.
Каждому электрическому элементу (катушке, контакту и др.)
на электрической схеме присваивают позиционное обозначение.
Обозначение, данное аппарату, распространяют на все его элементы
(катушки, контакты и др.). Это условное обозначение аппарата обычно
состоит из буквенной части и цифровой приставки после буквенной
части.
В целях введения единообразия в позиционные обозначения
элементов по ГОСТ 2.710—81 установлено деление элементбв на
виды с присвоением каждому виду буквенного кода. Основные коды
видов элементов приведены в табл. 7.
Для построения позиционного обозначения применяют двух-
буквенные коды. Однако в зависимости от конкретного содержания
схемы элемент какого-либо типа можно обозначить и одной буквой —
общим кодом вида элемента. Например, если в схеме имеются реле
одного типа и не содержатся пускатели и контакторы, то реле
можно обозначить буквой К.
После буквенного кода элемента проставляют цифровую при-
ставку — порядковый номер этого реле в схеме. Порядковые но-
мера элементам (устройствам) присваивают, начиная с единицы,
в пределах группы элементов (устройств), которым на схеме присво-
ено одинаковое буквенное позиционное обозначение. Например,
KI, К2 ... и т. д.
Позиционные обозначения проставляют на схеме рядом с услов-
ными графическими обозначениями элементов (устройств) с правой
стороны или над ними. При изображении на схеме элемента или
устройства разнесенным способом позиционное обозначение эле-
мента или устройства проставляют около каждой составной части.
Цепи электрических схем маркируют для опознования провод-
ников и определения функционального назначения и положения от-
дельных участков схемы. Маркировку цепей схемы выполняют
в соответствии с ГОСТ 2.709—72 независимо от наличия заводской
маркировки на зажимах приборов и аппаратов, которую в данном
случае указывают в скобках.
Для маркировки применяют цифровую систему, состоящую из
ряда последовательных чисел. При необходимости отличить провод-
ники с одинаковой маркировкой, относящиеся к различным устрой-
42
Таблица 1. буквенные коды наиболее распространённых видов элёмёнтой
Однобук- венйый КОД Группа видов элементов Примеры видов элементов Двухбук- венный код
А Устройство (общее обозна- чение) — —
В Преобразователи неэлек- Громкоговоритель ВА
трических величин в элек- Магнитострикционный элемент ВВ
трические или наоборот (кроме генераторов и ис- Детектор ионизирующих излу- чений BD
точников питания); аиало- Сельсин-приемник BE
говые или многозарядные Телефон BF
преобразователи или дат- Сельсин-датчик BG
чики, используемые для Термопара, тепловой датчик вк
указания или измерения Фотоэлемент Микрофон Датчик давления Пьезоэлемент Датчик скорости Звукосниматель Тахогенератор въ вм ВР BQ Bv BS BR
С Конденсаторы — —
D Логические элементы — —
Микросхемы f Устройство хранения инфор- мации Устройство задержки DS DT
Е Элементы разные Лампа осветительная Нагревательный элемент EL ЕК
F Разрядники, предохрани- Элемент защиты от перенапря- FA
тели, устройства защитные жения Разрядный элемент Разрядный элемент для защиты по току мгновенного действия Разрядный элемент для защиты по напряжению, разрядник Предохранитель плавкий FR FS FV FU
G Генераторы, источники пи- тания Батарея GB
Н Элементы индикационные Прибор звуковой сигнализации НА
и сигнальные Индикатор символьный и на жидких кристаллах Прибор световой сигнализации HG HL
К Реле, контакторы, пуска- Реле указательное КН
тель Реле токовое Реле электротепловое Контактор магнитный, пуска- тель Реле поляризованное Реле времени КА КК км КР кт
Реле напряжения ки
L Катушки индуктивности, дроссели Дроссель люминесцентного ос- вещения LL
М Двигатели — —
43
Продолжение табл. 1
Однобук- венный код Группа видов элементов Примеры видов элементов Двухбук- венный код
Р Приборы, измерительное Амперметр РА
оборудование Счетчик импульсов PC
Частотомер PF
Счетчик реактивной энергии РХ
Счетчик активной энергии Pl
Омметр PR
Записывающий инструмент PS
Часы, измеритель времени дей- PT
ствия
Вольтметр PU
Q Выключатели и разъеди- Выключатель автоматический QF
нители в силовых цепях Разъединитель QS
R Резисторы Термистор RX
Потенциометр RP
Шунт измерительный RS
Варистор RV,
S Устройства коммутацион- Выключатель или переключа- SA
Иые в цепях управления, тель
сигнализации и т. п. Выключатель кнопочный SB
Выключатель автоматический Выключатели, срабатывающие от различных воздействий: SF
от уровня SL
от давления SP
от положения (путевой) SQ
от угловой скорости SR
от температуры । sx
Т Трансформаторы, авто- Трансформатор тока TA
трансформаторы Трансформатор напряжения TV
и Устройства связи и пре- Модулятор UB
образователи электриче- Демодулятор UR
ских величин в электриче- Дискриминатор UI
ские Преобразователь частотный, инвертор UZ
V Приборы электровакуум- — —
ные и полупроводниковые Диод, стабилитрон VD
Прибор электровакуумный VL
Транзистор VT
Г Линии и элементы СВЧ Антенны WA
X Соединения контактные ' Токосъемник, контакт сколь- зящий Соединение разъемное: XA
штырь XP
гнездо XS
Соединение разборное XT
Гнездо испытательное XSG
Y Устройства механические с электромагнитным при- водом Электромагнит YA
44
сТйам ^схемам) к цифровой маркировке добавляют буквенную или
цифровую приставку. Приставку проставляют перед порядковым
номером участка цепи. Для цифровых обозначений применяют
арабские цифры, а для буквенных — прописные буквы русского
алфавита. При однозначном обозначении маркировки (цифра—цифра)
обозначение пишут через тире: 1—5, 1—121 и т. д.
Участкам цепи, разделенным контактами приборов или аппара-
тов, катушками реле, сопротивлениями, сигнальными лампами и
другими устройствами, дают разные номера. Участки цепей, соеди-
няющиеся в одном месте, а также проходящие через одно разъем-
ное контактное соединение, должны иметь одинаковую маркировку,
так как все элементы цепи в этой точке имеют одинаковый электри-
ческий потенциал. Такую маркировку часто называют потенциальной.
В схемах постоянного тока участки цепей положительной по-
лярности маркируют нечетными числами, отрицательной — чет-
ными. В трехфазных схемах переменного тока участки цепей марки-
руют последовательными цифрами, не деля на четные и нечетные и
добавляя перед цифровой частью для фаз буквы А, В, С, а для ней-
трали — 0.
В однофазных схемах переменного тока (фаза — фаза, фаза —
нуль) участки цепей маркируют аналогично цепям постоянного
тока, добавляя индекс фрзы.
При разработке электрических схем цепи желательно маркиро-
вать по функциональному признаку в зависимости от их назначе-
ния. Так, например, рекомендуют для цепей управления, регули-
рования и измерения использовать группу чисел 1—399, для цепей
сигнализации 400—799, для цепей питания — 800—999.
Маркировку, как правило, проставляют: при горизонтальном
расположении цепей — над участком проводника, при вертикальном
расположении цепей — справа от участка проводника.
Ниже приводится ряд примеров выполнения схем сигнализации
и управления электроприводами производственных механизмов,
запорных и регулирующих устройств.
Схемы управления электроприводами
В проектах автоматизации значительный объем занимают принци-
пиальные схемы управления электроприводами (электродвигате-
лями или электромагнитами) различных механизмов и устройств,
входящих в состав автоматизируемого объекта.
На металлургических предприятиях для привода различных
вспомогательных механизмов и устройств широко применяют асин-
хронные короткозамкнутые электродвигатели переменного тока на-
пряжением 380/220 В, различной модификации исполнительные ме-
ханизмы и клапаны с электромагнитным приводом. Условия работы
этих приводов могут быть самыми разнообразными. Приводы вклю-
чают в работу на длительное время, кратковременно или повторно-
кратковременно; направление вращения вала двигателя может оста-
ваться неизменным или изменяться (реверсироваться); пуск, оста-
новка или режим работы электропривода могут зависеть от ряда
45
условий, без соблюдения которых указанные операций не Должны
выполняться. Эти условия необходимо учитывать при разработке
принципиальной схемы управления приводом и выборе аппаратуры
для нее.
Все схемы управления электроприводами должны выполняться
с учетом требований и указаний, изложенных в «Правилах устрой-
ства электроустановок» (ПУЭ), «Инструкции по проектированию
силового и осветительного электрооборудования промышленных
предприятий» СН 357—77 и «Указаниях по проектированию электро-
установок систем автоматизации производственных процессов»
МСН 205—69 ММСС СССР.
Широкое распространение получили схемы, построенные на ре-
лейно-контакторных аппаратах, но внедряют и схемы, собранные на
более надежной бесконтактной аппаратуре (схемы бесконтактного
управления).
Управление электроприводами может быть ручным, автомати-
ческим и полуавтоматическим.
Пуск асинхронных электродвигателей малой мощности с ко-
роткозамкнутым ротором осуществляют путем включения обмотки
статора на полное напряжение питающей сети. Для изменения на-
правления вращения (реверса) изменяют чередование фаз (переклю-
чением двух фаз). Для пуска асинхронных короткозамкнутых элек-
тродвигателей широко применяют комплектные устройства управ-
ления, называемые станциями управления, на которых собраны пу-
сковая аппаратура (реле, контакторы) и аппаратура защиты (авто-
матические выключатели и предохранители), или магнитные пу-
скатели, представляющие собой один (нереверсивный пускатель)
или два (реверсивный пускатель) контактора переменного тока.
Реверсивный магнитный пускатель оборудован механической бло-
кировкой, предотвращающей возможность одновременного включе-
ния обеих катушек. В некоторых случаях магнитные пускатели
имеют встроенные тепловые реле, обеспечивающие защиту электро-
двигателя от длительных перегрузок.
Цепи управления электродвигателями питаются межфазным на-
пряжением сети, питающей электродвигатель, при защите его плав-
кими предохранителями, или фазным напряжением при защите
автоматическими выключателями, обеспечивающими одновремен-
ное отключение всех трех фаз. Питание цепей управления может быть
и независимым, при этом должна быть предусмотрена блокировка,
отключающая цепи управления при срабатывании защитного ап-
парата в силовых цепях двигателя. В качестве блокировочного эле-
мента используют обычно блок-контакты автоматических выключа-
телей в силовых цепях.
В последние годы интенсивное развитие полупроводниковой
техники и создание управляемых диодов-тиристоров привело к по-
явлению нового вида управления электроприводами производствен-
ных механизмов — тиристорного. Применение тиристоров в качестве
силовых управляющих элементов вместо контакторных устройств
коммутации позволяет обеспечить плавный разгон и торможение,
46
к
| шагающий режим работы электропривода, точный останов, полу-
5- чение очень малой «ползучей» скорости, а также регулирование
; скорости по определенному закону. В основе тиристорных схем
управления асинхронными электродвигателями лежат элементы,
называемые статическими переключателями.
Статические переключатели в режиме полного открытия тиристо-
ров работают как соответствующая группа силовых контактов.
Тиристорные статические переключатели в сочетании с добавочными
устройствами (конденсаторами, диодами, трансформаторами, дрос-
Рис. 6. Схемы управления реверсивным асинхронным электродвигателем с коротко-
замкнутым ротором с блокировкой обмоток пускателя:
а — контактами кнопок управления; б — блок-контактами магнитного пускателя
селями и т. п.) позволяют строить различные схемы управления
электроприводами, отвечающими заданным режимам их работы.
Применение стандартизованных станций управления или комп-
лектных тиристорных устройств значительно упрощает разработку
схем управления электроприводами и повышает качество и надеж-
ность работы электроустановок.
В качестве примеров рассмотрим некоторые характерные схемы
управления электроприводами, широко применяемые в системах ав-
томатизации.
Управление реверсивным асинхронным электродвигателем
(рис. 6, а) осуществляется с помощью трех кнопок: SB3 («Вперед»),
SB2 («Назад») и SB1 («Стоп»), причем кнопки SB3 и SB2 — двух-
цепные с одним замыкающим и одним размыкающим контактами.
При нажатии на кнопку SB3 включается магнитный пу-
скатель КМ1, подавая напряжение на электродвигатель. Дтя из-
менения направления вращения электродвигателя следует нажать
кнопку SB2, размыкающий контакт которой разорвет цепь питания
обмотки КМ1, а замыкающий контакт замкнет цепь питания об-
мотки КМ2. В результате этого переключатся три фазы статора
и электродвигатель начнет вращаться в обратном направлении.
47
Останов электродвигателя производится нажатием кнопки SB1,
которая своим контактом разрывает цепь питания обеих обмоток
пускателя.
Применение двухцепных кнопок SB2 и SB3 дает возможность
непосредственно, без промежуточного останова, реверсировать элек-
тродвигатель и (в дополнение к механической блокировке) пред-
отвращать включение обмоток К.М1 и КМ2 при одновременном
нажатии на кнопки.
Рнс. 7. Схема комплексного тиристорного устройства типа К.ТУ-11
Другим способом осуществления электрической блокировки, не
допускающей одновременного включения обеих обмоток реверсив-
ного магнитного пускателя, является использование их размыкаю-
щих блок-контактов (рис. 6, б).
Для отключения электродвигателя от питающей сети в схеме
предусмотрена установка автоматического выключателя QF, тепло-
вой расцепитель которого защищает электродвигатель от перегру-
зок, а электромагнитный — от коротких замыканий.
Примером построения принципиальной электрической схемы ти-
ристорного управления электродвигателем может служить схема
комплексного тиристорного устройства типа КТУ-11, приведенная
на рис. 7.
В устройствах типа КТУ-11 тиристоры VT1, VT2, VT3, образую-
щие треугольный тиристорный элемент (ТТЭ), включены в рас-
сечку нулевой точки статорных обмоток асинхронного двигателя,
а тиристор VT4 — параллельно одной из фазных обмоток. Первич-
ные обмотки трехфазного трансформатора управления Т типа
48
ТТ-0,05, соединенные в треугольник, подключаются к сети через
переключатель ХД.
Работа схемы происходит следующим образом. При установке
переключателя ХД в положение Работа первичные обмотки транс-
форматора Т подключаются так, что напряжение на зажимах тири-
сторов управляющий электрод — катод опережает по фазе напря-
жение анод — катод. При нажатии кнопки SB3 («Пуск») питающее
напряжение подается на обмотки реле и 7(2, замыкающие своими
контактами цепи управления тиристорами VT1—VT3 и разрываю-
щие цепь управления тиристором VT4. Электродвигатель включается
в работу. При нажатии кнопки ХВ1 («Стоп») реле 7(1 отключается
сразу, а К2 — с задержкой, определяемой ЯС-цепочкой, состоящей
из’резистора Я9 и емкости С1. При отключении реле 7(1 разрываются
цепи управления тиристорами VT2 и VT3 и они выключаются, а ти-
ристор VT4 включается.
При совместной работе тиристоров VT\ и УТЛ двигатель резко
тормозится. Время торможения определяется временем задержки
отпускания реле 7(2. Скорость торможения задается резистором Я5.
Совместной регулировкой резисторов Я5 и Я9 осуществляется на-
стройка режима торможения для конкретного привода.
Для осуществления шагового режима работы электродвигателя
переключатель ХД необходимо установить в положение Шаг. При
этом напряжение на переходе управляющий электрод—катод на
каждом тиристоре отстает по фазе от напряжения на переходе анод—
катод, что обеспечивает неполное открывание тиристоров и ограни-
чивает токи в обмотках электродвигателя. При нажатии кнопки SB2
(«Шаг») цепь питания обмотки реле 7(1 разрывается, а на обмотку
реле К2 подается питающее напряжение через диод VD7. Включаются
тиристоры VT\ и VT4.
Через замыкающий контакт реле 7(2 подается питающее напря-
жение на обмотку реле КЗ. После срабатывания реле КЗ отключаются
цепи питания Тиристоров VT\ и VT4 и выключается цепь управле-
ния тиристоров VT3. При этом ротор электродвигателя делает один
шаг. Если кнопка SB2 остается еще нажатой, то после включения
реле КЗ цепь питания реле К2 разрывается и с некоторой задерж-
кой реле К2 отключается, разрывая цепь управления тиристо-
ром VT3 и замыкая цепь управления тиристором VT2. При этом
ротор двигателя делает поворот еще на один шаг. Одновременно
замыкающий контакт реле К2 разрывает цепь питания реле КЗ.
В результате отключения реле КЗ вновь включается реле К2 и дви-
гатель делает поворот еще на один шаг. Далее все будет повторяться
в описанной последовательности.
Время включенного состояния тиристоров VT1 и VT2 опреде-
ляется временем задержки включения реле КЗ и регулируется
резистором К12.
Время включенного состояния тиристора VT3 определяется
временем задержки отпускания реле К2, а тиристора VT2 — вре-
менем задержки отпускания реле КЗ и регулируется резисторами
#10 и #11 соответственно. Требуемое значение минимального вре-
49
мени задержки равно 5—10 периодам напряжения питающей сети
и зависит от электромагнитной постоянной времени электродвига-
теля. При частоте питающего напряжения 50 Гц оно составляет
0,1—0,2 с. Для регулировки значение тока в процессе «шагания»
используются резисторы 7?5, 7?6 и R7.
При автоматизации технологических процессов много схем при-
ходится разрабатывать для управления электроприводами различ-
ных запорных и регулирующих устройств (задвижек, вентилей,
клапанов, шиберов и т. п.).
АВС
Рнс. 8. Схема дистанционного управления электроприводом регулирующего устройства:
а — электропривод конструкции ВАЗ; б — указатель положения электропривода конструк-
ции ЦКБА: 101 •—106 — номера электрических цепей
Типовая схема дистанционного управления электроприводом ре-
гулирующего органа приведена на рис. 8. Для включения и выклю-
чения исполнительного механизма используют обычно либо кнопки,
либо трехпозиционный ключ с самовозвратом в нейтральное поло-
жение. Схема обеспечивает движение регулирующих органов только
во время подачи командных сигналов. Ограничение хода регулирую-
щих органов в конечных положениях обеспечивается соответствую-
щими конечными выключателями. Для непрерывного контроля
положения регулирующих органов со щита управления в схеме
предусмотрен дистанционный указатель положения.
Электроприводы для регулирующих органов, выпускаемые Ве-
нюковским арматурным заводом, снабжены потенциометрическим
датчиком R2 (рис. 8, а), движок которого механически связан с ре-
50
Дуктором привода. Датчик R2 подключавшей к устанавливаемому
на щите управления блоку указателя положения (БУП), состоящему
из трансформатора питания Т, диодов VD1, VD2, подстроечного
резистора и стрелочного прибора Р1, указывающего положение
регулирующего органа. Отклонение стрелки прибора Р1, шкала
которого имеет градуировку 0—100 %, пропорционально напря-
жению, снимаемому с потенциометрического датчика. Контакт SQ3
предназначен для отключения цепей управления при ручном воз-
действии на привод с помощью маховика.
Электроприводы для регулирующих органов, разработанные
ЦКБА, также поставляются, если это оговорено в заказе, с потенци-
ометрическим датчиком R3 дистанционного указания степени от-
крытия, для подключения к которому указывающего прибора Р2
имеются зажимы в выводной коробке и контакты в штепсельном разъ-
еме (рис. 8, б). Резистор 7?4 предназначен для регулировки и на-
стройки указателя положения.
Схемы сигнализации
Системы сигнализации служат для отражения состояния отдельных
элементов объекта или для оповещения обслуживающего персонала
о нарушениях нормального хода технологического процесса. Сигна-
лизация может быть световой, звуковой или одновременно световой
и звуковой.
В состав принципиальной схемы управления объектом обычно
включают сигнализацию положения различных элементов объекта
(включено или отключено, открыто или закрыто и др.). В качестве
извещателей используют световые лампы или табло, включаемые от
конечных выключателей или блок-контактов коммутирующих ап-
паратов.
Технологическая сигнализация бывает двух видов:
а) предупреждающая — для оповещения обслуживающего пер-
сонала о приближении технологического параметра к значению,
при котором возможно нарушение нормального режима работы;
как правило, световая предупреждающая сигнализация сопрово-
ждается звуковым сигналом для привлечения внимания обслужи-
вающего персонала;
б) аварийная — для оповещения обслуживающего персонала о не-
допустимых значениях контролируемых параметров, об аварийном
состоянии на отдельных участках технологического тракта или об
аварийных отключениях контролируемых объектов. Аварийная си-
гнализация подается световым и звуковым сигналом. Ее иногда
совмещают с системами автоматической блокировки и защиты.
Командными импульсами в системах технологической сигнали-
зации могут служить импульсы от сигнальных устройств контрольно-
измерительных приборов, специальной сигнальной аппаратуры,
блок-контактов пускателей, путевых и конечных выключателей
исполнительных механизмов, запорной и регулирующей арматуры.
Объем и принципы построения схемы сигнализации определяются
технологическими требованиями.
51
' В условиях металлургического производства Технологическая
сигнализация чаще всего служит для оповещения о падении давле-
ния (реже—расхода) воды, газа, воздуха, кислорода; отклонении
уровня жидкостей или сыпучих материалов от нормальных значе-
ний; перегреве отдельных элементов металлургических агрегатов и
механизмов (подшипников и др.); повышении давления в дымоходах;
увеличении вибрации механизмов и др.
Системы сигнализации могут работать на постоянном и перемен-
ном токе; аппаратура может быть контактной и бесконтактной. При
выборе напряжения и рода тока учитывают: а) допустимое значе-
ние напряжения на контактах реле и приборов; б) длину соедини-
тельных проводов; в) число сигнализируемых параметров; г) источ-
ник питания.
При выборе приборов и аппаратуры необходимо следить за тем,
чтобы разрывная мощность и напряжение на контактах реле или
датчиков не были выше допустимых. При недостаточной разрывной
мощности контакта реле или датчика или низком допустимом напря-
жении на контактах в схему включают промежуточные реле.
Максимально возможная длина соединительных проводов от
контакта датчика сигнала до релейного щита зависит от допустимого
падения напряжения в линии, которое составляет примерно 0,05—
0,1 от номинального напряжения. Схемы с малым числом сигналов
обычно работают при том напряжении, которое подается на щит КИП;
дополнительные выпрямители и понижающие трансформаторы в этом
случае не вводят. При большом числе сигналов используют низ-
кое напряжение (до 60 В).
Обычно для сигнализации нормального состояния параметра или
агрегата к сигнальным лампам предусматривают колпачки зеленого
или белого (молочного) цвета, для предупреждающей сигнализа-
ции — желтого, а для аварийной — красного.
Одним из общих требований, предъявляемых к схемам техноло-
гической сигнализации, является необходимость центрального съема
звукового сигнала. После прекращения звука должна быть автома-
тически обеспечена повторность его действия при поступлении но-
вого сигнала.
На рис. 9 дан пример построения такой схемы для термической
печи. Объем сигнализируемых параметров принят по функциональ-
ной схеме, приведенной на рис. 5.
Схемой предусматривается включение соответствующей сигналь-
ной лампы с одновременной подачей звукового сигнала при замыка-
нии любого сигнального контакта. Схема работает следующим
образом.
При замыкании одного из технологических контактов, например,
.Р1 срабатывает реле К, которое своими замыкающими контактами
производит следующие операции: включает звуковой сигнал НА,
самоблокируется, включает промежуточное реле /<1, в цепи которого
был замкнут технологический контакт Р1. Через контакт промежу-
точного реле /(1 включается сигнальная лампа HIA. При нажатии
кнопки SB2 реле К обесточивается и схема готова к повторному
52
действию; звуковой сигнал снимается. Сигнальная лампа остается
включенной до размыкания технологического контакта Р1 в цепи
промежуточного реле/<1, Опробование звукового сигнала и сиг-
Рис. 9. Схема технологической сигнализации
нальных ламп осуществляют кнопкой SB1. Лампа HL контро-
лирует наличие напряжения.
Такие схемы применяют при числе сигнализируемых параметров
до 16, при этом устанавливают повторители реле К-
53
При числе сигнализируемых параметров более 16 применяю!1
схемы с повторным действием звукового сигнала, построенные
с применением диодов (рис. 10).
При замыкании, например, технологического контакта Р2 через
размыкающий контакт реле КЗ и диод VD2 срабатывает общее реле
сигнализации /(1, самоблокируется через кнопку SB2, включает
звуковой сигнал НА 1 и подает питание на промежуточные реле
К2—/(4. В результате этого срабатывает и самоблокируется
реле КЗ, переключающие контакты которого отключают сигналь-
ную лампу HL2 от шины проверки сигнализации и подключают
ее к шине питания, а размыкающий контакт рёле КЗ разрывает
цепь включения реле К1 через технологический контакт Р2.
При нажатии кнопки SB2 реле /(1 обесточивается и звуковой
сигнал снимается. Сигнальная лампа HL2 продолжает гореть до
размыкания контакта Р2. При замыкании любого другого технологи-
ческого контакта схема готова выдать как световой, так и звуко-
вой сигналы.
Имеющиеся в схеме диоды предназначены для предотвращения
ложных срабатываний промежуточных реле схемы. Опробование
световых и звуковых сигналов осуществляется кнопкой SB1. При
необходимости исключить подачу сигналов при кратковременных
замыканиях технологических контактов в схему вводят реле вре-
мени КТ\. Рассмотренная схема сигнализации при соответствую-
щем подборе аппаратуры может работать как на постоянном, так
и на переменном токе.
Схемы автоматического регулирования
Электрические схемы автоматического регулирования технологи-
ческих процессов разрабатывают в соответствии с основными прин-
ципами, заложенными в схему автоматизации. В процессе состав-
54
Рис. И.
двойного
ия масла
стана
В схему
электропривода насоса
Функциональная схема двухпози-
регулироваиия температуры и уров-
в баке маслосистемы прокатного
ления схем уточняют типы и характеристики приборов и регулято-
ров, выбирают вспомогательную аппаратуру.
На схеме изображают датчики, измерительные приборы, регуля-
торы, электрические исполнительные механизмы, аппаратуру элек-
тропитания и защиты, аппаратуру дистанционного управления и
сигнализации, а также линии электрической связи элементов.
Схемы автоматического позиционного регулирования состав-
ляют обычно в виде развернутых элементных схем. Электрические
схемы систем, работающих по
другим законам автоматиче-
ского регулирования, чаще
всего изображают в виде совме-
щенных или комбинированных
схем.
На рис. 11 приведена функ-
циональная схема двухпози-
ционного регулирования уровня
и температуры масла в баке
маслосистемы прокатного стана.
Для поддержания необходимой
вязкости масла в баке регули-
руют температуру масла в пре-
делах 35—40 °C. При темпера-
туре масла ниже 35 °C замы-
кается контакт термореле SK,
который включает промежуточ-
ное реле KV2. Замыкающий
контакт KV2 через замкнутый
контакт конечного выключа-
теля электромагнита SQ1 вклю-
чает главную катушку LA соле-
ноидного вентиля LL. Вентиль
открывается, и в змеевик мас-
лобака поступает пар на по-
догрев. При открытии вентиля
ключателя SQ1 и реле времени К.Т отключается. После открытия
вентиль берется на защелку, а его главный электромагнит L1 с вы-
держкой времени, необходимой для надежного открытия вентиля,
отключается контактом реле времени КТ.
После подогрева масла до 40 °C контакт термореле SK размы-
кается, реле KV2 отключается и включает электромагнит L2 защелки
вентиля. Вентиль снимается с защелки и под действием возвратной
пружины закрывается. Прекращается подача пара в змеевик. При
закрытии вентиля встроенный контакт SQ2 размыкается и электро-
магнит защелки L2 отключается. Переключатель служит для
отключения вентиля в летнее время.
Регулирование уровня масла в заданных пределах осущест-
вляется контактами датчиков уровня. При достижении маслом верх-
него уровня замыкается контакт SL1, включается -промежуточное
55
контакт конечного вы-
реле Д’VI, которое становится на самоблокировку через закрытые
контакты реле нижнего уровня SL2.
Замкнувшимися контактами KV1 подается импульс в блок управ-
ления электродвигателями для включения насоса на откачку масла.
При понижении масла до нижнего уровня размыкается контакт
датчика SL2, реле /(VI обесточивается и разомкнувшиеся контакты
Рис. 12. Схема регулирования температуры в рабочем пространстве термической
печи
его через блок управления (БУ) отключают электродвигатель на-
соса.
На рис. 12 приведена функциональная схема регулирования тем-
пературы в рабочем пространстве термической печи. Температура
в печи измеряется термоэлектрическим термометром 1а в комплекте
с потенциометром 16, в который встроены измерительный преобра-
зователь ИП 1Г-01 и однопозиционное сигнализирующее устрой-
ство. Сигнал, пропорциональный изменению температуры, на пре-
образователе ИП преобразуется в токовый сигнал 0—5 мА и посту-
пает в регулирующее устройство 1г. Одновременно в регулирую-
щее устройство поступает сигнал задания от задатчика 1в.
56
При отклонении температуры от заданной в сторону уменьшения
срабатывает магнитный пускатель ДЛИ. Исполнительный ме-
ханизм 1е начинает перемещать регулирующий орган в направлении,
соответствующем восстановлению регулируемой величины, т. е. в сто-
рону открытия.
Одновременно с включением магнитного пускателя подается
импульс на устройство обратной связи, имеющееся в регулирующем
устройстве. В тот момент, когда воздействие устройства обратной
связи уравновесит воздействие внешнего сигнала, отключится ма-
гнитный пускатель и остановится электродвигатель исполнительного
механизма. Периодические включения электродвигателя будут про-
исходить до тех пор, пока значение регулируемой величины не ста-
нет равным заданному.
Помимо автоматического управления рассматриваемая схема
предусматривает возможность ручного дистанционного управления
исполнительным механизмом с помощью переключателя SB1. Вы-
бор режима управления А (автоматическое) или Д (дистанционное)
производится переключателем управления 5Л1.
Для ограничения хода исполнительного механизма при дости-
жении регулирующим органом положений полного открытия или
закрытия служат конечные выключатели SQ1, SQ2. Дистанционный
контроль степени открытий или закрытия регулирующего органа
производится с помощью дистанционного указателя положения Id.
Однопозиционное сигнализирующее устройство, встраиваемое
в потенциометр 16, позволяет осуществлять сигнализацию повыше-
ния температуры в рабочем пространстве термической печи выше
задания. Этот сигнал поступает в схему технологической сигнали-
зации.
Электрические схемы питания
В электрических схемах питания дают систему питания электро-
энергией контрольно-измерительных приборов и средств автоматики.
При выполнении этих схем особое внимание уделяют:
1) вопросу надежности системы и бесперебойности электро-
снабжения;
2) правильному выбору и размещению средств защиты аппара-
туры и отдельных участков сети от токов короткого замыкания и
длительных перегрузок;
3) гибкости схемы электроснабжения, обеспечивающей возмож-
ность оперативных отключений и переключений отдельных приборов
и участков сети, необходимых для нормальной эксплуатации, осмо-
тров, ремонтов и наладок аппаратуры автоматики.
Вопрос о бесперебойности электроснабжения для каждого объ-
екта решают в зависимости от категории ответственности электро-
приемников.
К I категории относят электроприемники, перерыв в электро-
снабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни
людей, повреждение оборудования, массовый брак продукции, рас-
87
стройство сложного технологического процесса, нарушение особо
важных элементов городского хозяйства.
Ко II категории относят электроприемники, нарушение электро-
снабжения которых приводит к массовому недовыпуску продукции,
простоям рабочих механизмов и промышленного транспорта, нару-
шениям нормальной деятельности значительного количества го-
родских жителей.
К Ш категории относят все остальные электроприемники, не
принадлежащие к I и II категориям (электроприемники вспомогатель-
ных технологических процессов, несерийного производства и др.).
802
• т ~
/ 1 5вГ SF2
^SF5
И 1 1 ||
Характеристика электроприемника Позиция 1 Ввод рабочий Р=1к8А, 0-2208 16 1г КМ1,1е 16 5в,5е 5ж КМ2,5к 5и —
Тип КСПЗ-П РПЬ-Т •tXi/23 авм-п КСДЗ РШ-П нэоьрз ЦУЛ-М Схема сигнализации
Напряжение, в -220 -220 -220 -220 -220 -220 -220 -220 -220
Мощность, в-А 50 50 56 5 70 50 56 5
Место установки Щит автоматизации
Рис. 13. Функциональная электрическая схема питания устройств автоматики терми-
ческой печи
Разбивку электроприемников на группы питания по категориям
ответственности исполнитель проекта решает, исходя из особенно-
стей данного производства и значимости каждого потребителя. В за-
висимости от категории электроприемников решают вопрос и о ре-
зерве системы электропитания. К схемам питания электроприемни-
ков I категории предусматривают два самостоятельных независимых
один от другого источника питания — рабочий и резервный с авто-
матическим вводом резерва (АВР) при отключении рабочего источ-
ника питания. Схема питания без АВР приведена на рис. 13
(позиции см. рис. 5).
К схемам питания электроприемников II категории предусма-
тривают также два независимых источника питания, но с ручным
вводом резерва (РВР) при отключении рабочего источника.
К схемам питания электроприемников III категории предусма-
тривают один источник питания, но если конфигурация электри-
ческих сетей допускает возможность простого подключения второго
источника, то в отдельных случаях предусматривают второй источ-
ник с ручным вводом резерва.
58
§ 4. Щиты и пульты управления
Щиты и пульты используют для размещения на них контрольно-из-
мерительных приборов, сигнальных устройств, аппаратуры управ-
ления, автоматического регулирования, защиты, блокировки и т. п.
Щиты и пульты устанавливают в производственных и специальных
помещениях: операторских, диспетчерских, аппаратных и т. п.
Типы и основные размеры щитов и пультов, предназначенных
для стационарных установок с температурой окружающего воз-
духа от —30 до 4-50 °C и влажности не более 80 %, определены по
ГОСТ 3244—68 и разработанным на его основе отраслевым стан-
дартом ОСТ 36.13—76.
По конструктивному оформлению щиты делят на шкафные и па-
нельные, полногабаритные и малогабаритные; пульты — на при-
ставные и отдельностоящие. Основные типы и габаритные размеры
щитов и пультов приведены в табл. 8. В производственных помеще-
ниях с агрессивной, пожароопасной, влажной или запыленной сре-
дой щиты устанавливают в специальных щитовых помещениях
с нормальными условиями окружающей среды, при наличии ви-
брации щиты и пульты устанавливают на амортизаторах.
Ширина проходов обслуживания за панельными щитами и перед
щитами при отсутствии открытых токоведущих частей напряжением
выше 36 В должна быть не менее 0,8 м. Проходы обслуживания при
неогражденных токоведущих частях с напряжением на них выше
36 В (на высоте <2,2 м) должны быть не менее 1 м между токоведу-
щими частями и стеной или оборудованием и не менее 1,5 м, если
токоведущие части расположены по обе стороны прохода. В про-
ходах обслуживания щитов при длине более 5 м должно быть не
менее двух выходов.
Щиты и пульты, на которых установлены аппараты, работающие
под напряжением выше 36 В, должны быть заземлены. Внутри
щитов и пультов, проектируемых для установки в помещениях всех
категорий, заземлению подлежат приборы и аппараты, имеющие
выводы «земля». В щитах и пультах, проектируемых для установки
во взрывоопасных помещениях, заземляют металлические корпуса
электрических приборов и аппаратуры, а также металлические
оболочки контрольных кабелей.
На фасадной стороне отдельно стоящих щитов размещают пока-
зывающие, самопишущие и регулирующие приборы, переключа-
тели к приборам, светосигнальную аппаратуру и аппаратуру опе-
ративного управления; изображают мнемосхемы. При установке щи-
тов с приставными пультами или отдельно стоящих пультов на
верхнюю панель пультов выносят аппаратуру оперативного управ-
ления, сигнальную аппаратуру, переключатели к приборам, неко-
торые электроизмерительные приборы (амперметры и др.), указа-
тели положения и при необходимости изображают мнемосхему.
Компоновку приборов и аппаратуры на щите выполняют с уче-
том следующих положений:
59
Таблица 8. Типы и размеры основных видов щитов, панелей и пультов
автоматизации
Наименование Условное наименование Размеры, мм
ширина глубина высота
Щиты шкафные: с задней дверью ЩШ-ЗД, ЩШ-ЗД-02, 600, 800, 600, 800 2200
с передней и задней щш-зд-оп, щш-зд-ол щш-пзд 1000 600, 800, 600, 800 2200
дверьми двухсекционные ЩШ-2, 1ДШ-2-02, 1000 1200, 1400, 600 2200
малогабаритные ЩШ-2-ОП, ЩШ-2-ОЛ 1ЦТТ1М 1600, 1800, 2000 400, 600 500 600, 1000
Щиты панельные: с каркасом щпк, щпк-зп, 600, 800 600 2200
двухсекционные щпк-зл ЩПК-2, ЩПК-2-ЗП 1000 1200, 1400, 600 2200
Панели ЩПК-2-ЗЛ ПнВ-Д 1600, 1800, 2000 1000 70 2200
Пн В 600, 800, 70 2200
ПнД-ЩПК 1000 600, 800, 20 800
ПнТД-ЩПК 1000, 1200, 1400, 1600, 1800 600 20 800
Вставки угловые ВУ а° = 15°, — 2200
ВУ-Д-ЩПК 30°, 45° а° = 15°, — 800
Пульты п, п-п, п-л, п-с 30°, 45° 600, 800, 800 900
пнп, пнп-п, 1000 600, 800, 1200 1200
Угловые вставки пуль- пнп-л, пнп-с ВУ-П 1000 а°= 15°, 900
тов ВУ-ПНП 45° 650, 1050 а°= 15°, 45°
Расшифровка условных обозначений:
Щ — щит; Ш — шкафной; ЗД — с задней дверью; 02 (03) открытый с двух (трех) сторон;
ОП (ОЛ) — открытый с правой (левой) стороны; ПЗД — с передней и задней дверьми; ПК —
панельный с каркасом; ЗП (ЗЛ) — закрытый с правой (левой) стороны; 2 (3) — двух — (трех)
секционный; С — статив; П — плоский; Пн — панель; В — вспомогательная (декоративная);
ТД — торцевая декоративная; Д — с дверью; ВУ — вставка угловая; ВУ—Д—ЩПК —
вставка угловая для панелей декоративных; П — пульт; П (Л) — правый (левый); С — сред-
ний; НП — с наклонной приборной приставкой; ВУ—П — вставка угловая к пультам:
НП — с приборной приставкой.
во
приборы, аппаратура управления и сигнализации должны быть
расположены в последовательности, определяемой технологическим
процессом;
приборы на многопанельных щитах располагают так, чтобы каж-
дая панель или ее часть отображали определенный участок техно-
логического процесса или относились к одному агрегату;
приборы и аппаратуру управления объединяют по функциональ-
ному признаку и располагают по их значимости, частоте использо-
вания и характеру назначения, должен быть выдержан принцип
соответствия между щитом (пультом) и управляемым объектом.
Например, приборы для четырехзонной методической печи разде-
ляют на пять групп — четыре для каждой зоны и одну для общих
измерений;
основные приборы, по которым управляют процессом или пока-
зания которых характеризуют аварийное состояние, размещают
в центральной части щита;
приборы и аппаратуру управления на фасадных сторонах щитов
устанавливают по высоте (мм) от уровня пола в соответствии с ре-
комендациями, приведенными ниже:
Показывающие приборы и сигнальная аппаратура ................ 1000—1650
Самопишущие и регулирующие приборы оперативного значения:
щит с приставным пультом .................................. 1100—1700
щит без пульта............................................. 900—1900
Самопишущие приборы неоперативного значения (щит без пульта). . 700—2000
Оперативная аппаратура контроля и управления (переключатели,
ключи, кнопки управления, панели дистанционного управления и др.) 700—1500
Указатели положения, сигнальный прибор и др.................. 1000—1500
Мнемосхемы:
нижний край................................................... 1000
верхний край................................................. 2100
. Размещение регуляторов должно быть таким, чтобы обеспечи-
вать удобный доступ к их настроечным устройствам. Если для на-
стройки используют приборы, установленные на щите, то необхо-
димо, чтобы их ^оказания были видны оператору с места установки
регулирующего устройства.
Монтажные схемы щитов и пультов
Чертежи монтажных схем щитов и пультов необходимы для выпол-
нения электрической и трубной коммутации приборов и средств
автоматизации в пределах щита или пульта. Монтажные схемы вы-
полняют в виде отдельных чертежей для каждой панели щита и
пульта. На чертеже изображают очертания развернутых в одной
плоскости внутренних стенок щита и пульта с упрощенным изо-
бражением приборов, аппаратуры и вспомогательных устройств,
а также электрической и трубной проводки в пределах щита или
пульта. Если на чертеже фасада щита нумерацию панелей ведут
слева направо, то на монтажно-коммутационной схеме нумера-
ция обратная (вид сзади).
На монтажной схеме показывают устройства для ввода в щиты и
пульты внешних электрических и трубных проводок, а . также их
61
присоединение к внутренней проводке щитов и пультов. Вводимые
в щит или пульт внешние трубные и электрические проводки марки-
руют согласно их маркировке на схеме внешних соединений. Чер-
тежи монтажных схем обычно выполняют в масштабе 1 : 5.
Исходными материалами для составления монтажных схем слу-
жат функциональные схемы автоматизации, управления, регули-
рования и сигнализации; электрические и пневматические схемы
питания; схемы внешних соединений электрических и трубных
проводок; общие виды щитов и пультов.
Применяют два основных метода составления электрических
монтажных схем: адресный и табличный. Метод выполнения монтаж-
ных схем выбирают исходя из насыщенности щита аппаратурой,
а также технологии выполнения монтажных схем на заводе — из-
готовителе щитов и пультов.
Адресный метод выполнения заключается в том, что вместо гра-
фического изображения электрической проводки между аппаратами
и сборками зажимов, расположенными в пределах панели щита и
пульта, изображают лишь концы каждого отходящего от зажимов
аппарата или сборки провода, на которых указывают их маркировку
и «адрес» — обозначение аппарата или сборки, к которым они должны
быть подсоединены.
На щитах контрольно-измерительных. и регулирующих прибо-
ров, на которых устанавливают относительно небольшое число при-
боров (а монтажную схему электрических проводов выполняют
методом встречных адресов), адресом приборов и аппаратов может
служить позиция прибора или аппарата по функциональной схеме.
Сборки зажимов изображают, как правило, высотой 15 мм с ши-
риной каждого зажима 4 мм. По длине сборку зажимов разделяют
на два ряда — один с внутренней стороны панели высотой 5 мм
служит для проставления порядковых номеров зажимов слева на-
право, другой ряд шириной 10 мм служит для нанесения маркировки
провода в соответствии с функциональной схемой.
Цепи пирометрических линий показывают в виде отдельной про-
кладки сплошной линией, также показывают провода, требующие
защиты от наводок других цепей. Пример монтажной схемы, выпол-
ненной адресным методом, приведен на рис. 14. Эта схема соответ-
ствует функциональной схеме, изображенной на рис. 12.
В верхней части кружков записан порядковый номер прибора
или устройства на данном щите, в нижней части — позиция прибора
на рис. 12 или соответствующее условное обозначение. Кроме по-
зиций, указанных на рис. 12, на щите установлены приборы свето-
вой сигнализации HL1—HL4, кнопочные выключатели SB (поз. 13,
16, 19) и разборное соединение XT. Приборы 5—7 измеряют
давление. Приборы 8, 10, 17, 18, 23—25 относятся к схеме регули-
рования другой величины и для них монтажная схема не показана.
Около каждого провода записан его номер, соответствующий
рис. 12, а у концов — номер прибора на данной схеме (адрес), к ко-
торому подключается соответствующий провод. В прямоугольниках
разборного соединения XT также указаны номера соответствую-
02
Рис. 14. Монтажная схема, выполненная адресным методом
63
щих проводов, а в кружках вне контура щита — номера кабелей
и линий, идущих к приборам и устройствам вне щита. Например,
цифра 1 обозначает пирометрическую линию к датчику температуры,
цифры 01; 02, 04 — линии отбора давления.
Табличный метод характеризуется тем, что вместо монтажной
схемы электрических и трубных проводок щита составляют таблицы
соединения и подключения проводок, в которых приведены сведения
о проводниках и адреса их присоединения.
§ 5. Схемы внешних электрических и трубных проводок
Схемы внешних электрических и трубных проводок являются свод-
ными чертежами, на которых показывают электрические и трубные
связи, прокладываемые вне щитов между отдельными приборами,
средствами автоматизации и щитами проектируемой установки. На
этих схемах условными обозначениями в виде монтажных символов
показывают:
отборные устройства и первичные приборы с указанием их мар-
кировки по функциональной схеме автоматизации и номеров уста-
новочных чертежей;
щиты и пульты контроля, регулирования, управления, сигна-
лизации и питания с указанием их наименований и номеров Черте-
жей монтажных схем;
устанавливаемые вне щитов приборы, регуляторы, исполнитель-
ные механизмы, клапаны, заслонки, электроприводы, магнитные
пускатели, источники электропитания, воздухоснабжения и другие
приборы, к которым подводят кабели, провода или трубы с указанием
их маркировки по соответствующим функциональным схемам и
номеров установочных чертежей;
соединительные коробки, коробки свободных концов термопар,
а в отдельных случаях проходные коробки с указанием их номеров
по спецификациям и номеров установочных чертежей;
проложенные вне щитов электрические провода и кабели с ука-
занием их номеров, марок, длин, а также характеристик и длин за-
щитных труб;
проложенные вне щитов импульсные, питательные, продувоч-
ные и дренажные трубопроводы с указанием их номеров, характери-
стик, длин и типов запорной арматуры;
зажимы расположенных вне щитов приборов, регуляторов, сое-
динительных коробок, исполнительных механизмов, магнитных пу-
скателей с указанием заводских номеров зажимов;
линии заземления щитов, приборов и других электроприемников,
подлежащих заземлению согласно «Правилам устройств электро-
установок».
Характеристики проводок и их длины на схеме внешних электри-
ческих и трубных проводок не приводят, так как они указаны в ка-
бельном журнале и журнале импульсных труб (табл. 9, 10). Схема
внешних электрических и трубных проводок для термической печи
приведена на рис. 15.
64
3 Глинков Г. М. н др.
Поаменодоние параметра
и мало отбора
импульса 1
Обозначение
монтажного чертежа
Позиция
01
Регулирование
температуры
6 печи
1а
Плечи
К поз. 2
Давление
природного газа
К поз. 66а
Регулирование соотношения
боздула
К ПОЗ »,7
природный газ
воздух
Отсечка
природного газа
66
5а
5к
К поз. 66
JHL
, Щит
автоматизации
Щит
мектратпоратуры
ЭЬЗЕ
ПК№1
М№2
1371??
/ шкаф датчиков
КСК-16
<oi й
Рнс. 15. Схема внешних электрических и трубных проводок
g T а б л и ц а 9. Кабельный журнал
№ кабелей и труб Наименование участка Напря- жение, В Кабели Число кабе- лей в трубе Трубы Примечание
начало конец марка число жил сечение число ре- 1 зервных жил । длина, м сортамент н диаметр длина, м |
1 Термопара, поз. 1а Щит автоматиза- ции —4 ПКВ-М 2 2,5 — 22 1 Тр 25x2,5 18 Ра-Ц-Х18—Зм
2 Исполи ительный механизм, поз. 1е То же —220 крнг 7 1 2 18 1 Ра-Ц-Х22 1
3 То же Щит электроаппа- ратуры —220 КРНГ 7 1 1 19 1 Ра-Ц-Х22 1 —
2,3 Проходная ко- робка ПК № 1 Проходная короб- ка ПК № 2 —220 крнг 7 1 — 2 Тр 40X3 Г5 —
6 Шкаф датчиков кек-16 Щит электроаппа- ратуры —220 КРНГ 4 1 1 12 1 Тр 20X2 10 —
7 То же Щит автоматиза- ции —220 КРНГ 10 1 2 11 1 Тр 25X2,5 10
Таблица 10. Журнал импульсных труб
№ труб Наименование участка Число труб Сортамент и диаметр Длина, м • Примечание
начало конец
01 Отбор давления к поз. 2 Щит автоматизации 1 Тр 14X2 26 —
02 Тройник на импульсной линии 03 Т о же, поз. 3 1 Тр 14X2 20 —
03 Отбор давления к поз. 6а Шкаф датчиков 1 Тр 14X2 7 —
04 Тройник на импульсной линии 05 Щит автоматизации, поз. 4 1 Тр 14X2 21 —
05 Отбор давления к поз. 7 Шкаф датчиков 1 Тр 20X2,8 8 —-
К составлению схем электрических и трубных проводок присту-
пают после определения мест установки щитов и пультов, отбор-
ных и приемных устройств, первичных приборов, регулирующих
органов и местных приборов. Исходными материалами для состав-
ления этих схем служат функциональные схемы автоматизации,
электрические и пневматические схемы питания, функциональные
(элементные) электрические и пневматические схемы автоматиче-
ского регулирования, управления и сигнализации, а также мон-
тажные схемы щитов и пультов.
В верхней части чертежа схемы внешних электрических и труб-
ных проводок (см. рис. 15) размещают сгруппированные по параме-
трам или системам регулирования монтажные символы приемных и
отборных устройств. Над ними приводят пояснительную таблицу,
в которой указывают наименование контролируемого параметра,
место отбора импульса, обозначение монтажного чертежа, а также
номер позиции отборного устройства по функциональной схеме
(см. рис. 5).
В нижней части чертежа в виде прямоугольников (толщина ли-
ний 0,2—0,3 мм) показывают щиты и пульты управления.
На поле чертежа между приемными устройствами и щитом (пуль-
том) управления размещают условные символы приборов и средств
автоматизации, находящихся вне щита, соединительные коробки и
линии электрических и трубных проводок с условным изображением
на них запорной арматуры.
Прямоугольники, изображающие многопанельные щиты и
пульты, разделяют линиями по числу панелей (шкафов). Внутри
этих прямоугольников, а также прямоугольников, изображающих
соединительные коробки, размещают сборки зажимов и трубных
соединений. Если такое расположение ведет к значительному уве-
личению формата чертежа, то сборки и трубные соединения не по-
казывают, а ссылаются на номер чертежа монтажной схемы панели,
на котором показаны сборки зажимов и трубных соединений с под-
соединенными к ним электрическими и трубными проводками.
На монтажных символах первичных приборов и средств авто-
матизации, установленных вне щита, проставляют маркировку за-
жимов согласно заводской инструкции или данным каталога. Мар-
кировку проводов электрических проводок, подключаемых к этим
приборам и соединительным коробкам, проставляют в соответствии
с маркировкой, принятой на функциональных (элементных) схемах
питания, регулирования, управления и сигнализации. Эту марки-
ровку наносят над каждым проводником с левой стороны.
На совмещенных схемах электрические и трубные проводки по-
казывают, как правило, сплошными вертикальными линиями с наи-
меньшим числом изгибов; толщина линии 0,8—1 мм. При раз-
дельном выполнении схем внешних соединений электрические
и трубные проводки показывают сплошными линиями той же
толщины.
Электрическим и трубным проводкам присваивают маркировку
В виде сквозных арабских порядковых цифр. Маркировку простав-
3* 67
ляют в местах разрыва линий проводок в кружке диаметром 10—
12 мм. Маркировку наносят на схемах внешних проводок слева на-
право.
§ 6. Монтажные чертежи расположения
и установки оборудования,
чертежи кабельных и трубных проводок
По монтажным чертежам расположения оборудования и соедини-
тельных проводок выполняют монтажные работы при установке
щитов и пультов управления, различных приборов и вспомогательных
устройств автоматизации, располагаемых вне щитов, а также про-
кладку электрических и трубных проводок.
Исходными материалами для разработки монтажных чертежей слу-
жат технологические и строительные чертежи проектируемого объ-
екта, функциональные схемы автоматизации, электрические, пнев-
матические и гидравлические элементные схемы, схемы питания,
общие виды щитов, пультов и нестандартного оборудования, инст-
рукции по монтажу и эксплуатации приборов и устройств автома-
тики, а также схемы внешних соединений электрических и трубных
проводок, которые обычно выполняют параллельно с разрабрткой
монтажных чертежей.
На монтажных чертежах расположения оборудования и соеди-
нительных проводок показывают:
контур здания с указанием нумерации его осей и рядов колонн,
технологическое оборудование и трубопроводы в сокращенном
объеме, достаточном для размещения и координации устройств авто-
матики, электрических и трубных проводок;
монтажные символы первичных приборов и отборных устройств,
приборов и регулирующих органов, находящихся на технологиче-
ском оборудовании и трубопроводах;
монтажные символы приборов, регуляторов, исполнительных
механизмов, электроаппаратуры и другого оборудования, устанав-
ливаемого вне щитов;
условные изображения щитов и пультов, соединительных и про-
ходных коробок, коробок свободных концов термопар и термоста-
тов;
электрические и трубные проводки (электрические провода и
кабели в защитных трубах, лотках, коробках и без них, пневмока-
бели, трубы импульсные, командные, вспомогательные, дренажные
и др.) и конструкции, на которых они прокладываются;
проходы электрических и трубных проводок через стены и пере-
крытия зданий и сооружений.
Контуры зданий, технологическое оборудование и трубопро-
воды на монтажные чертежи наносят линиями более тонкими, чем
линии, относящиеся к проекту автоматизации.
На чертеже приводят спецификацию монтажных узлов и изделий
(трубные блоки, мостики, короба и др.), а также дают краткие
пояснения и примечания, содержащие основные указания по
68
монтажу устройств автоматики, электрических и трубных про-
водок.
Для пожаро- и взрывоопасных помещений и взрывоопасных на-
ружных установок необходимо указывать:
класс помещений, в которых предусматривается монтаж электри-
ческих и трубных проводок и смежных с ними помещений;
категорию и группу взрывоопасных смесей, которые могут обра-
зоваться в этих помещениях;
границы взрывоопасных зон в наружных установках.
Фрагмент монтажного чертежа расположения и установки обо-
рудования и соединительных проводок для термической печи пока-
зан на рис. 16.
На чертежах координируют те приборы и средства автоматизации
(регуляторы, исполнительные механизмы, щиты, пульты, шкафы,
соединительные и протяжные коробки, другое оборудование и вспо-
могательные устройства), для монтажа которых не требуются за-
кладные конструкции в стенах, полах и колоннах зданий, техноло-
гическом оборудовании и трубопроводах. Координация необходима
при монтаже для определения мест крепления приборов и средств
автоматизации с помощью дюбелей (пристрелкой) или другими спо-
собами^.
На чертежах около условных графических обозначений элемен-
тов средств автоматизации у линии—выноски указывают их пози-
ционные обозначения в соответствии со схемой внешних электриче-
ских и трубных проводок.
У элементов систем автоматизации, не имеющих самостоятель-
ного позиционного обозначения (отборные устройства, термобал-
лоны манометрических термометров и т. п.), указывают позицион-
ное обозначение прибора, к которому они относятся.
Потоки электрических и трубных проводок на чертежах Должны
быть закоординированы. Координация элементов средств автомати-
зации, электрических и трубных проводок должна осуществляться
к основным строительным осям или конструкциям зданий и соору-
жений. Указания по привязке устанавливаемых средств автоматиза-
ции и проводок по высоте можно оговаривать в примечаниях либо
приводить на разрезах и сечениях, которые выполняют в дополне-
ние к планам. Привязку потоков электрических и трубных проводок
по высоте допускается оговаривать на планах отметками уровней
(низа) прокладки этих проводок, помещаемых на полках линий—вы-
носок.
На чертежах электрические и трубные связи должны иметь но-
мера, которые проставляют в соответствии со схемой внешних элек-
трических и трубных проводок.
Номера кабелей, проводов и труб проставляют в прямоугольни-
ках, которые располагают над или под полкой линии—выноски,
предназначенной для записи позиций на монтажные .материалы и
изделия по перечню. Прямоугольник должен иметь размеры 5 х10 мм,
ширину прямоугольника допускается увеличивать, исходя из раз-
мера вносимого в этот прямоугольник номера.
69
3
2500
Рнс. 16. Монтажный чертеж рас-
положения и установки обору-
дования н расположения ка-
бельных проводок:
I — печь; II — шкаф датчиков;
III — щит автоматиэальнв; /У —
помещение контрольно-нвмерн-
тельных приборов; F — щит
электроаппаратуры
Глава II
РАСЧЕТ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ
И АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
§ 1. Расчет сужающих устройств
для измерения расходов
Для измерения расхода жидкости, пара и газа обычно применяют
стандартные диафрагмы. Иногда для измерения расхода пара и для
контроля распределения дутья по фурмам доменной печи используют
сопла.
Методика расчета сужающих устройств основана на Правилах
28—64. Исходные данные для расчета следует представлять в виде
листа исходных данных, а сам расчет заключается в заполнении уни-
фицированных расчетных листов. -
Лист исходных данных
Общие данные
1. Завод ... 2. Цех ... 3. Агрегат ... 4. Объект измерения ... 5. Среднее
барометрическое давление местности рб, Па. '
Трубопровод
1. Внутренний диаметр П20, мм. 2. Материал ... 3. Чертеж участка
установки сужающего устройства.
Измеряемаясреда
1. Наименование (марка, сорт). 2. Часовой (секундный) расход:
максимальный Afmax, Qmax; средний Afcp, Qcp; минимальный ЛТшщ,
Qmln. 3. Средняя температура t, °C. 4. Среднее избыточное давление
р„, Па. 5. Допустимая потеря давления рп.д, Па. 6. Для газов: сред-
ний химический состав, % (объемн.); относительная влажность <р'
(при температуре ... и давлении ...). 7. Для жидкостей (кроме воды):
плотность в нормальных условиях. (+20 °C и 101 325 Па) рн, кг/м3;
вязкость (при температуре ... и давлении ,..).
Указания по заполнению листа исходных данных
1. Среднее барометрическое давление местности рб = 100 000 -е-
4-101 325 Па.
2. Диаметр трубопровода при 20 °C Di0 выбирают по. допустимой
скорости вещества в трубопроводе v (табл. 11).
По выбранной скорости находят диаметр трубопровода, мм
D = 18,85 /Qmax/v, (1)
где Qmax — максимальный расход вещества в рабочих условиях,
м3/ч.
Найденную по формуле (1) величину округляют до ближайшего
стандартного значения: 50; 70; 80; 100; 125; 150; 175; 200; 225; 250;
72
Таблица 11. Допустимые скорости вещества в трубопроводе
Вещество Избыточное Скорость в рабочих
давление, кПа условиях, V, м/с
Жидкость — 1,0-2,0
Газ низкого давления (коксовый, доменный, вентиля- торный воздух) 2—5 6—12
Сжатый газ (сжатый воздух, дутье доменных печей, природный газ, технический кислород) 200—1500 12—20 •
Насыщенный пар — 20—30 .
Перегретый пар — 30—40
300; 400; 450; 500; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 2000; 2400; 3000;
3400; 4000 мм.
3. Средний расход составляет
Qcp (-^ср) (1/2 2/3) Qmax (Л4Шах);
минимальный расход
Qmln (Мmln) (1/4 ~ 1/3) Qmax (-Мтах)-
4. Допустимая потеря давления, кПа:
при измерении расхода жидкости, пара и сжатого газа р'п. д —
= 10 4-100 или /?п.д « (0,054-0,10) ра;
при измерении расхода газа низкого давления рп.д = 0,5 4-2
или /?п.д « (0,2 4-0,4) ри.
5. Относительная влажность газов <р': природного 0; воздуха
60 4-80 %; технического кислорода, доменного, коксового, сме-
шанного газов; 100 %.
Расчетный лист № 1
Массовый расход жидкости М, кг/ч.
1. Данные для расчета
А. Сужающее устройство.
1. Тип,
2. Материал.
3. Поправочный коэффициент на тепловое расширение kf.
Б. Трубопровод.
1. Поправочный коэффициент на тепловое расширение k'i.
2. Внутренний диаметр, мм
В. Измеряемая среда.
1. Расчетный максимальный расход /Ип, кг/ч.
2. Среднее абсолютное давление, МПа
Р = ра + 0,1,
73
3. Расчетная допустимая потеря давления, Па
Рп. д = Рп. д (Afn/^max)2-
4. Плотность в рабочем состоянии р, кг/м*.
5. Кинематическая вязкость v, м2/с, или динамическая вязкость
р, Па с.
Г. Дифманометр
1. Тип
2. Выбор перепада давления
и модуля сужающего устройства
1. Промежуточная величина
£ =: Mrf/0,01252D2/p.
2. Предварительное значение предельного номинального пере-
пада дифманометра Др'.
3. Предварительное значение модуля сужающего устройства т'.
4. Число Рейнольдса для расхода:
расчетного »
Re = 0,354 (Мп/Dpv) = 0,354 (Ma/Dp);
среднего
Recp = Re (Л4ср/Л!п);
минимального
R®min == Re (Д4т|П/Л4п),
граничное значение Rerp.
5. Заключение по числу Рейнольдса.
6. Заключение по длине прямых участков.
7. Окончательное значение предельного номинального перепада
дифманометра Др, Па.
8. та = ЗДЗС/у^Др.
9. Окончательное значение модуля т.
10. Потеря давления в сужающем устройстве рп, Па.
3. Диаметр отверстия сужающего устрой-
ства, мм
1. d = D у^Тп.
2. d2Q = d/kf.
4. Проверка расчета
1. Коэффициент расхода а.
2. Ми = 3,998 10-3а <Р Ур Др, кг/ч.
3. Погрешность расчета
100%-
74
Расчетный лист № %
Массовый расход пара М, кг/ч.
1. Данные для расчета
А. Сужающее устройство.
1. Тип.
2. Материал.
3. Поправочный коэффициент на тепловое расширение ki.
Б. Паропровод.
1. Поправочный коэффициент на тепловое расширение Hi.
2. Внутренний диаметр, мм
D = D<^kf.
В. Параметры пара.
1. Расчетный максимальный расход Мп, кг/ч.
2. Квадрат отношения расходов п — (Л4ср/Л4п)2-
3. Среднее абсолютное давление, МПа
Р ~ Ри +0,1.
4. Расчетная допустимая*потеря давления, Па
Рп. д — Рп. д (Afn/Afmax)2.
5. Плотность р, кг/м3.
6. Показатель адиабаты, х.
7. Динамическая вязкость р, Па с.
Г. Дифманометр
1. Тип
2. Выбор перепада давления
и модуля сужающего устройства
1. Промежуточная величина
С = Л4п/0,01252П2 /р.
2. Предварительное значение предельного номинального пере-
пада дифманометра Др'.
3. Предварительное значение модуля сужающего устройства т".
4. Число Рейнольдса для расхода:
расчетного
Re = 0,354 (Mn/Dp);
среднего
Rerp = Re (Afcp/AfH);
минимального
R®mln ~ К® (А4т1п/А4ж),
граничное значение Rerp.
75
5. Заключение по числу Рейнольдса.
6. Заключение по длине прямых участков.
7. Окончательное значение предельного номинального перепада
дифманометра Др, Па.
8. ДрСр/р = п Ар/р-,
предварительное значение множителя есР.
9. та = 3,13С/(еср>^Др);
соответствующие значения модуля т и множителя еср.
10. Уточненное значение
та — та (есР/еср);
окончательное значение модуля т и поправочного множителя
на расширение е.
11. Потеря давления в сужающем устройстве рп, Па.
3. Диаметр отверстия сужающего устрой*
с т в а, мм
1. d = D у^т. I
2. б/го — djkf.
4. Проверкарасчета
1. Коэффициент расхода а.
2. М'п — 3,998- 10~* 1 2 3 * * * *ае ]/р Др, кг/ч.
3. Погрешность расчета
Расчетный лист № 3
Объемный расход газа, приведенный к нормальному состоянию
(20 °C, 0,1 МПа) QH, м8/ч.
1. Данные для расчета
А.’Сужающее устройство.
1. Тип.
2. Материал.
3. Поправочный коэффициент на тепловое расширение k't.
Б. Трубопровод.
1. Поправочный коэффициент на тепловое расширение k"t.
2. Внутренний диаметр, мм
D = D^tsk't.
В. Измеряемая среда
1. Название газа.
2. Расчетный максимальный расход QH, ж, м8/ч.
76
3. Квадрат отношения расходов
И = (Qu. cp/Qs. п)2-
4. Средняя абсолютная температура, К
Т = t + 273.
5. Среднее абсолютное давление, Па
Р = Ра +Рб-
6. Расчетная допустимая потеря давления, Па.
Рп. д == Рп. д (Qh. п/Qh max)2-
7. Плотность сухого газа в нормальном состоянии рн, кг/м8.
8. Максимальное возможное давление водяного пара рв. п.м ПРИ
температуре I, Па.
9. Максимальная возможная плотность водяного пара рв. п. м
при температуре t, кг/м3.
10. Относительная влажность в долях единицы <р.
11. Коэффициент сжимаемости К.
12. Промежуточная величина для определения р
г= 1,02-10"5 (р-фРв.п.м)/ТК.
13. Плотность сухой ча<;ти газа в рабочем состоянии, кг/м8
Рс. г = 283,6pHz.
14. Плотность влажного газа в рабочем состоянии, кг/м3
Р ~ Рс. г "Ь ФРв. п. м-
15. Показатель адиабаты х.
16. Кинематическая вязкость v, м2/с, или динамическая вязкость
р, Па-с.
Г. Дифманометр.
1. Тип.
2. Плотность уравновешивающей жидкости ру, кг/м3.
3. Плотность среды над уравновешивающей жидкостью р', кг/м8.
2. Выбор перепада давления
и модуля сужающего устройства
1. Промежуточная величина
С = QH.n/p/(3,553D2z).
2. Предварительное значение предельного номинального пере-
пада дифманометра Д/?н-
3. Предварительное значение модуля сужающего устройства пг".
4. Число Рейнольдса для расхода:
расчетного
Re = 0,354 %н~дрн = 0,354 ;
^Рс. . ^Рс. гМ
77
среднего
Recp = Re (QH. Cp/QH. n)',
минимального
Remin = Re (QH пип/Qh. n)>
граничное значение Rerp.
5. Заключение по числу Рейнольдса.
6. Заключение по длине прямых участков.
7. Окончательное значение предельного номинального перепада
дифманометра Дрн.
8. Максимальный перепад в сужающем устройстве Др.
9. Дрср/р = п &р1р\
предварительное значение множителя еёр.
10. та' = 3,13С/еёр>^Др;
соответствующее значение модуля т' и множителя еср.
11. Уточненное значение
та = та (еёр/еср);
окончательные значения модуля т и поправочного множителя
на расширение еСр.
12. Потеря давления в сужающем устройстве рп, Па.
3. Диаметр отверстия сужающего
устройства, мм
1. d — D уГт.
2. dw — dlk't.
4. Проверка расчета
1. Коэффициент расхода а
2. QL п = l,3aed2z>/ Др/р м3/ч.
3. Погрешность расчета
О —Q'
6= нпп ип 100%.
Чн. п
Указания по заполнению расчетных листов
1. Расчеты следует выполнять с точностью до четвертой значащей
цифры.
2. Внутренний диаметр трубопровода должен быть не менее
50 мм.
3. В качестве материала сужающего устройства для холодного
воздуха можно применять Ст 3, сталь 20, 12X13; для мазута — сталь
20; для воды, газа, пара, горячего воздуха — 12Х18Н9Т.
4. В интервале от —20 до -}-60 °C коэффициент kt = 1.
В общем случае kt — 1 4- at (t — 20).
78
Таблица 12. Плотность воды
i, °C Плотность, кг/м3 при давлении, МПа
0,1 2 5 8 10
0 999,9 1000,8 1002,3 1003,8 1004,8
10 999,7 1000,6 1001,9 1003,3 1004,2
20 998,2 999,0 1000,3 1001,7 1002,5
30 995,6 996,5 997,8 999,1 999,9
40 992,2 993,1 994,4 995,6 996,4
50 988,0 988,9 990,1 991,4 992,4
60 983,2 984,2 985,4 986,7 987,6
70 977,8 978,7 980,0 981,3 982,2
80 971,8 972,8 974,0 975,4 976,3
90 965,3 966,3 967,6 968,9 969,8
100 959,2 960,7 962,0 963,0
120 944,0 945,4 946,8 947,9
140 — 927,0 928,5 930,0 931,1
160 — 908,2 909,9 911,6 912,7
180 —— 887,6 889,4 891,3 892,7
200 — 865,0 867,1 869,2 870,7
220 — 842,6 841,5 846,7
240 — 815,3 818,3 820,2
260 — 784,3 788,1 790,5
280 — — 753,1 756,3
300 — — — — 715,4
В интервале от 20 до 600 °C для стали 20 at ~ 1,38-10~6 К"1,
для стали 1Х18Н9Т at « 1,74-10~6 К"1.
5. Расчетный максимальный расход Мп, Qa являющийся верхним
пределом измерения дифманометра, выбирают по заданному макси-
мальному расходу как ближайшее большее значение из стандарт-
ного ряда: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8-10” — где п — любое
целое положительное или отрицательное число или нуль.
6. Плотность воды при температуре t и давлении р находят по
табл. 12, перегретого пара — по табл. 13.
Плотность жидкости (кг/м3), заданную при нормальной темпе-
ратуре /н пересчитывают на рабочие условия по формуле
Р = Рн И Р (/ /н) J >
где р — средний коэффициент объемного расширения жидкости в ин-
тервале от 4 До t, К-1
Для мазута
Р = (0,25 — 0,02р)10-4,
где р— плотность мазута.
Плотность газов в нормальных условиях находят по табл. 14.
Плотность газовых смесей, кг/м3, определяют по их химическому
составу:
Рн = а1Рн1 + ааРна + • • • + апРнп’
где alt а2, ..., ап — объемные доли компонентов; рь р2, ..., рп —
плотность компонентов смеси.
79
Таблица 13. Плотность водяного пара
Рабе • мп» Плотность, кг/м8, при температуре, °C
200 220 240 270 300 350 400 450
0,1 0,4515 0,4327 0,4156 0,3925 0,3717 0,3416 0,3162
0,2 0,9076 0,8696 0,8344 0,7879 0,7453 0,6845 0,6331 —
0,3 1,368 1,310 1,256 1,184 1,121 1,028 0,9506 —.
0,4 1,835 1,754 1,682 1,584 1,497 1,374 1,269 —
0,5 2,306 2,203 2,110 1,986 1,876 1,720 1,589 —
0,6 2,783 2,655 2,541 2,390 2,257 2,068 1,909 1,774
0,7 3,266 3,113 2,978 2,797 2,640 2,417 2,230 2,072
0,8 3,756 3,575 3,415 3,207 3,025 2,767 2,552 2,370
0,9 4,250 4,042 3,857 3,620 3,412 3,119 2,875 2,669
1,0 4,753 4,515 4,306 4,034 3,799 3,417 3,199 2,968
1,2 5,784 5,473 5,211 4,873 4,583 4,181 3,849 3,569
1,4 6,842 6,456 6,135 5,724 5,376 4,895 4,502 4,172
1,6 — 7,468 7,077 6,588 6,177 5,615 5,160 4,776
1,8 — 8,511 8,038 7,463 6,988 6,341 5,820 5,385
2,0 — 9,578 9,024 8,354 7,806 7,072 6,482 5,995
2,2 — 10,69 10,02 9,259 8,636 7,812 7,153 6,609
2,4 — — 11,06 10,18 9,479 8,554 7,825 7,255
2,6 — — 12,12 11,11 10,33 9,302 8,503 7,843
2,8 — —. 13,21 12,06 11,19 10,06 9,183 8,467
3,0 — — 14,33 13,04 12,06 10,82 9,866 9,094
3,2 — —. 15,49 14,03 12,95 11,59 10,55 9,718
3,4 — — 16,68 15,04 13,85 12,36 11,24 10,34
3,6 — —- — 16,07 14,76 13,15 11,94 10,98
3,8 — — —. 17,13 15,68 13,94 12,64 11,61
4,0 — . — — 18,21 16,62 14,74 13,34 12,25
7. Относительную влажность ф в рабочих условиях (при Т и р)
вычисляют по заданной влажности ф (при Т" и р') по формуле
ф ==: ф (рТ Рв . П . м/р Т’Рв . п . м) >
где рв. п.м определяют при Т' и р'.
Максимальное давление и плотность водяного пара в газе нахо-
дят по табл. 15.
8. Для газов низкого давления (р« < 0,1 МПа) коэффициент сжи-
маемости К = 1.
Таблица 14. Плотность газов при 20 °C
и давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.)
Наименование Хими- ческая формула Плот- ность. кг/м3 Наименование Хими- ческая формула Плот- ность, кг/м*
Воздух (сухой) 1,205 Водяной пар . . . Н2О 0,7496
Кислород .... о2 1,331 Метан сн4 0,6679
Азот n2 1,166 Этилен С2Н4 1,174
Окись углерода со 1,165 Этан С2Нв 1,263
Двуокись углерода со2 1,842 Сероводород . . . H2S 1,434
Водород .... н2 0,0837 Сернистый газ SO2 2,727
80
Таблица 15. Давление рв. п. м и плотность Рв. п. м
насыщенного водяного пара
t, °C Рв. П. М’ кПа Рв. П. М’ кг/м3 t, °C Рв. П. М’ кПа Рв. П. М’ кг/м3 t, °C Рв. П. М’ кПа Рв. П. М’ кг/м3
0 0,6106 0,004847 35 5,626 0,03960 70 31,16 0,1982
5 0,8666 0,0067931 40 7,373 0,05115 75 38,54 0,2420
10 1,227 0,009398 45 9,586 0,06545 80 47,34 0,2933
15 1,707 0,01282 | 50 12,35 0,08302 85 57,81 0,3536
20 2,333 0,01729 55 15,73 0,1044 90 70,10 0,4235
25 3,173 0,02304 | 60 19,92 0,1302 95 84,51 0,5045
30 4,240 0,03036 65 25,00 0,1613 100 101,33 0,5977
Для сжатых газов (воздуха, кислорода, природного газа — в ос-
новном, метана) величину К. находят по табл. 16.
9. Показатель адиабаты в нормальных условиях для воздуха
равен 1,4; для кислорода 1,4; метана 1,31; коксового газа 1,37; до-
менного газа 1,39; пара низкого давления 1,30 и для пара среднего
давления 1,28.
10. Единицы условной вязкости °ВУ (градусы Энглера) в еди-
ницы кинематической вязкости v, м2/с, (обычно — для мазута)
пересчитывают по табл. 17.
Динамическую вязкость во-
Таблица 16. Коэффициент
сжимаемости газов К
Давле- ние, МПа Коэффициент сжимаемости при температуре, °C
-25 0 25 50
Воздух
0,5 0,995 1,000 1,000 1,000
1,0 0,990 0,997 0,999 1,000
1,5 0,985 0,994 0,998 1,000
1,0 0,981 0,991 0,996 1,000
2,5 0,977 0,988 0,994 1,000
3,0 0,973 0,985 0,992 1,000
Кислород
0,5 — 0,995 0,997 0,999
1,0 — 0,990 0,994 0,997
1,5 — 0,985 0,991 . 0,995
2,0 —. 0,980 0,988 0,994
2,5 — 0,975 0,985 0,992
3,0 — 0,970 0,982 0,991
Метан
0,5 0,990 0,989 0,991 0,994
1,0 0,973 0,978 0,982 0,988
1,5 0,956 0,967 0,973 0,982
2,0 0,939 0,956 0,964 0,976
2,5 0,922 0,945 0,955 0,970
3,0 0,905 0,934 0,946 0,964
ды и водяного пара находят по
табл. 18 и 19, газов — табл. 20.
11. Для газов р'=0,968рнХ
х(р/К).
12. Предварительное значе-
ние предельного перепада да-
вления на дифманометре для
Таблица 17. Пересчет единиц
условной вязкости °ВУ
(градусов Зиглера) в единицы
кинематической вязкости v, м2/с
°ВУ 10’v °ВУ 10“v
1,0 1,0 6,0 43,8
1,5 6,2 7,0 51,5
2,0 11,4 8,0 59,0
2,5 16,1 9,0 66,6
3,0 20,4 10,0 74,0
3,5 24,5 12,0 89,0
4,0 28,4 14,0 104
5,0 36,2 16,0 118
П р величина имечаиие. При v = 7,4- Ю-® °ВУ. °ВУ > 16
81
Таблица 18. Динамическая вязкость воды
t, °C Динамическая вязкость ц*106, Па*с, при р, МПа /, °C Динамическая вязкость ц*106, Па* с, при р, МПа
р < 15 15 < р 35 р < 15 15 < р < 35
0 177,0 173,6 80 35,1 36,0
10 131,4 128,0 90 31,2 32,0
20 99,6 100,0 100 28,1 28,9
30 79,9 80,4 150 18,7 19,1
40 65,1 65,7 200 13,8 14,2
50 54,9 55,4 250 11,1 11,5
60 47,1 47,7 300 — 9,5
70 40,7 41,4 350 — 7,6
Таблица 19. Динамическая вязкость водяного пара
t, °C Динамическая вязкость ц* 10е, Па*с, при давлении, МПа t, °C Динамическая вязкость ц,* 10е, Па* с, при давлении, МПа
0,1 10 15 1 0,1 10 15
100 1,20 . 350 2,21 2,31 2<50
150 1,39 — 400 2,41 2,50 2,63
200 1,58 — 450 2,64 2,71 2,79
250 1,78 — 500 2,86 2,93 2,99
300 1,99 2,13
Таблица 20, Динамическая вязкость газов при нормальном давлении
t, °C Динамическая вязкость |А* 10е, Па* с
воздуха кислорода метана доменного газа коксового газа
—50 1,44 1,61 0,86 —
0 1,72 1,92 1,03 1,47 1,03
+50 1,94 2,19 1,18 1,67 1,19
100 2,17 2,43 1,32 1,85 1,34
200 2,56 2,86 1,61 2,24 1,66
300 2,94 3,30 1,87 2,62 1,97
400 3,24 3,70 2,08 3,00 2,29
500 3,53 4,03 2,28 3,38 2,60
600 3,81 4,26 2,46 — —
диафрагм Арй определяют по рис. 17 следующим обра-
зом.
Если задана величина потери давления в сужающем устройстве,
то находят точку на пересечении линий, соответствующих значению
потери давления рп. д и величине С и принимают по кривым ближай-
шее к этой точке меньшее значение перепада Дрн-
Если потеря давления не лимитирована, то находят по номограмме
точку пересечения значения С с линией модуля т — 0,2 и выбирают
82
ближайшее к этой точке значение перепада Ар„. Одновременно с Арн
определяют предварительное значение модуля т и потерю давле-
ния ра.
13. Анализ приемлемости выбранных значений перепада и мо-
дуля сточки зрения влияния вязкости (числа Рейнольдса) выполняют
следующим образом.
83
Таблица 21. Граничные значений числа Рейнольдса дЛй диафрагм,
сопел и сопел Вентури
т Ren э-10< т Ren /!0‘
ди афрагмы сопла । и сопла 1 Веитури диафрагмы сопла н сопла Веитури
0,05 2 6 0,40 13 16,5
0,10 3 7 0,45 15,5 18
0,15 4 8 0,50 18,5 19
0,20 - 5,5 9 0,55 21 19,5
0,25 7 10,5 0,60 24 20
0,30 9 12 0,65 27 20
0,35 11 14 0,70 30 20
По табл. 21 находят Rerp и сравнивают с Recp. Поправки на влия
ние вязкости не вводят, если Recp > Rerp. Если Recp < Rerp, то
желательно изменить диаметр трубопровода или модуль т для умень-
шения Re'p.
14. Необходимые длины прямых участков трубопровода до и
после /2 сужающего устройства зависят от вида местных сопротивле-
ний: ай”
Перед сужающим устройством
Одно колено или тройник
т .................... 0,05 0,10 0,2 0,3
IJD .................. 10 10 13 16
Группа колен в одной плоскости или
с я поток
т .................. 0,05 0,10 0,2 0,3
li/D .................. 14 16 18 22
Группа колен в разных плоскост я х
щи е с я потоки
т .................... 0,05 0,10 0,2 0,3
IJD .................. 34 34 38 43
0,4 0,5 0,6 0,7
20 28 40 53
р азветвляющий-
0,4 0,5 0,6 0,7
29 39 48 58
или смешиваю-
0,4 0,5 0,6 0,7
52 62 74 90
Полностью открытый вентиль
т ................ 0,05 0,10 0,2
h/D .............. 18 18 19
Полностью открытая задвижка
т .............................. 0,05 0,10 0,2
lt/D ........................... 12 12 12
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
22 26 32 40 49
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
14 16 20 26 . 40
Сходящийся или расходящийся
1:3)
т .............................. 0,05 0,10 0,2
li/D ........................... 16 16 18
конус (конусность
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
20 23 26 30 32
Регулирующий клапан или неп
вентиль, задвижка
l^D 100.
После сужающего устройства
т ..................... 0,05 0,10 0,2
Z2/Z> ................. 4 5 6
олностью открытые
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
6,5 7 7,5 7,8 8
84
Длины могут быть сокраще-
ны вдвое (но не менее 6D), при этом
возникает дополнительная погреш-
ность <0,5 %. Если использовать
сужающее устройство с кольце-
выми камерами, то можно со-
кратить в три раза, при этом до-
полнительная погрешность <1 %.
Камерные диафрагмы могут быть
применены при D20 < 500 мм.
15. Максимальный перепад в
сужающем устройстве Ар зависит
от типа дифманометра. При отсут-
ствии разделительных сосудов для
дифманометров кольцевых, коло-
кольных, мембранных и сильфон-
ных Ар = Арн; для поплавковых,
заполненных маслом, над которым
находится газ с р' < 0,9 кг/м3,
Ар = Арн; для поплавковых диф-
манометров; заполненных маслом,
над которым находится га?з с р'>
> 0,9 кг/м3, ~
Ьр = [1 — (р7ру) ] Арн,
где ру — плотность уравновеши-
вающей жидкости.
16. Поправочный множитель е
на расширение измеряемой среды
Лр/р
О 0,0! 0,02 0,03 00Р 0% 0,06 007 008 009 01
0,90 09/ 0,92 093 09Р 099 096 097 0,98 0,99 е
Рис. 18. Номограмма для определения
поправочного множителя е иа расшире-
ние измеряемой среды для диафрагм
для газов и пара можно определить по номограмме, приведенной на
рис. 18.
Таблица 22. Модуль т и коэффициент расхода а для стандартной диафрагмы
т Г) —' 50 мм D — 1 00 мм D = 200 мм D > 300 мм
а та а та а та а та
0,05 0,6126 0,03063 0,6090 0,03045 0,6041 0,03021 0,6008 0,03004
0,10 0,6162 0,06162 0,6118 0,06118 0,6069 0,06069 0,6034 0,06034
0,15 0,6219 0,09328 0,6169 0,09253 0,6117 0,09176 0,6084 0,09126
0,20 0,6293 0,1259 0,6238 0,1248 0,6183 0,1237 0,6150 0,1230
0,25 0,6385 0,1596 0,6325 0,1581 0,6267 0,1567 0,6238 0,1560
0,30 0,6492 0,1948 0,6428 0,1928 0,6368 0,1910 0,6340 0,1902
0,35 0,6617 0,2316 0,6550 0,2292 0,6488 0,2271 0,6459 0,2261
0,40 0,6764 0,2706 0,6695 0,2678 0,6631 0,2652 0,6600 0,2640
0,45 0,6938 0,3122 0,6863 0,3088 0,6798 0,3059 0,6764 0,3044
0,50 0,7134 0,3567 0,7056 0,3528 0,6987 0,3493 0,6950 0,3475
0,55 0,7355 0,4045 0,7272 0,4000 0,7201 0,3960 0,7160 0,3938
0,60 0,7608 0,4565 0,7521 0,4513 0,7445 0,4467 0,7398 0,4439
0,65 0,7909 0,5141 0,7815 0,5080 0,7733 0,5026 0,7679 0,4992
0,70 0,8270 0,5789 0,8169 0,5718 0,8079 0,5655 0,8019 0,5614
85
17. Модуль т и коэффициент расхода а находят по величине /па
(табл. 22).
18. Потери давления на диафрагме определяют по формуле
Ра &Р (1 т) (Qmax/Qn)2
или по номограмме, приведенной на рис. 18.
19. К значениям размеров стандартных сужающих устройств
ставят расчетные допуски:
т ............... ^0,4 >0,4
Допуск.......... ±0,001d2O ± 0,0005^0
Допуск округляют в меньшую сторону до двух значащих цифр.
20. Погрешность расчета 6 должна быть не более 0,2 %. В про-
тивном случае вносят исправление в расчет.
§ 2. Расчет электрических измерительных схем
Расчет измерительных схем автоматических мостов и потенциоме-
тров сводится к определению сопротивления их резисторов для
заданной градуировки и пределов измерения.
1 2 3 4 5
Контроль
Рис. 19. Измерительная схема потенциометра КВП1
На рис. 19 показана принципиальная измерительная схема элек-
тронного автоматического потенциометра КВП1 (компенсатор с вра-
щающейся шкалой потенциометрический). Назначение резисторов
схемы: R5 и R6 — резисторы задания начала и конца шкалы при-
бора; R4 и R7 — шлейфы для точной подгонки начала и конца шкалы;
R1 = 5 Ом; R2 и R8 — постоянные резисторы; RpT — балластный
резистор; — медный резистор компенсации температуры сво-
бодных концов термопары; R9 — резистор контроля исправности
работы прибора. Измерительная схема питается напряжением по-
86
стоянного тока 5В от стабилизированного источника питания ИПС,
рассчитанного на сопротивление внешней нагрузки 1 кОм при токе
нагрузки 5 мА. Прибор содержит узел контроля исправности ра-
боты, который состоит из резистора R9 и тумблера с контактами
1—5. В рабочем положении контакты тумблера разомкнуты. При
установке тумблера в положение «Контроль» контакты 1—5 замы-
каются между собой,, при этом закорачиваются вход прибора и ре-
зистор /?3, резистор /?9 подключается параллельно резисторам R4
и /?5. При этом шкала исправного прибора своей контрольной (крас-
ной) отметкой устанавливается напротив неподвижного указателя.
Резисторы измерительной схемы рассчитывают таким образом,
чтобы в верхней ветви схемы протекал ток = 3 мА, в нижней —
г2 = 2 мА.
Пример. Рассчитаем измерительную схему потенциометра
КВП1 гр. ХА с пределами измерения 0 — 1300 °C. Дополнительные
данные для расчета: реохорд /?р = 400 Ом; эквивалентное сопро-
тивление реохорда с шунтом R3KB — 100 Ом; /?4 — R7 — 1,5 Ом.
Определяем сопротивление шунта
= ЯРЯэКВ/(Яр - Яэкв) = 400-100/(400 - 100)= 166,7 Ом.
Сопротивление резистора R2 находим из условия, что падение
напряжения на нем должно составлять 1,019 В, т. е.
R2 = 1,019/«3 = 1,019/2-ТО'3 = 509,5 Ом.
Расчетные колебания температуры свободных концов термопары
в корпусе прибора ZOmin =/оmax = 0 4-60 °C, тогда сопротивление
R3 при °C равно
/?3 = £(Z.otna?; 0)-E(/omtn; о) = ~ - = 5,04 Ом.
l2at (/о max — to mln) 2'0,004 (60 0)
Величина R3 при t = 20 °C.
/?32о°с = 5,04 (1 + 0,004-20) = 5,42 Ом.
Сопротивление резистора начала шкалы /?5 со шлейфом R4
найдем из условия равновесия схемы в начале шкалы i нач — 0 °C:
Е (/иач; 0) - Е (20; 0) = й (/?4/2 + /?5) + ip Д7?н - i2 (/?320=с + /?1), (2)
где /р — ток в реохорде; Д/?н = 0,3 Ом — сопротивление нерабо-
чего участка в начале реохорда.
Принимаем, что движок шлейфов расположен посредине, т. е.
R4I2 = R7/2 = 0,75 Ом. При перемещении движка реохорда от на-
чала до конца снимаемый с реохорда потенциал изменится на ве-
личину
Е (/кОЯ; 0) — Е (/нач; 0) = Е (1300; 0) — Е (0, 0) = 52,43 мВ.
Тогда с учетом нерабочих участков реохорда в начале Д/?н и в конце
Д/?к = 0,3 Ом запишем:
/р (/?р А/?н А/?к) = Е (tKoa', 0) Е (/Нач< 0),
т. е.
£р = 52,43/(400 — 0,6) = 0,131 мА.
87
Из уравнения (2) находим
£4/2 + £5 = [Е (iHa4; 0) - Е (20; 0) - ip Д£н + i2 (£320«с + #1 )l/»i =
= (0,0 - 0,8 - 0,131 0,3 + 2 (5,42 + 5)]/3 = 6,65 Ом.
Окончательно
R5 = 6,65 — £4/2 = 6,65 — 0,75 = 5,9 Ом.
Для нахождения сопротивления резистора конца шкалы R6 ис-
пользуем условие равновесия схемы в конце шкалы:
Е (iKOH; 0) - £ (iHa4; 0) = й (£4/2 + £5) + ii£np - i2 (£32;.с + £1), (3)
где £пр — приведенное сопротивление реохорда,
£пр = [Яэкв (£6 + £7/2)]/[£экв + £6 + £7/2]. (4)
Из уравнения (3) находим
£пр = [£ (*кон; 0) - Е (/нач! 0) - ii (£4/2 + £5) + i2 (£320»с + £1 )]/й =
= [52,43 - 0,0 - 3,0 • 6,65 + 2 (5,42 + 5)]/3 = 17,8 Ом.
Тогда из формулы (4) следует
£6 + £7/2 = -Afe-
*\экв — Апр
Окончательно
17,8-100
100—17,8
= 21,7 Ом.
£6 = 21,7 — £7/2 = 21,7 — 0,75 = 20,95 Ом.
Приравняем падения напряжения в нижней и верхней ветвях
схемы
И (£5 + £4/2) + й£пр + й£8 = /2 (£32о°с + £1 + £2),
получим
£8 = [i2 (£320»с + £ 1 + £2) - й (£5 + £4/2 + £пр)]//, =
= (2-10,42 + 2-509,5 — 3-6,65 — 3-17,8)/3 = 322,2 Ом.
При установке тумблера в положение «Контроль» контрольная
отметка должна совпасть с началом шкалы, т. е.
й£пР + ip А£н = i2£ 1,
где £пР = (£9 (£4/2 + £5) ]/(£9 + £4/2 + £5).
Тогда
£'p = (j2£l -ip Д£н)/1! =(2-5-0,131-0,3)/3 = 3,32 Ом,
£9 = 3,82-6,65/(6,65 — 3,32) = 6,8 Ом.
Расчет балластного резистора £рт производим по формуле
£рт — £вн £иЗМ1
88
где /?вн = 1000 Ом; Ризм — общее
схемы,
•^изм = Кверх^низ/(•^верх Ч- Rниз) 1
^верх = /?4/2 4- /?цр 4" ^8;
Рниз ~ /?320°С + 4" ^2.
Окончательно
сопротивление измерительной
/?рт = 1000
(/?4/2 4- /?5 + /?пр 4- /?8) (Т?320оС 4- /? 1 4- R2)
/?4/2 + /?5 + 7?пр + /?8 4-' /?320оС + Z? 1 + /?2 ~ /yz им
Измерительные схемы автоматических мостов всех типов рассчи-
тывают примерно одинаковым образом, поэтому приведенная ниже
методика расчета применима (с небольшими изменениями) к расчету
измерительных схем всех реохордных (контактных) мостов. На рис. 20
приведена принципиальная измерительная схема моста KBMI.
Расчет измерительной схемы моста рассмотрим на примере.
Пример. Рассчитаем измерительную схему моста КВМ1,
шкала 0 — 200 °C, номинальная статическая характеристика пре-
образования медного преобразователя сопротивления 5 Ом. Термо-
преобразователь подключен к схеме моста трехпроводной линией
связи.
Запишем условие равновесия измерительной схемы в любой точке
шкалы
(пЯпр + /?8) (Я1 + Ял) = & [Я* 4- /?л 4- R4 4- 7?5 4- /?пр (и - 1)],
где п — относительное положение точки шкалы.
89
Чтобы изменение сопротивления линии связи при изменениях
температуры окружающей среды не влияло на показания прибора,
необходимо так подобрать резисторы схемы, чтобы в последнем урав-
нении члены, содержащие /?л, в левой и правой частях были равны
и сократились, т. е. RJIRnpn + RnR8 == R2Rn.
Так как относительная погрешность увеличивается к началу
шкалы, потребуем полной компенсации сопротивления линии связи
в начале шкалы (га = 0). Тогда R2 = R8. Принимаем R2 = R8 =
— 200 Ом.
В общем случае можно потребовать полной компенсации в любой
другой точке шкалы, например, посредине шкалы (и = 0,5). Тогда
R2 — R8 = 0,5Rnp.
Сопротивление резисторов R1 и R8 определим из уравнений рав-
новесия мостовой схемы в начале шкалы (положение движка рео-
хорда справа на схеме):
(R1 + /?я) R8 = R2 (RtHa, + Ra + R4 + R5 + Rnp) (5)
и в конце шкалы (положение движка реохорда слева на схеме):
(/? 1 + /?л) (R8 + tfnp) = R2 (R<K0H + R„ + R5 + R4). ,(6)
Здесь RtHa4 = Ro °с = 50,0 Ом, /?<кон = R2oo’c = 92,791 Ом/*
Решая систему уравнений (5) и (6) при R4 = 1,5 Ом; R5 = 0,5 Ом;
R„ = 2,5 Ом, находим R1 = 82 Ом и Rnp = 30 Ом. Далее находим
R6 + R7 = ЯЭкВЯпр/(Яэкв - Rnp) = ЮО • 30/(100 - 30) = 42,9 Ом.
и увеличиваем на 5—7 % для учета неполного использования рео-
хорда (нерабочих его участков):
(R6 + R7) 1,06 = 42,9-1,06 = 45,5 Ом.
При R7 = 1,5 Ом сопротивление R6 = 45,5 — 1,5 = 44 Ом.
При установке переключателя в положение «Контроль» контакты
1—3 замыкаются и шкала исправного прибора становится началь-
ной отметкой против указателя, поэтому
R9-R1- R8/(R9 + Rl) = R2 (Rnp + R4 + R5),
откуда R9 = 52,3 Ом.
На резисторе R3 должно погаситься 6,3 — 1,5 = 4,8 В. При
этом в измерительной схеме должен протекать ток i = 1500/142,25 =
= 10,5 мА, где 142,25 Ом — общее сопротивление верхней и ниж-
ней ветвей измерительной схемы.
При токе 10,5 мА для гашения 4,8 В резистор R3 должен иметь
сопротивление R3 = 4800/10,5 = 457 Ом.
§ 3. Описание объекта управления
Расчет автоматических систем регулирования основывается на ста-
тических и динамических характеристиках объектов управления
(ОУ). При проектировании статические и динамические характе-
90
ристики находят по справочным таблицам (см. приложения) или
определяют экспериментально.
Статические характеристики ОУ
Статической характеристикой ОУ называют зависимость регулируе-
мой (управляемой) — выходной величины объекта управления х от
входной величины у в установившемся состоянии. Входной величи-
ной является положение регулирующего органа (регулирующий
орган включен в объект) или
величина, характеризующая
нагрузку ОУ, т. е. расход
энергии, топлива, воды, пара
(регулирующий орган не
включен в ОУ).
Рис. 21. Статические характеристи-
ки ОУ:
1 — линейная; 2 — нелинейная; 3 —
.нелинейная экстремальная
Рис. 22. Определение параметров ОУ по
кривым разгона:
а — входное воздействие; б — статический
ОУ; в — астатический ОУ
Статические характеристики могут быть линейными и нелиней-
ными (рис. 21); нелинейная зависимость может иметь экстремум.
По экспериментальной статической характеристике ОУ подбирают
пределы изменения регулируемой величины-и соответствующие ха-
рактеристики регулирующего органа, определяют возможность при-
менения экстремального управления и находят коэффициент передачи
объекта k0Q для рабочего значения нагрузки ОУ:
_ Ах ед. регулируемой величины
об &у ед. входной величины ' ' '
Динамические характеристики ОУ и передаточные функции
Многие металлургические ОУ, являясь по существу объектами
с распределенными параметрами, могут при определенных условиях
быть представлены в виде ОУ с сосредоточенными параметрами. Вре-
менными динамическими характеристиками таких ОУ называют
изменение выходной величины во времени при некоторых типовых
.изменениях входной величины ОУ; В качестве типовых входных
91
воздействий рассматривают ступенчатую и импульсную функции.
Для металлургических ОУ наиболее распространенной и легко
получаемой экспериментально динамической характеристикой можно
считать кривую разгона, т. е. изменение во времени х (/) после сту-
пенчатого изменения входной величины на Az/ (рис. 22).
По экспериментальной или взятой из справочника кривой раз-
гона определяют передаточную функцию объекта. При этом воз-
можно представление ОУ в виде простейшего астатического объекта
с запаздыванием
Wo6(p)^ko6e-x^/p. (8)
или простейшего статического объекта с запаздыванием
Wo6 (р) = £обе-тоб₽/(ТобР + 1), (9)
где Тоб — постоянная времени объекта; тоб — время запаздывания.
Для получения характеристик k0Q, Тоб, тоб кривые разгона об-
рабатывают по схеме, показанной на рис. 22. Величины toq и То6
статических объектов находят по формулам
_ _ <2 lg (1 —-УР —<1 lg (1 —Х2) .
06 lg(l - xD- lg(l - x2) ’
m ^1 Тоб I ^2 ~~ Тоб I /1 1 \
06 12,303 lg (1 —Xj) | — | 2,303 lg (1—x2) | ’
где 4 — время, соответствующее перегибу кривой разгона; в случае
отсутствия перегиба Следует выбирать х (/J « (0,1 4-0,15) Ах (оо);
4 — время, соответствующее х (t2) = (0,8 4-0,9) Ах (оо);
_ *(<i)—х(0). _ х (/2) —х(0)
“ Дх (оо) ’ 2~ Дх (об)
Можно определять Toq и toq и методом касательной (см. рис. 22),
но часто это приводит к значительным ошибкам, что обусловлено
трудностью правильного проведения касательной;
_ Дх (ос) ед. per, величины ,jg\
06 &у% хода per. органа * ' '
Более точно &об можно определить по статическим характери-
стикам (7).
Для астатических объектов тоб находят как отрезок на оси вре-
мени от точки, соответствующей моменту нанесения возмущения,
до точки пересечения прямой с углом наклона а, соответствующей
установившейся скорости изменения выходной величины, с линией
начального значения регулируемой величины (рис. 22, в). Коэффи-
циент передачи астатического объекта определяется по формуле
_____ х' (оо) tga ед. per, величины , । д.
06 &у &у% хода per. органа-с ' ' '
Более точно передаточную функцию регулируемого объекта можно
определить по кривой разгона методом площадей. При этом переда-
92
точная функция статического объекта
wmW-wm(p)—— о„-+0,>-т+ , *- <14)
где ап\ bm — постоянные коэффициенты; IF/6 (р) —
безразмерная передаточная функция.
Для определения коэффициентов ах....ап; blf bm служит
система уравнений
ai — Fi 4* bi,
а2 ~ 4~ b2 -f- biFi, .jg.
аз — F3 4- b3 4- b3Fi 4- biF2;
ai — Fi 4- bi 4- b3F14- b3Fa 4- biF3.
Интегральные площади Fi, F3, F3, Fi вычисляют по следующим
формулам:
= -a)dt; (16 a)
о *
j(l — o)(l -0)d0; (16 6)
о
F3=Ff j(l - o) (1-20+4-)^; (16 b)
о
*.е+£-£)да, (ter)
0
где a = Ax/Ax (oo) — отклонение выходной величины в безраз-
мерном виде; 0 = i/Fi.
Принята следующая последовательность расчета для статиче-
ского объекта:
1. Разбивают отрезок времени от момента нанесения возмущения
до момента выхода величины х на установившееся значение на рав-
ные отрезки времени А/ так, чтобы на каждом участке кривая раз-
гона мало отличалась от прямой.
Разделив значение Ах в конце каждого интервала А/ на Ах (оо),
получают безразмерные значения a (i А/), которые заносят в графу
3 табл. 23.
2. Вычисляют 1 — о (i А/) и заносят значения в графу 4 табл. 23.
3. Подсчитывают сумму чисел графы 4, т. е. величину
% [1 -o(i А/)].
1=0
4. Определяют площадь Fi (с) по формуле
Л « А/ ( S [1 - a(i А/)] — 0,5 [1 - о(0)]|. (17)
( i«=Q J
93
Таблица 23. Расчет по методу площадей
и к Дх а (1 ДО to II ф ф 1 “to I + ф сч X (О -
Си CQ ф 1 О X
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 &х (0) а(0) 1-а (0) 0 1 1-а (0) 1 1-а (0)
Д/ Ьх (ДО а (ДО 1—а (ДО А/ 1-# • •
2Д/ Дх (2Д0 а (2ДО 1—а(2Д0 ,2Д/ F1 2 &t • •
5. Изменяют масштаб времени 0 (Z А/) — I А//Fi и заносят
значения в графу 5 табл. 23. *
6. В графу 6 записывают значение 1 — 0 (t A/). '
7. В графу 7 заносят величину (1 — о) (1 — 0), полученную
перемножением величин граф 4 и 6.
8. Подсчитывают сумму чисел графы 7, т. е. величину
S [1 -o(i А/)] (1 - 9(1 АО].
4==0
9. Определяют площадь (с2) по формуле
Fa»FiA4S [1 - o(i А0П1 - 0(i АО] - 0,5[1 - а(Ь)][. (18)
J
10. Рассчитывают и заносят в графу 8 величину 1 — 20 + 0а/2.
11. Заносят в графу 9 величину (1 — а) (1 — 20 + 0а/2), полу-
ченную перемножением граф 4 и 8.
12. Подсчитывают сумму чисел графы 9, т. е. величину
£[1 - <r(iAOJ [1 - 20(i АО4-
О
13. Определяют площадь F3, с3
( п
F3« F? М [1 - <з (i АО] [1-20 (i АО 4
— 0,5 [1 — а(0)]
02 (1 ДО
2
(19)
94
Обычно точность эксперимента не Позволяет использовать Fiy Fs
и др., поэтому останавливаются на определении F3.
fo,. 14. Определяют вид передаточной функции.
Если Ах (0) = 0 и х' (0) = 0 (рис. 23, а), то порядок числителя
в выражении (14), по крайней мере, на две единицы меньше порядка
знаменателя. В этом случае можно выбрать безразмерную переда*
точную функцию объекта простого вида:
№об (р) = 1/(а3Р3 + «гР2 + + 0. (2°)
где = Fi, а2 = F2y а3 = F3.
В некоторых случаях площадь F3 может оказаться отрицатель-
ной, что свидетельствует о необходимости увеличить порядок чис-
Рис. 23. Кривые разгона:
а — статический объект без запаз-
дывания, х* (0) = 0; б — то же, х'
(0) 4я 0; в — статический объект с
запаздыванием; г — астатический
объект с запаздыванием
лителя и уменьшить порядок знаменателя. Передаточная функция
объекта приобретает вид
^о’б(р) = (biP + 1)/(02Р2 + alP + 1). (21)
Коэффициенты а1г а2 и Ьг определяют из системы уравнений
й1 = Fi Ц- bi,
at — F2 + biFi,
0 = F3-\-biF3.
(22)
Если Ax (0) = 0, a x' (0) #= 0 (рис. 23, б), то передаточная функ-
ция имеет вид (21), а коэффициенты определяются из системы урав-
нений (22).
15. Если ОУ имеет запаздывание т (рис. 23, в), в течение которого
Ах не превышает 0,001 Ах (оо), то передаточная функция имеет вид
Wo6(p) = W'o6(p)e~pxko6. (23)
Передаточную функцию астатического ОУ определяют как раз-
ность двуЯ функций, соответствующих вспомогательным кривым 1
и 2, заменяющим кривую разгона (рис. 23, г):
№об (р) = [Л (р) - m (р)] Дх2 (oo)/Az/, (24)
95
где Ах = Ахх — Ах2, Ах2 соответствует вспомогательной кривой 2;
Axi = (tg a) t соответствует вспомогательной прямой 1
WJ(p) = . tg“ ;
' Дх2 (оо) р
W2 (р)—безразмерная передаточная функция, соответствующая
кривой 2, которую определяют как функцию W* (р) для статических
ОУ — уравнение (9); при этом и — Ах2/Ах2 (оо).
Если астатический ОУ имеет запаздывание (см. рис. 23, г), то
передаточную функцию определяют из выражения
Я70б (р) = [X (р) - W*2 (Р)] e~pxko6.
(25)
Применение ЭВМ для определения коэффициентов
дифференциального уравнения ОУ
Получение дифференциального уравнения, адекватно описывающего
статические и динамические свойства ОУ, является одной из наибо-
лее важных задач в создании автоматических систем управления.
Такая задача получила название задачи идентификации; в нее вхо-
дят:
а) определение структуры дифференциального уравнения;
б) определение коэффициентов уравнения.
Выбор структуры дифференциального уравнения зависит от об-
щей задачи управления, для решения которой используется это
уравнение. Для задач оптимального управления и проектирования
оптимального технологического процесса необходима полная нели-
нейная система уравнений, учитывающая свойства ОУ в широком
диапазоне изменения входных и выходных переменных во всей обла-
сти существования технологического процесса.
Для задач синтеза локальных автоматических систем регулиро-
вания целесообразно использовать (за исключением тех случаев,
когда уравнения объекта нельзя линеаризовать в области рабочих
значений выходных переменных) линейные дифференциальные урав-
нения. Это связано с тем, что разрабатываемая автоматическая си-
стема регулирования предназначена для поддержания некоторой
выбранной выходной величины в узком требуемом диапазоне изме-
нения.
Таким образом, ОУ можно в общем виде описать линейным урав-
нением n-ного порядка с запаздывающим аргументом:
апхп (f) + ап jx"-1 (ОН-k а^х (t) + аох (0 =
= btntf1 (t - т) + (Г- т) Н----h by' (t - т) + Ьоу (/ - т), (26)
где у, х — входная и выходная переменные; т — время запаздыва-
ния; at, bj — коэффициенты уравнения; i = (п ... 0); / = (т ... 0).
При заданной структуре уравнения, описывающего статические
и динамические свойства ОУ, задача состоит в определении коэффи-
циентов а,, Ь} и времени запаздывания т, обеспечивающих адекват-
ное описание свойств ОУ.
96
Введем понятие адекватности. Уравнение будет адекватно опи-
сывать статические и динамические свойства ОУ, если некоторая вы-
бранная мера близости будет иметь экстремальное значение.
При использовании для идентификации кривых разгона мерой
близости может быть функционал вида
Е = (хэ (t) — х (t))‘ dt min, (27)
о
где tp — время переходного процесса; х (/) — решение дифферен-
циального уравнения при у = const; I — показатель степени (обычно
I = 2); хэ (/) — кривая разгона, экспериментально полученная при
у — const.
Очевидно, что чем меньшее значение имеет функционал Е, тем
выбранное уравнение более адекватно (более точно) описывает стати-
ческие и динамические свойства ОУ.
Поскольку структура дифференциального уравнения задана
выражением (26), величина функционала Е зависит от значений
ait bj, т. В этом случае возникает следующая оптимизационная за-
дача (задача идентификации): определить такие значения аг, bj, т,
которые обеспечивают минимум функционала (27). Аналитические
методы решения этой задачи связаны со значительными математи-
ческими трудностями и не представляют особого интереса для ин-
женеров, специализирующихся в области проектирования автома-
тических систем регулирования. Ниже приведены численные методы
решения.
При использовании ЭВМ для определения коэффициентов диффе-
ренциального уравнения ОУ необходимо выполнить три взаимо-
связанные задачи:
1) решить дифференциальное уравнение (26);
2) сравнить расчетное и экспериментальное значения вы-
ходной величины х (t) и хэ (t) и вычислить критерий идентифика-
ции (27);
3) определить коэффициенты уравнения (26), обеспечивающие
минимум функционала (27).
Укрупненная структурная схема алгоритма решения всей за-
дачи идентификации показана на рис. 24. Рассмотрим несколько
подробнее содержание трех блоков этого алгоритма.
Решение дифференциальных уравнений
Для решения обыкновенного дифференциального уравнения (26)
необходимо знать значения выходной величины и ее производных
при некоторых значениях независимой переменной — времени t.
Если эти значения задаются при одном значении независимой пере-
менной t = 0, то они называются начальными условиями, а задача
решения уравнений — задачей Коши. Если же х задаются при двух
или более значениях независимой переменной t, то задача называется
краевой.
4 Глииков Г. M. и др. 87
В задаче Коши уравнение (26) перепишется в виде (коэффициент
fln = 1):
dX/dt = АХ + BY, (28)
где X — n-мерный вектор состояния (выходные величины), включа-
ющий х, х', х", А — (п хп)-мерная матрица коэффициен-
тов, имеющая вид
an-i ^п-2 dn-з • do
1 0 0 0
А = 0 1 0 0
0 0 0 1
Y — (т 4- 1)-мерный вектор входной величины, состоящий из у, у',
У"....
Рис. 24. Структурная схема^решення ^задачи^идентификации
уравнения ОУ
В — [п х (т 4- 1) 1-мерная матрица коэффициентов, имеющая вид
bm bm_i .. Ьо
00 ... о
00 ... о
Существует достаточно много методов численного решения за-
дачи Коши. Обычно численное решение получают, вычисляя сначала
значение производной в точке t0, а затем задавая малое приращение
времени h, переходят к новой точке tY ~ t0 4- h. Сам численный ме-
тод определяет порядок действий при переходе от одной точки кри-
вой к следующей.
Рассмотрим кратко две основные группы методов решения за-
дачи Коши:
1) одношаговые методы, в которых для нахождения следующей
точки решения х (/) требуется информация только от одной преды-
дущей точки (методы Эйлера, Рунге—Кутта);
98
2) методы прогноза и коррекции (многошаговые), в которых для
определения следующей точки решения х (t) требуется информация
более чем от одной из предыдущих точек (методы Милна, Адамса—
Башфорта).
При численных методах решения задачи Коши возникают по-
грешности, источниками которых служат:
1) погрешность округления, обусловленная ограничениями пред-
ставления чисел в используемой ЭВМ;
2) погрешность усечения, связанная с использованием конечного
аппроксимирующего ряда и не зависящая от характеристик ЭВМ;
3) погрешность распространения, являющаяся результатом на-
копления погрешностей предыдущих шагов решения.
В результате возникает так называемая глобальная ошибка —
разность между вычисленным и истинным значением величины на
каждом шаге решения.
При выборе метода численного решения необходимо помнить, что
глобальная ошибка не должна превышать погрешность, с которой
получены экспериментальные значения величины хэ при снятии
кривой разгона.
Одним из простейших численных одношаговых методов решения
задачи Коши является модифицированный метод Эйлера, заключаю-
щийся в использовании разложения функций х (/0 + h) в ряд Тей-
лора:
х(^ + й) = х(4) + /1х'(^4-_^х"(^о)+ ••• (29)
Отбросив при малом значении h члены более высокого порядка
малости, начиная с ft3, получаем некоторую аппроксимацию реше-
ния. При этом необходимо знать вторую производную х" (t0), кото-
рую в этом методе аппроксимируем конечной разностью
х" (t0) = Ьх'/Ы = 1х' (/0 + Л) — х' (t0) ]/h. (30)
Подставив выражение (30) в уравнение (29) и отбросив члены высо-
кого порядка малости, получим окончательное выражение для рас-
четов по модифицированному методу Эйлера.
Более высокая точность может быть достигнута если сохранить
большее число членов ряда Тейлора. Эта идея лежит в основе метода
Рунге—Кутта, который легко использовать для решения систем
дифференциальных уравнений (28) или эквивалентного им урав-
нения (26).
Для того, чтобы использовать в ряде Тейлора член с производ-
ной n-ного порядка, необходимо вычислить эту n-ную производную.
В модифицированном методе Эйлера для получения второй произ-
водной в конечно-разностной форме достаточно знать первую произ-
водную на концах интервала (30). Чтобы вычислить третью произ-
водную этим способом нужно знать значения второй производной
по крайней мере в двух точках. А для этого требуется определить
первую производную' в некоторой промежуточной точке интервала
h т. е. между хп и хп+1. Следовательно, чем выше порядок вычисляе-
мой производной, тем больше требуется дополнительных вычисле-
4* 99
ний внутри интервала. Метод Рунге—Кутта дает систему уравнений
для расчета координации внутренних точек. Приведем формулы для
расчета в случае, когда учитываются все члены, включая Л4. Это
метод четвертого порядка точности, для которого ошибка на шаге
имеет порядок Л6 (h < 1)
Хп+1 = хп 4“ (kg 4~ 2^2 4“ 2^2 4” kg)/6, (31)
где k0 = hf (tn, xn)-,
ki = hf(tn-[~h,xn + -^k0'y,
k2==hf(tn+±-h,xn + -t-kiy,
kg = hf (tn 4- h, xn 4- kg).
Формулы Рунге—Кутта (31) можно использовать для решения си-
стемы дифференциальных уравнений, или уравнения n-ного порядка.
В случае п = 2
(Px/dt* = f (х, у, х')
примем г — dx/dt. Тогда получим систему двух уравнений
dz/dt ~ f (х, у, г)’,
dx/dt = q (х, у, z) = z
с двумя начальными условиями х (t0) = х и z
Формулы Рунге—Кутта в этом случае имеют вид
*n+i = хп 4- k; zn+i = zn L, (32)
- L __ kg 4- 2^1 + 2kg + kg . J _ ^0 + 2Z-1 + 2Lg 4“ Lg .
где к-----------£ , ь — g ,
kg’=hg{tn,' xn, zn),
L0 = hf(tn, xn, zn),
ki — hg(tn-\--^-h, xn-y~^-k0, гп4~-2'Л>)>'
bi = hf (tn 4~ -^h, xn4--2"^o, +
kg = hg (tn 4- xn-i--^-k1, zn 4- bi^;
ba = hf (tn 4~ *2"h, xn 4~“2"klt zn 4~~2 Ь0;
= bg’ (tn 4- h, xn 4“ kg, zn 4- b2);
bg — hf (tn 4- h, xn 4- kg, zn 4- ba).
Методы прогноза и коррекции дают возможность сократить время
счета на ЭВМ. Они имеют одинаковые структуры алгоритмов, отли-
100
чающиеся лишь формулами. На рис. 25 представлена структурная
схема алгоритма этих методов для решения уравнения вида
х' (/) = / (х, t). (33)
Поскольку в этом случае используется информация о нескольких
ранее полученных точках, то приходится вычислять исходные дан-
ные с помощью одношагового метода (например, метод Рунге—Кутта)
Сначала по формуле прогноза и исходным значениям переменных
определяют Xn°+i.. Верхний индекс означает, что прогнозируемое
Рис. 25. Структурная схема алгоритма методов прогноза и коррекции
значение является одним из последовательности значений хп+1,
расположенных в порядке возрастания точности. Используя x^+i
и исходное дифференциальное уравнение, находим величину xV+i =
= / (tn+i, Xn°+i), по которой в формуле коррекции вычисляется уточ-
ненное значение xV+P, В свою очередь х^+Р используется для полу-
чения более точного значения производной (х^Р)'. Если получен-
ное значение недостаточно близко к предыдущему, то оно вводится
в формулу коррекции и итеративный процесс продолжается. В про-
тивном случае значение (xV+i0)' используется для вычисления
окончательного значения хп+1 и делается следующий шаг, в котором
вычисляется хп+2.
101
При получении формул прогноза и коррекции решение дифферен-
циального уравнения рассматривается как процесс приближенного
интегрирования. В рассматриваемом случае
*п+к
x(tn+k)-x(tn)= J f(x, t)dt. (34)
Непосредственное вычисление интеграла в выражении (34) не-
возможно и необходимо с помощью одного из конечно-разностных
методов найти его приближенное значение. Выбор такого метода и
будет определять метод решения дифференциальных уравнений.
На этапе прогноза можно использовать любую формулу числен-
ного интегрирования, если в нее не входит предварительное значе-
ние х Одним из наиболее простых и устойчивых методов Яв-
ляется метод Хэмминга, при котором используются следующие фор-
мулы прогноза
xn+j = хп_3 +/г (2х„ — x;_i + 2х;_2) +-Ц/г6х„ (35)
и коррекции
x„+i = (9х„ — х„_2) + З/г (x;+i + 2х'Л - х^.) + hsxsn. (36)
Следует иметь в виду, что использование методов прогноза и
коррекции предъявляет повышенные требования к объему и памяти
ЭВМ, но эти методы требуют вдвое меньше машинного времени, чем
методыУРунге—Кутта при сравнимой точности.
Более подробные сведения о численных методах решения диффе-
ренциальных уравнений можно почерпнуть из литературы.
Вычисление критерия идентификации
Необходимость вычисления критерия идентификации определяется
используемыми методами. Имеется группа методов, называемых
прямыми, в которых используются вычисляемые значения непосред-
ственно критерия идентификации. В другой группе методов, назы-
ваемых градиентными, используются значения градиентов критерия
идентификации. Поэтому вопрос о вычислении критерия идентифи-
кации будем рассматривать непосредственно при описании структур-
ной схемы алгоритмов определения коэффициентов уравнения (26).
Определение коэффициентов уравнений.
Задача нахождения коэффициентов дифференциального уравне-
ния (26), описывающего поведение изучаемого объекта управления,
в случае численного интегрирования этого уравнения, как это ука-
зывалось выше, относится к классу задач нелинейного программи-
рования.
Задача идентификации — это оптимизационная задача, в которой
изменяемыми переменными являются коэффициенты интегрируемого
уравнения. Существует достаточно много численных методов реше-
юа
4
йий этих задач. Рассмотрим kpafkyid характеристику некоторых из
них, наиболее часто используемых на практике.
Метод переменной метрики. Метод Дэвидсона—
Флетчера—Пауэла, иначе называемый методом переменной метрики,
предназначен для нахождения безусловного минимума целевой функ-
ции (критерия оптимальности) многих переменных F (а1У а2, ..., an),
где at в случае решения задачи
циентами уравнения объекта
управления.
На рис. 26 представлена
структурная схема алгоритма
этого метода, работа которого
выполняется следующим обра-
зом. Сначала в пространстве
переменных (коэффициентов)
выбирают некоторую началь-
ную точку. Затем вычисляют
составляющие вектора гра-
диента п
Vi (k) — , п - п -.211/2 ’
b=iL/=i J J
i = l,2......n (37)
и определяют направление по-
иска. Здесь k — номер итера-
ции; Hitj — элементы симмет-
ричной положительно опреде-
ленной матрицы размерности
(п х«)-
идентификации являются коэффи-
Рис. 26. Структурная схема алгоритма метода
переменной матрицы
В процессе итерации эта матрица превращается в матрицу, об-
ратную матрице вторых частных производных целевой функции.
Поскольку обычно матрица априори не известна, то в качестве на-
чального приближения можно использовать любую симметричную
положительно определенную матрицу, например, единичную. В по-
следнем случае поиск начинается вдоль линии наискорейшего спуска.
Одномерный поиск ведется вдоль исходного направления в соответ-
ствии с соотношением
at (k 4- 1) = (k) 4- svt (k), i=l.. .n, (38)
где s — величина шага в направлении поиска. Найдя одномерный
оптимум, проверяют результат на сходимость и, если она достигнута,
поиск прекращают. Если нет, то для дальнейшего поиска выбирают
новое направление, причем используют прежнее соотношение и
новую матрицу Н, вычисляемую следующим образом:
Н (k + 1) = Н (k) + A (k) — В (k). (39)
103
Матрицы A (k) и В (k) имеют размерность (п х«) и равны
A (k) = AaW (&a(k))T
у (Да(й))7'ДО(й) ’
в (k} _ Н (k) &G ЩЬО (k))T И (k) .
V 7 (AG (k))T H (k) ДО (k)
&a (k) — a (k 4- 1) — a (k)\
_ dF(k + 1) dF(k)
да da *
Индекс T — означает транспонирование.
Определив новое направление, проводят одномерный поиск и
продолжают итеративный процесс. При выполнении описываемого
алгоритма поиск после первой попытки ведется в тех направлениях,
где целевая функция в ближайшей окрестности имеет значения, при-
ближающиеся к оптимальному. Этот метод является одним из наи-
более эффективных градиентных методов. Однако требует достаточно
большого объема памяти ЭВМ и большого времени счета для обра-
ботки матрицы вторых частных производных.
Метод Розенброка. Широкое распространение полу-
чили также прямые методы, которые позволяют вычислить непо-
средственно целевую функцию F. Рассмотрим один из наиболее ши-
роко применяемых прямых методов — метод Розенброка.
В последовательности вычислений F (а2) и F (а2) необходимо
определить направление и величину F(ax -j-AnJ. Здесь ах и а2—
векторы варьируемых переменных. Величины вектора Дах и его на-
правление определяются в методе Розенброка из следующих сообра-
жений. В памяти ЭВМ хранятся совокупности п ортогональных
единичных векторов их, »2, ..., vn(vt = (п1( ..., vn) и совокупность
отрезков lt, ..., /п, которые могут быть положительными или отри-
цательными. Последовательность изменения а следующая: 1^,
, lnvn- После каждого вычисления F новое значение F (а-\-
4- Да) сравнивается с наилучшим значением Fo, полученным до этого.
Если F (а 4- Да)^ Fo, то решение переносится к точке а4-Д«,
а величины Fo на F (а 4- Да). В случае Fo > F (а 4- Да), то текущая
точка а и величина Fo сохраняют свои исходные значения. После
каждого вычисления F проводится изменение соответствующего I.
При этом в описываемом методе при F (а 4- Да) Fo величина I
утраивается, в противном случае величина I умножается на —1/2.
Значения 3 и —1/2 выбраны экспериментально. _
Этот процесс продолжается до тех пор, пока в направлении Vi
не будет сделан успешный шаг, за которым последует неудача для
каждого Z. После этого оси К — V;” заменяются новым рядом V)2'
ортогональных единичных векторов, получаемых по следующей
схеме.
104
Пусть аг равно сумме всех Ц до того момента, как оси повернуты
последний раз.
Тогда V}2’ вычисляются из следующих уравнений:
а\ — aiVP —f— ... —f— <xnVn\
«2 = -f- • • • -f- otnVn \
an =
Pi —
Vi2> = Р1/ЙР1Ц;
p2 = a2-(aIVHvr;
(40)
Р„ = ап-Е(йГгР))Я2);
И2)==ММ;
||PII = /2>.
arV = S “A-
Индекс T означает транспонирование.
В этих уравнениях ах — вектор, отображающий суммарный шаг,
сделанный пдсле того, как оси повернуты последний раз: У}2) — еди-
ничный вектор, параллельный В случае нескольких переменных
вторая ось перпендикулярна первой, последняя — всем другим.
Система уравнений (40) решается последовательно. Алгоритм
метода Розенброка представлен на рис. 27. Необходимо отметить,
что проверка Fo должна выполняться в конце каждого успеш-
ного суммарного шага.
Таким образом, решение задачи определения коэффициентов диф-
ференциального уравнения, описывающего объект управления, сво-
дится к необходимости создания трех алгоритмов:
1) численного решения дифференциального уравнения (рассма-
тривались методы Рунге—Кутта и прогноза и коррекции);
2) вычисления критерия идентификации (алгоритм вычислений
не представляет сложностей и связан с видом критерия);
3) решения оптимизационной задачи нахождения коэффициентов
уравнения, являющейся задачей нелинейного программирования —
рассмотрены методы переменной метрики (градиентный метод) и ме-
тод Розенброка (прямой метод).
105
Рис. 27. Структурная схема алгоритма
метода Розенброка
106
Экспериментальное определение
динамических характеристик ОУ
Активны е методы
При определении динамических характеристик ОУ активными мето-
дами на практике используют три вида входных (возмущающих)
воздействий:
1) ступенчатое изменение входной величины при снятии кривых
разгона;
2) импульсное изменение входной величины при снятии импульс-
ных кривых разгона; 3) периодические изменения входной величины
при получении частных характеристик.
Подготовка эксперимента заключается в выборе входной и вы-
ходной величин, а также выборе и подключении прибора для записи
выходной величины. Прибор дол-
жен быть снабжен ленточной диа-
граммой, скорость движения ко-
торой позволяет различать малые
интервалы времени. Постоянная
времени прибора должна быть, по
крайней мере, в 10 раз меньше йо-
стоянной времени объекта. При
отсутствии такого прибора пока-
зания отсчитывают по стрелке при-
бора, определяя интервал времени
по секундомеру.
При измерении быстроменя-
ющихся величин (температуры
пламени, давления, расхода) ре-
комендуется использовать безы-
нерционные методы измерения,
а в качестве регистрирующего
прибора — шлейфовый осцилло-
граф.
Экспериментальное определе-
ние кривой разгона заключается
в мгновенном ступенчатом измене-
нии у на величину Ду достаточную
для получения ощутимого измене-
ния х. Если изменить у мгновенно
невозможно, то осуществляют это
изменение с максимально возмож-
ной скоростью, управляя регули-
рующим органом при помощи ис-
полнительного механизма вруч-
ную. При инерционных объектах,
распространенных в’металлургии,
такое изменение у практически
не сказывается на кривой разгона.
Перёд началом изменений у объект Должен находиться в уста-
новившемся состоянии. Величина возмущения должна составлять
5—15 % максимального значения входной величины. Большие воз-
мущения нецелесообразны, так как приводят к увеличению влия-
ния возможной нелинейности объекта.
При снятии кривой разгона может оказаться, что регулируемая
Величина уходит за допустимые по условиям эксплуатации пределы.
В этом случае следует при приближении выходной величины х к гра-
Рнс. 28. Построение кривой разгона по импульсной кривой разгона
нице допустимых значений снять возмущение, т. е. вернуть вели-
чину у к первоначальному значению, а регистрацию значения вы-
ходной величины х продолжать до ее стабилизации.
Полученную при этом импульсную кривую разгона можно легко
перестроить в обычную кривую разгона. Для этого импульсную кри-
вую разгона (рис. 28) разбивают на участки А/, равные продолжи-
тельности импульса ta. На участке Д^ ход импульсной кривой сов-
падает с ходом обычной кривой разгона. На участке Д/2 ординаты
импульсной кривой представляют собой разность ординат обычной
кривой разгона и соответствующих им по времени ординат импульс-
ной кривой на участке Суммируя соответствующие ординаты
первого и второго участков, получают искомые ординаты обычной
кривой разгона для участка Д/2, затем их прибавляют к соответст-
вующим ординатам третьего участка Д/8 и так до тех пор, пока не
будет достигнуто установившееся состояние.
Для точного экспериментального определения частотных харак-
теристик нужно обеспечить гармоническое изменение входной ве-
107
личины; это можно йыполйиТь, используя специальную аппаратуру.
Однако нахождение частотных характеристик инерционных метал-
лургических ОУ, как правило, можно проводить без специальной
аппаратуры. На вход объекта путем перестановки регулирующего
органа подаются периодические колебания прямоугольной, трапе-
цеидальной или треугольной формы (рис. 29). После появления
установившихся колебаний выходной величины (через два-три пе-
Рис. 29. Гармонический анализ входной
величины при колебаниях:
а — прямоугольных; б — трапецеидаль-
ных; в — треугольных
Рис. 30. Гармонический анализ выходной
величины методом 12 ординат
риода) определяют изменение по показаниям стрелки прибора или
по диаграммной ленте.
Чтобы получить АФХ объекта, следует провести эксперименты
для 8—10 значений периода колебаний входной величины Tt так,
чтобы сдвиг по фазе находился в пределах угла от 0 до —Зл/2.
Для каждого эксперимента выделяют первые гармоники разло-
жения в ряд Фурье у (t) и х (/) и угол сдвига по фазе выходных коле-
баний относительно входных <pi ВЫх (®<):
x(t) = A1BbIxsin (yp + <PiBbIx)- (41)
Для прямоугольных колебаний (рис. 29, а)
Авх = 4Авх/л. (42)
Для трапецеидальных колебаний (рис. 29, б)
41BX = -^-sina, (43)
где а = 2л М/Т.
108
Для треугольных колебаний (рис. 29, в)
Л1Вх = 0,8ЛВх. (44)
Амплитуду первой гармоники выходных колебаний ВЫх и сдвиг
по фазе первой гармоники выходных колебаний относительно вход-
ных <Pi вых находят по формулам
Л1ВЫХ = /ИГ+^; (45)
cPiBMX = arctgQ1/61, (46)
аг и Ьх определяют по методу «двенадцати ординат», измеряя значе-
ния xlt х2, хя, ..., х12 на графике изменения выходной величины
(рис. 30):
ai — ~q~ *о — хв 4
(*1 ” ХЬ — х1 4" *11) ~Ь ~2~ (*2 — *4 — *8 4" *io)]l
(47)
^1 — ~ (*з х» Н----2— (*а 4" хь — хв — хю) 4" ~2~ (*1 4" *5 ~ *7 — *n) j •
(48)
АФХ объекта на частоте о»! = 2л/Т\ имеет модуль А (&х) =
= Л1ВЫХЛ41ВХ и фазовый, сдвиг <р (со^ = <р1вых.
После обработки опытных данных строят по точкам эксперимен-
тальную АФХ ОУ.
По экспериментальной АФХ возможно определить параметры
ОУ Тоб, Тоб, k06 при аппроксимации
статического ОУ простейшим стати-
ческим объектом с запаздыванием (9).
Для вычисления указанных пара-
метров на комплексной плоскости
необходимо достроить АФХ про-
стейшего объекта без запаздыва-
ния (рис. 31), т. е. для статического
объекта-АФХ апериодического звена
1-го порядка.
Численные'значения параметров
определяются соотношениями:
feo6 = ^o6(0); Тоб == Фом i/®ii
7’об = СёФоб;)/“г- (49)
Рис. 31. Определение характеристик
ОУ по экспериментальным АФХ
Вычисления по формулам (49) производятся для нескольких значе-
ний частоты и затем усредняются.
Пассивные методы
Из-за сложности металлургических процессов и весьма ограничен-
ных возможностей определения их динамических характеристик
путем детерминированных воздействий часто целесообразно приме-
нять статистические методы, в которых используются значения вход-
ных и выходных величин, полученные в условиях нормальной экс-
109
плуатации ОУ. Пусть объект описывается дифференциальным урав-
нением
х<л> (0 + ап_1Х<л-1> (0 + ... 4- aix' (t) + (Ы (0 —
“ ьту^ (0 + Ьт^у^ (0 4* • • • 4* btf (t) + bQy (t).
Умножим обе части уравнения на у (t 4- т) и найдем математическое
ожидание для обеих частей полученного выражения. Используя
центрированность и стационарность х (0 и у (0 и учитывая линей-
ность операции дифференцирования и свойство перестановочности
математического ожидания (производная математического ожидания
равна математическому ожиданию производной), а также, что мате-
матическое ожидание произведения у (0 у (t 4- т) и х (0 у (t 4- т)
представляют собой соответственно автокорреляционную Ryy (т)
и взаимнокорреляционную Rxy (т) функции, получим
dn dn~l d
Rxy С0 4- fln-1 ^(n-1) Rxy (T) 4* • • • + а1 '2Г Rxy (T) 4-
dm d
+ aoRxy (t) = bm Ryy (T) + ... 4- bl A Ryy (t) 4- b0Ryy (r). (50)
ul
Если вместо Ryy (т) в уравнение (50) подставить оценку этой
функции Ryy (т), полученную по экспериментальным данным в ус-
ловиях нормальной эксплуатации и ввести критерий близости рас-
четной взаимнокорреляционной функции Rxy (т) к ее оценке Rxy (т),
полученной также по данным в условиях нормальной эксплуатации
в виде
оо
Е = J lRxy (т) - R?xy (x)]‘dt, I > 1, (51)
Q
то возникает следующая оптимизационная задача идентификации:
необходимо найти коэффициенты уравнения (50) ait bj (i, j =
= n ... 0), обеспечивающие минимум функционала (51).
Алгоритм решения этой задачи был достаточно подробно рассмо-
трен выше (см. с. 97—102).
Таким образом, на практике необходимо получить данные нор-
мальной эксплуатаций ОУ, которые используются для нахождения
авто- и взаимнокорреляционных функций. Как правило, для полу-
чения этих данных используются диаграммы записи входных и вы-
ходных сигналов.
Ниже приведены выражения для вычисления приближенной
оценки корреляционной функции случайного процесса х (0 по его
реализации:
т
Rx (т) « Rx (т) = -L J х (0 x(t + т) dt. (52)
О
110
В случае дискретных измерений сигнала х (О или его квантовании
по времени можно использовать следующее выражение:
N—k
£»(v) » "лГ^Г+tS *(v)x(v + ^’ (53)
v=О
где t = &А; т = vA; Т — N&. В этом случае необходимо правильно
выбрать величину интервала наблюдения Т, интервала дискретности
А и максимально допустимого значения т = ттах или k = km^.
В силу конечности интервала наблюдения Т вычисляемая корре-
ляционная функция Rx (т) является случайной. Поэтому в качестве
меры близости оценки корреляционной функции Rx (т) к истинной
Rx (т) выбираем дисперсию функции Rx (т)
о2(т) = Л4^я(т)-7?я(т)}2.
Из теории случайных процессов известно, что
т
& W=-г J (1 - -г)<0) - R W]2 d9’ <54)
о
где 9 — новое обозначение времени сдвига между значениями пе-
ременных; z = х (t + т) х (f). Однако использование выражения (54)
в общем случае достаточно сложно, так как для этого надо знать
момент Rz (0) четвертого порядка случайного процесса х (/).
Оценим ошибку о2 (0) в определении начальной координаты
Rx (0) корреляционной функции. При т = 0 уравнение (54) при-
мет вид
т
о2 (0) = A J , (1 - A) [Rz (0) - R (O)]2d0.
о
Очень часто, корреляционную функцию можно представить
в виде
Rx (т) = Се~а 1 т I cos р-г. (55)
Тогда выражение Rz (т) примет вид
Rz (т) = С2 (1 4- е-2“ Iт I е~2“ ।т i cos рт). (56)
Подставляя выражение (56) в уравнение (55) и пренебрегая чле-
нами, содержащими 1/Т2, получим
’’0)=-?-(4-+^tf)-
Если принять достаточное для промышленных систем требова-
ние о2 (0) < 0,05/?2 (0) и учесть, что R (0) = С, то получим для
оценки величины интервала наблюдения следующее выражение
7'Э=20(^Ьг + 4-)- (57)
111
Для начальной (грубой) оценки о2 (0) достаточно предположить,
что (т) = е~21 т 1 “, тогда
Т > 40/а. (58)
Если считать, что распределение вероятностей стационарной слу-
чайной функции выражается нормальным законом Гаусса, то можно
оценить ошибку в определении произвольной ординаты корреляци-
онной функции. Это очень важный частный случай, так как во мно-
гих реальных задачах распределения вероятностей стационарных
случайных функций близко к нормальному. Выразим Rz (0) через
корреляционную функцию х (/) следующим образом:
Я2(0) = М [z(t + 0) z (/)] = Я2(т) + Я2 (0) + R (0 + т) /?(0 -т),
(59)
Подставляя выражение (59) в уравнение (54), получим
т
°2 i j (т -0) (0) - Я (0+*) Я (0 -*))d0- (60)
о
Используя это выражение, можно, задаваясь корреляционной
функцией, полученной на основе опыта статистической обработки
аналогичных процессов, и исходя из заданного значения средне-
квадратичной ошибки, выбрать значение величины Т. В случае,
когда корреляционная функция имеет вид (56), получим
!4+ + И₽г(2т +
+ ~+ аа +01 ) +slnaPT(-p «* + 0* )]}’
Из этого выражения видно, что при т —оо имеем
inn а2 (т) = (— + а2 +р2 ) •
Верхняя оценка для среднеквадратичной ошибки получается
при т = 0.
Выбор интервала дискретности А имеет существенное значение
для успешного вычисления корреляционных функций, так как
слишком малый интервал дискретности увеличивает объем вычисле-
ний, а большой уменьшает точность вычислений. Для того, чтобы
использовать максимальное количество информации, заключенное
в реализации процесса х (/) заданной продолжительности Т, интер-
вал дискретности А необходимо выбирать на основе теоремы Котель-
никова, т. е.
А с л/о)о,
где и0 — ожидаемая наивысшая частота спектральной плотности.
На основании одной реализации вычисленные значения Rs (т)
можно определить лишь с некоторым разбросом относительно дей-
112
ствительных значений корреляционной функции. Для сигналов
с нормальным законом распределения дисперсия в оценке корреля-
ционной функции определяется следующим выражением
О2 (т) = М {[/?х (т) - Rx (т)]2} = j № (К) dX,
(61)
—оо
где X — новое обозначение времени сдвига между значениями пе-
ременных.
Как видно из уравнения (61), дисперсия в оценке корреляционной
функции существенно зависит от величины т и растет с ее увеличе-
нием. Поэтому достоверные сведения о корреляционной функции
Rx (т) можно получить при т, отличающихся от величины Т не
менее, чем на порядок, т. е. ттах с 0,1 Т.
Первоначальную грубую оценку величин ттах, Т и А можно по-
лучить из диапазона частот, который представляет интерес при
работе систем. Пусть низшая частота равна <он, тогда
^тах 2л/(0н
71 5- Юттах
А < л/и0
(62)
В ряде случаев для того, чтобы сгладить вид авто- и взаимно-
корреляционной функции, производится аппроксимация резуль-
татов их расчета на ЭВМ некоторым математическим выражением
из определенного класса функций, например, полиномами или
экспоненциальной зависимостью. Аппроксимация проводится из
условия некоторого критерия близости
B==j [Д(т)— /?э (t)]z d/-> min, l> 1.
При этом для решения задачи используются алгоритмы, описанные
ранее, например, алгоритмы метода Розенброка (см. с. 104—105).
Выбор аппроксимирующих выражений можно существенно об-
легчить, пользуясь табл. 24. Построив графики корреляционных
функций, подбираем из табл. 24 наиболее подходящую аппрокси-
мацию.
Иногда удобнее вводить в рассмотрение нормированные корреля-
ционные функции:
гуу (’г) — Ryy (г)/Ryy (6)>
Гху (г) - Rxy Rxx (0) Ryy (0),
где Ryy (0) и RXy (0) получаются при т = 0. Максимальное значе-
ние нормированных функций равно 1.
из
Таблица 24. Аппроксимация корреляционных функций
Графическое изображение
Аналитическое выражение
I. Автокорреляционная функция
II. Взаимнокорреляционная функция
t
RxB W =
Be т^О
Веа\ т<0
(₽>0)
Rxy (т) =
2 ВьтЛе-РЛ т=э=0
fe=o
Вое“\ т < 0; ₽ > О
Д14
МродоляСёние табл. 24
Графическое изображение
Аналитическое выражение
(В cos ут + С sin ут) е
Веа\ т<0(в, у>0)
(В + С esin ут) ₽т, т > О
Ве“т, т<0(₽, у>0)
( (В cos ут + D sin ут) е т О
*\ху (т) = I
I (В cos сот + С sin сот) еа\ т О
Rxy СО —
(В + В2т) е “т, т О
(В + Bit)еа\ т<0
В
^^^ К+Д-вГ? (1+Вз)
№) =
115
(63)
(64)
Очень часто исйолЬзуюТся нормированный корреляционные функ-
ции не для самых случайных величин х и у, а для их отклонений
от средних значений Мх и Му:
N—k
— fe+ i ' У, (У (?) ~ Л1!/) (У (v + к) - Му)
Г (’т) =__________________________________
УУ' ' М(у — Му)2
И
N-k
_[_ ! У (У (v) — Му) (х (v + k) — Мх)
Гху (Т) = ----_2ZO======------------------
J УМ (у — Му)* М (х - Мх)2 ’
где М (у — Му)2 и М (х — Мх)2 — дисперсии входной и выход-
ной величин.
Таким образом, для определения коэффициентов уравнения объ-
екта управления необходимо решить следующие задачи:
1. Вычислить по данным, полученным в условиях нормальной
эксплуатации, авто- и взаимнокорреляционные функции Ryy'fy) и
Rxy (т) или нормированные корреляционные функции гуу (т) и
гху (т).
2. Применяя один из численных методов решения оптимиза-
ционных задач (например, метод Розенброка), найти коэффициенты,
аппроксимирующие выражения авто- и взаимнокорреляционных
функций. Для выбора уравнений целесообразно пользоваться
табл. 24.
3. Используя полученные аппроксимирующие уравнения авто-
и взаимнокорреляционных функций, решить задачу определения
коэффициентов уравнения (50).
§ 4. Расчет локальных автоматических систем управления
Инженерные методы выбора и расчета регуляторов
Если принять в процессе регулирования заданное значение выход-
ной величины объекта (регулируемой величины) за начало отсчета
х0 = 0, то значение регулируемой величины х численно равно (и
обратно по знаку) отклонению регулируемой величины от задан-
ного значения е = х0 — х = —х.
Для характеристики переходных процессов в автоматических
системах управления применяют показатели качества (рис. 32):
1) динамическое отклонение хТ ед. регулир. величины;
2) время регулирования tp, с;
3) статическую ошибку (остаточное отклонение в установив-
шемся состоянии) хСт> ед. регулир. величины;
4) перерегулирование г] = x2/xi,
5) степень колебательности т = а/со (а и и — вещественная
и мнимая части корней характеристического уравнения замкну-
той системы, наиболее близко расположенных к мнимой оси);
116
6) показатель колебательности М, характеризующий максимум
амплитудной частотной характеристики замкнутой системы управ-
ления;
7) квадратичный интегральный критерий качества
00
Z=Jx2d/, (65)
о
характеризующий суммарную площадь, ограниченную кривой пе-
реходного процесса.
Допустимые значения показателей качества процесса регулиро-
вания определяются технологическими процессами в объектах уп-
равления.
Рнс. 32. Типовые переходные процессы в АСР:
а — апериодический с минимальным временем регулирования; б — с 20 %-ным
оо
перерегулированием; в — с min х2 dt
В зависимости от технологических требований и характера воз-
мущений наилучшими могут быть признаны различные переходные
процессы. Обычно можно выбрать один из типовых процессов ре-
гулирования (см. рис. 32).
Апериодический процесс применяют в тех случаях, когда пере-
регулирование не допускается, требуется минимальное время регу-
лирования, а динамическое отклонение хх может быть довольно
большим.
Процесс с 20 %-ным перерегулированием целесообразен, когда
допускают перерегулирование, но предъявляют более жесткие тре-
бования к динамическому отклонению регулируемой величины.
оо
Процесс с min j х2 dt характеризуется наибольшим перерегули-
о
рованием (40—45 %) и временем регулирования, но наименьшей
величиной динамического отклонения.
Для выбора регулятора необходимо знать:
1) параметры ОУ —ko6, Т'об, тоб (ОУ обязательно аппроксими-
руется простейшим статическим или астатическим объектом с за-
паздыванием), определяемые по кривой разгона, если коэффициент
передачи объекта изменяется в пределах обычных эксплуатационных
режимов, то следует брать наибольшее значение по статической
характеристике;
2) максимальное допустимое динамическое отклонение xf, ед. ре-
гул ир. величины;
117
3) допустимое иЛи желаёмое перерегуЛи{эдйаиие (выбрать оДйй
из типовых переходных процессов);
4) допустимое остаточное отклонение х?т, ед. регулир. вели-
чины;
5) допустимое время регулирования /р, с;
6) максимально возможные значения возмущения Аг/, % хода
регулир. органа.
Допустимые значения параметров определяются технологиче-
ским процессом и с некоторым приближением могут быть взяты по
данным, приведенным в приложении.
Тип регулятора можно ориентировочно выбрать’по величине
отношения Тоб/Тоб
тоб/Тоб...................... <0.2 <1,0 >1,0
Тип регулятора ..............Релейный Непрерывный Импульсный или
непрерывный
Идеальные регуляторы непрерывного действия имеют следую-
щие передаточные функции и настройки:
П-регулятор
= ' (66)
И-регулятор
Vn(p) = 6pl/p; (67)
ПИ-регулятор
^пи(Р) = Ц1+ (68)
ПИД-регулятор
^пид (Р) = h (1+ + ТлР) • (69)
В формулах (66)—(69): fep—коэффициент передачи, % хода
регулир. органа/ед. регулир. величины; fepl —то же, % хода регу-
лир. органа/ед. регулир. величины-с; Ти—время изодрома, с;
Тд — постоянная дифференцирования (время предварения), с.
Выходная величина регулятора — ход исполнительного меха-
низма равна обычно входной величине ОУ — ходу регулирующего
органа, поэтому величины fep и fepl измеряются в % хода регулир.
органа.
Для получения допустимых значений xf, х?т при регуляторах
непрерывного действия необходимо выбрать закон управления,
используя следующую методику. Рассчитывают динамический ко-
эффициент регулирования:
для статических объектов
Яд = x?/k06Ay, * (70)
для астатических объектов
Яд = (х?Тоб)/товАг/. (71)
118
По графикам, приведенным на рис. 33, и по табл. 25 выбирают
простейший регулятор (закон управления), обеспечивающий зна-
чение /?д ниже расчетного (И-регуляторы на астатических объектах
не применяют). Затем проверяют по графикам, приведенным на
рис. 34, для статических ОУ и по табл. 25 для астатических ОУ,
обеспечит ли выбранный регулятор допустимое время регулирова-
ния /р; если не обеспечивает, то выбирают более сложный закон
Ц1 0,5 1,0 1,5 0,1 0,5 1,0 1,5 0,1 0,5 1,0
Рис. 33. Динамические коэффициенты регулирования на статических объектах при процессах
а — апериодическом; б — с 20 %-ным перерегулированием; в — с min Jх* dt\ 1 — И-ре-
гулятор; 2 — П-регулятор; 3 — ПИ-регулятор; 4 — ПИД-регулятор
управления. Статическую ошибку, если выбран П-регулятор, на-
ходят по рис. 35 и если она больше допустимой х?т, то вместо П-ре-
гулятора выбирают ПИ-регулятор.
В некоторых случаях можно не определять заранее желатель-
ный вид переходного процесса, а задаваться только допустимыми
значениями xf, х?т, Тогда по графикам (см. рис. 33) выбирают
такой переходный процесс, который возможен при применении
наиболее простого закона управления. Например, если при хоб/То0 =
Таблица 25. Динамический коэффициент и относительное
время tp/тоб регулирования (астатические объекты)
прн типовом процессе регулирования fp/^об ПРИ типовом процессе регулирования
Регуля- тор (за- кон уп- равления) апери-* 1 одиче- ском с 20 %-ным перерегули- рованием с min Jх* dt апери- одическом с 20 %-иым перерегули- рованием с min J xs di
п пи ПИД 2,9 1,4 1,3 1,4 1,3 1,1 0,9 0,8 6 14 9 8 16 12 18 13
119
= 0,6 величина /?я = 0,8, то выбирают переходный процесс с 20 %-
ным перерегулированием (см. рис. 33, б); этот процесс получается
при использовании И-регулятора. Остальные расчеты проводятся
для процесса с 20 %-ным перерегулированием.
Расчет автоматических систем управления с серийными регуля-
торами заключается в определении настроек регуляторов (коэф-
Рис. 34. Время регулирова-
ния на статических объек-
т ах (пояснения см. на
рис. 33)
фициентов уравнений), обеспечивающих заданное или оптимальное
качество переходного процесса.
При инженерных методах выбора и расчета регулятора прибли-
женные значения настроек
1,0
т>
0,8
V
$
5?^
3 о/,
V
%
41
Щ 0,2 0,3 0,0 0,5 0,6 Ц7 ф 0,9 1,0
1-иб/Тоб
Рис. 35. Определение статической
ошибки на статическом объекте при
процессах:
1 — апериодическом; 2 — с 20 %-
ным перерегулированием; 3 — с
mln J x*dt
для обеспечения типовых переходных
процессов (см. рис. 32) можно полу-
чить по формулам, приведенным
в табл. 26.
Недостатками инженерного метода
расчета регуляторов является следу-
ющее: 1) нельзя использовать для рас-
чета иные передаточные функции ОУ
кроме (8) и (9); 2) невозможно получить
иные переходные процессы кроме ти-
повых .
Расчет регуляторов на заданное
значение показателя колебательности
Более точно настройки непрерывных
регуляторов можно рассчитать графо-
аналитическим способом по АФХ объек-
та на заданное значение показателя
колебательности М. Значение М обычно
120
Таблица 26. Формулы для определения настроек регуляторов
Типовой переходный процесс
Регу- лятор апериодический с 20 %-ным перерегу- лированием с min J х8 dt
и п пи ПИД п пи Cmamt k 1 шеские объекты k 1 k 1
vL 4,5^6706 k - °-3 pi 1,7Л0бТ0б k °'7 Яр1 1,7ЛобТоб k °'9
p ^обТоб/Г об k _ °-6 р ^обТоб/7 об k - °’7 ’ Р ^об^об/^1 об k Ь° .
p ^обтоб/7 об 7И = О.бТоб t 0,95 р ^обТоб/7 об Ти = 0,7Тоб k L2 р ^обТоб/Г об 7И = ТОб k 1Л •
1 £ О ’’У” о О § ° « ь? о 4? о 'о Ъ сч ° н ° " 11 s « 11 1 СЦ е Р ^Об/Г об " 2,0toq; Тд — 0,4тоб ические объекты , °-7 Р Тоб/Тоб k °’7 ' koffiotilT об Ти = 1,3тоб» 71 д == 0,5Тоб к - *
Р ’ Тоб/Гоб ’ = бТоб t 0,6 р т0б/70б ’ 7И = Зтоб Р Тоб/7 об 7И = 4тОб Ь 1>4
ПИД о р II II л » X Б-. а к 'я 04 о J II II S ~ ! ь? а е ? II II Н •°-:i g о S
выбирают в пределах 1,1—2,4. Для типовых переходных процессов
приближенно Л4 = 1,3 при 20 %-ном перерегулировании и Л4 = 2,1
при процессе с min j х2 dt.
Метод расчета основан на том факте, что АФХ разомкнутой си-
стемы управления W (/со) — ИГоб (/со) №р (/со) должна касаться на
комплексной плоскости окружности с заданным индексом М. Ра-
диус окружности г = М1(М2—1,) а ее центр лежит на отрицатель-
ной вещественной полуоси и отстоит от начала координат на рас-
стояние R = М2/(М2 — 1).
Методика определения коэффициентов настроек регуляторов
состоит в следующем.
П-регулятор. Строят (рис. 36, а) АФХ разомкнутой
системы с П-регулятором, коэффициент передачи которого равен
единице W (jat) = 1Гоб (/’со) (/со) (характеристика совпадает
с АФХ объекта, но не имеет размерности). Из начала координат под
углом р = arcsin 1/М к отрицательной вещественной полуоси про-
121
водят луч. Циркулем проводят окружность с центром на веществен-
ной отрицательной полуоси, касающуюся одновременно построен-
ной АФХ и луча, и измеряют радиус окружности г:
М 1
М2 — 1 г
(72)
Часто расчет проводят для значения М = 1,62 (т] « 34 %),
тогда
kp = 1/r; р = arcsin 1/М = 38°. (73)
П-регулятора определяют статическую
Рис. 36. Определение настроек регуляторов по АФХ объекта управления:
а — П-регулятор; б — И-регулятор; в —• ПИ-регулятор; г — оптимальные настройки ПИ
регулятора
122
при ступенчатом возмущении со стороны регулирующего органа
(по нагрузке) Ду
хст = Ду hm i + nz0°6(p^p(p) = (74)
при изменении задания на величину Дх0
х — Ах Ах lim *^<>6 <Р) (75)
Хст —ДХО ДХОШП1 + П70б(р)И7р(р)- ( >
И-регулятор. Строят АФХ объекта Й7об (/®) и по ней
получают АФХ разомкнутой системы при &pi = 1:
w (/со) = Й7об (/со) Wp = Wo6 (Ю = W°6^ = е~''-.
Для этого нужно каждый вектор частотной функции объекта по-
вернуть на 90° по часовой стрелке (в отрицательном направлении) и
уменьшить в со раз (рис. 36, б). Далее построения ведут как при
П-регуляторе и kpl определяют по формуле (72) или (73).
ПИ - регулятор. По АФХ объекта И70б (/со) строят АФХ
разомкнутой системы при kp = 1 и нескольких значениях Ти:
V (W = (/») W’p (/<>) = (W (1 + дат;) =
= + ^) = ^ (/»).+
Для этого нужно к каждому вектору частотной функции объекта
прибавить вектор с модулем ДА = Aog/T^co (Аоб — модуль век-
тора И70б (/со), повернутый на 90° по часовой стрелке рис. 36, в).
Проводят луч под углом р и строят окружности с центрами на отри-
цательной вещественной полуоси, касающиеся одновременно луча
и W (/со) для разных значений Тя. Значение коэффициента передачи
kp для каждого значения Ти определяют по формуле (72).
В плоскости параметров настройки kp — Ти строят границу,
на которой показатель колебательности переходного процесса ра-
вен заданному значению М. Если в качестве критерия оптимальности
переходного процесса выбрать минимальное значение /2 = j х2 dt,
то предварительный анализ показывает, что оптимальным настрой-
кам соответствует точка с максимальным отношением kpITn, полу-
чаемая в месте касания прямой, проходящей через начало коорди-
нат (рис. 36, г).
ПИД - регулятор. Так же, как и в предыдущих случаях,
строят АФХ разомкнутой системы W (/со) при kp = 1 и нескольких
значениях Тп, принимая Тд = 0,5Ти:
W (/со) = «70б (/со) Wp (/со) = В70б (/со) kp (1 + + /<оТд) =
= В70б (/со) (1 + + /®ТД) = В70б (/со) Н-
+ ^оо(^)(^7-со7'д)Г/^.
123
Для построения W (jco) нужно к каждому вектору частотной
функции объекта с модулем Аоб прибавить вектор с модулем АД =
= Аоб(1/со7’и —шТд), повернутый на 90° по часовой стрелке (см.
рис. 36, в). В остальном операции совпадают с определением опти-
мальных настроек ПИ-регулятора.
Расчет регуляторов
по расширенным амплитудно-фазовым характеристикам
Расчет производят на заданное качество переходного процесса,
определяемого степенью колебательности т, значение которой
задается в пределах 0,25—0,4. Расширенная АФХ W (т, jet) по-
лучается из передаточной функции при подстановке р = (j — т) со.
Для расчета системы используют выражение аналогичное критерию
устойчивости Найквиста:
W (т, /со) = —1 или №об (w, /со) Wp (т, jm) = —1. (76)
Представляя передаточные функции ОУ и регулятора в показа-
тельной форме можно из уравнения (76) получить формулы для рас-
чета различных регуляторов на заданное значение т.
П-регулятор. 1
k»=Хстк со)'; п=-'р°®("г> ®)> <77>
где Аоб (т> со) и Фоб (т> °>) —модуль и фаза расширенной частот-
ной передаточной функции ОУ Й7об (т, ja).
В результате расчета по формуле (77) получается по одному зна-
чению kp и частоты затухающего колебательного процесса.
И-регулятор.
, со у^т2 -у 1 . л . , . .-о.
= ArtXm, со) : -T-arctgm=-To6(/n, со). (78)
ПИ - регулятор.
. __ т sin q>06 (т, to) — cos <роб (т, to) .
р " Лоб(т, со) ’
Т __ m sin фоб (m, to) — cos фоб (/п, со)
и to (m2 +1) sin фоб (си. со) ' * '
При расчете ПИ-регулятора по формуле (79) определяют величины
kp и ТИ для нескольких значений частоты и в плоскости параметров
kp — ТИ строят линию равного значения m (аналогично линии
равного значения М на рис. 36, г). Оптимальные настройки, обеспе-
чивающие min J х2 dt, находят также.
124
ПИД - регулятор.
, )Лт2 + 1 cos у
АР — Лоб (т, <о) (1 - 2Тд/по>) ’
т =______________________COSI___________________, (80)
и <о (m cos у — sin у) (1 — 2Тята>) + Тяа (m2 + 1) cosy ' '
где у = фоб (m> ®) + arctg tn — л.
Поскольку в ПИД-регуляторе имеется третья настройка Тл, то
расчет по уравнениям (80) ведут при фиксированных значениях ТА.
Дальнейшие операции совпадают с расчетом и определением опти-
мальных настроек ПИ-регулятора.
Расчет регуляторов в каскадных схемах
Для улучшения качества процесса регулирования иногда применяют
стабилизацию некоторой промежуточной величины х± дополни-
тельным стабилизирующим регулятором (Р1 на рис. 37). Основной
регулятор Р2 управляет выходной величиной ОУ х, устанавливая
S
Рис. 37. Структурная схема каскадной системы регулирования (а); эквивалентная схема
для расчета корректирующего регулятора Р2 (б) н то же—стабилизирующего регулятора Р1 (в)
задание регулятору-стабилизатору Р1. Такие каскадные схемы ока-
зываются эффективными, если промежуточная величина хх реаги-
рует на возмущение и управляющие воздействия со значительно
меньшей инерционностью, чем основная регулируемая величина х.
При этом регулятор Р1 успевает поддерживать промежуточную ве-
личину хт на заданном уровне: хг = xw. Тогда структурная схема,
приведенная на рис. 37, а, может быть заменена эквивалентной схе-
мой одноконтурной системы (рис. 37, б) с регулятором Р2 и экви-
валентным объектом с передаточной функцией
^вб-эа(Р)= ^об(Р)/^об1(Р)- (81)
125
Рис. 38. Структурная схема комбиниро-
ванной АСР с компенсацией возмущения
После определения настроек регулятора Р2 по передаточной
функции (81) или по АФХ эквивалентного объекта 1ГОб.э2 О®)
находят настройки регулятора Р1 по АФХ другого эквивалентного
объекта (рис. 37, в):
^Об.Э1 (/®) = ^061 (/®) + ^06 (/®) 1^р2 (/®)- (82)
Системы с компенсацией возмущений
Одним из способов улучшения качества переходных процессов в ав-
томатических системах управления является одновременное приме-
нение управления по отклонению и по возмущению, т. е. введение
в обычную замкнутую систему
одного или нескольких разомкну-
тых контуров компенсации воз-
мущений. Каждый такой контур
содержит корректирующее устрой-
ство ввода возмущения в основ-
ной регулятор с передаточной
функцией ТГВ (р) (рис. 38). Для
соблюдения полной инвариантно-
сти относительно возмущения z
(возмущение не влияет на регулируемую величину) устройство
ввода возмущения должно иметь передаточную функцию
1ГВ (р) = Гоб z (p)/[U706 (р) Fp (р)], (83)
где Wo5 (р); Wosz(p) —передаточные функции объекта соответ-
ственно по каналам управления и возмущения.
В случае невозможности создать устройство с передаточной функ-
цией (83) следует выбирать передаточную функцию в виде
WB(p)=kB^±^- (84)
для систем с П-регулятором и в виде
WB(p) = kB^-r (85)
для систем с И-, ПИ- и ПИД-регуляторами.
Настройки устройств ввода возмущения подбирают таким об-
разом, чтобы удовлетворялись выражения
WB (0) = Н70б г (Q)/[Wo6 (0) Й7Р (0)1; 1
WB (/Ч) = Гоб z ОрЖоб (/®р) (/®р)]. ) ( '
где сор —резонансная частота, при которой достигается максимум
амплитудной частотной характеристики замкнутой системы автома-
тического регулирования без ввода воздействия по возмущению.
Величину Шр определяют после расчета основного регулятора
при построении амплитудной частотной характеристики замкнутой
системы регулирования.
12в
Расчет релейных, регуляторов
Настройками релейных регуляторов с постоянной скоростью Испол-
нительного механизма (Pc-регуляторы) являются зона нечувстви-
тельности 2в (ед. регулируемой величины) и Ти.м—время полного
хода исполнительного механизма, которые определяют по рис. 39, б.
Для статических объектов при данном отношении тоб/Тоб находят
комплекс ^Обтоб/2ЬТИ. м и, зная значение ТИ. м, рассчитывают зону
нечувствительности, обеспечивающую апериодический переходный
Рнс.739.’Регуляторы постоянной
скоростью исполнительного меха*
ниэма:
а — статическая характеристика;
б — расчет настроек на апериоди-
ческий процесс; / — область авто-
колебаний
процесс. Настройки Pc-регулятора, которым соответствуют авто-
колебательные режимы, обычно не применяют. На астатических
объектах Pc-регуляторы не устанавливают.
Показатели качества в системе с Рс-регулятор ом при аперио-
дическом переходном процессе можно найти по рис. 40, по которому
можно также оценить возможность применения Рс-регулятора
с точки зрения получения допустимых значений динамического
отклонения х« и времени регулирования
В двухпозиционных регуляторах (Рп-регуляторы) настройкой
служит только величина зоны неоднозначности, которую при за-
данном значении амплитуды автоколебаний для статических объ-
ектов можно найти по рис. 41, б. При известной зоне неоднознач-
ности (в частном случае может быть b — 0) параметры автоколе-
баний — амплитуду ап и период колебаний Та определяют по
рис. 41, б и в, на которых показаны зависимости an/(ko6 &у) от
Хоб/Тоб и Тп1хОб от нагрузки, где Лоб —коэффициент передачи объ-
екта, ед. регулируемой величины/% хода регулирующего органа;
тОб —время запаздывания; Az/ —возмущение, % хода регулирую-
щего органа.
Под нагрузкой объекта понимают ту величину хода регулирую-
щего органа в процентах, которая обеспечивала бы заданное значе-
ние регулируемой величины х при работе без регулятора. Предпо-
лагают, что объект имеет линейную статическую характеристику.
[В системе с Рп-регуляторами также возможно возникновение
127
V Ц5 f,o trf/Trt
Рнс. 40. Показатели каче-
ства при Рс-регуляторах на
статических объектах (апе-
риодический процесс):
' -*д = *?/4обА^ 2-
относительное время регу-
лирования
статической ошибки, Под которой понимает-
ся установившееся отклонение среднего зна-
чения регулируемой величины от заданного
значения. Для Рп-регулятора статическую
ошибку определяют по рис. 41, г в зависи-
мости от нагрузки объекта и величины ам-
плитуды автоколебаний аа.
Для исследования переходных процессов
в нелинейных системах часто применяют
метод гармонической линеаризации. Нели-
нейная (релейная) система содержит линей-
ную часть (рис. 42, а), описываемую линей-
ным дифференциальным уравнением, с пере-
даточной функцией 1ГЛ (р) и нелинейную
часть (собственно реле), описываемую не-
линейным уравнением
*вых. и = Р (*вх. н)* (®7)
В линейную часть входят объект регули-
рования с регулирующим органом и чув-
ствительным элементом и исполнительный механизм.
Гармоническая линеаризация заключается в том, что нелиней-
ное уравнение (87) заменяют линейным
^вых.н = <?ХВХ. н + (91/со) (dxBx. н/бй), > (88)
а Ма^э/га,%
б в
Рнс. 41. Двухпозиционное регулирование
на статическом объекте:
а — статическая характеристика рп-ре-
гулятора; б — график для определения
амплитуды автоколебаний в — график
для определения периода автоколебаний
Т ♦ г —статическая ошибка прн двух-
позиционном регулировании
128
где q и qr —коэффициенты гармонической линеаризации (табл. 27),
являющиеся функцией параметров релейного звена и амплитуды
входных колебаний а.
Передаточная функция линеаризованного релейного звена бу-
дет иметь вид
(р) = Хвых. н (р)/ХВх. н (Р) = Я + (<71/<о) Р- (89)
Для определения параметров автоколебаний ап и соп, исполь-
зуя частотный критерий устойчивости Найквиста, можно записать:
W„ (ju) = -1/^н (/со), (90)
Рнс. 42. К расчету релейных АСР:
а — структурная схема нелинейной
скнй способ определения частоты и
лебаинй
АСР; б — графнче-
амплнтуды автокО"
где WB — функция только амплитуды а,
№я (/со) = q + /ft.
(91)
Уравнение (90) наиболее просто решить графически, построив
на комплексной плоскости в одинаковом масштабе годографы век-
тора W„ (ja) при изменении частоты от 0 до оо и вектора
—Wh (/со) при изменении а от 0 до оо (обратные АФХ —1/Wa (/со)
некоторых релейных звеньев даны в табл. 27). Частоту автоколеба-
ний определяют по частоте кривой Wn (/со) в точке пересечения,
амплитуду ап — по кривой —1/Wn (je>) в той же точке. Если точки
пересечения нет, то, следовательно, автоколебания отсутствуют.
Устойчивость полученного автоколебательного режима прове-
ряют следующим образом. АФХ разомкнутой системы W (/со)п =
= 1Гн (/соп) проходит на комплексной плоскости через
точку с координатами (—1, /0). Если периодическое решение устой-
чивое, то кривая W (/со) при амплитуде а > ап не охватывает
точку (—1, /0), а при а < ап охватывает.
5 Глинков Г. М. и др. 129
Таблица 27. Коэффициенты гармонической линеаризации и обратные АФХ некоторых релейных звеньев
Статическая
характеристика
* Х1х
ч
4с
ла
<71
О
Г
</“)
ZZn _ па
о° -—а Кв 4С
а=0 О
х!ш
Х!х
ла V а*
(а>-Ь)
' О
4сЬ
ла2
М/2е Нт
“* -—a Re
~0
11т
_____Re
°a-b
fла2
4с Vа2 — Й2
Импульсные регуляторы
Во многих случаях импульсные регуляторы реализуют в среднем
соответствующие линейные законы регулирования (ИмИ, ИмП,
ИмПИ, ИмПИД). Одной из настроек этих регуляторов, кроме &pi,
£р, Тд, Ти, является период повторения импульсов Т.
Оценить настройки, обеспечивающие устойчивую работу таких
регуляторов, можно по графикам (рис. 43). Например, для ИмПИ-ре-
гулятора при известных k0$, То6, тоб [объект регулирования ха-
рактеризуется передаточной функций И70б (р) = 'т" ₽Т°б1
I ОбР “Г 1 J
Рис. 43. Границы устойчивости АСР с линейными импульсными регуляторами иа статическом
объекте с запаздыванием:
а — ИмП; б — ИмПИ при условии Т — Т I — область неустойчивости; II — область
устойчивости
и при Т = тоб задаются отношением Ти/тоб определяют макси-
мальное значение ko6kp для соответствующего отношения тоб/Тоб
и по этому значению находят максимальный коэффициент передачи
регулятора kp, обеспечивающий устойчивую работу системы.
Для ИмП-регуляторов задаются отношением тов/Т (обычно > 1),
определяют предельные значения £р/£Об и затем—максимальную
величину коэффициента kp, при которой обеспечивается устойчивая
работа системы.
§ 5. Расчет автоматических систем управления
с использованием ЭВМ
Выбор критерия оптимальности
Критериями оптимальности работы автоматической системы управ-
ления могут служить некоторые показатели качества переходного
процесса или функционалы, экстремизация которых позволяет опре-
делить найлучшие в смысле минимума или максимума этих показа-
телей или функционалов параметры настройки регулятора с задан-
ным законом управления. Показателями качества, например, могут
служить (см. § 4 гл. II): динамическое отклонение хх,статическая
ошибка хСт, перерегулирование т], показатель колебательности М,
5* 131
время регулирования tp и др. Следует иметь в виду, что эти показа-
тели качества определяют работу автоматической системы управле-
ния только в их совокупности. Каждый отдельно взятый показатель
качества оценивает определенные свойства работы автоматической
системы. Некоторые из них противоречивы. Так, например, мини-
мизация времени регулирования /р приведет к таким настройкам
регулятора, которые вызовут увеличения динамического отклоне-
ния хг и перерегулирования т]. Поэтому для использования показа-
телей качества в качестве критерия оптимальности необходимо
тщательно проанализировать технологические требования к созда-
ваемой автоматической системе управления. В зависимости от тре-
бований технологического процесса некоторые показатели могут
иметь доминирующее влияние. Например, по условиям технологи-
ческого процесса не допускается длительное отклонение регулируе-
мой выходной переменной от заданного значения, тогда критерием
оптимальности может служить величина времени регулирования /р.
При этом некоторые другие показатели качества могут быть ограни-
чены определенными значениями:
/р -► min'
хх < хя
т] < т]Д .
(92)
где хя и т]я —допускаемые значения.
В других случаях критериями оптимальности могут служить
другие показатели качества, например величина динамического от-
клонения хх при ограничении на время регулирования:
хх -> min
tP < ip
Однако, критерии оптимальности типа (92), (93) не дают опти-
мальной оценки всех сторон работы автоматической системы управ-
ления. Поэтому часто в качестве критерия оптимальности исполь-
зуют функционалы интегрального вида (интегральные критерии ка-
чества). Наиболее часто применяют квадратичный интегральный
критерий оптимальности
/=| ea(7)d7-»-min, (94)
о
где е = х0 —х (/); х0 —заданное значение регулируемой величины.
Однако, добиваясь минимума выражения (94), можно в ряде слу-
чаев получить значения настроек регулятора, далекие от тех вели-
чин, которые являются наилучшими для быстрого и плавного про-
текания переходного процесса. В частности, могут иметь место
резкие колебания и значительное перерегулирование.* При этом
время регулирования получается весьма большим (переходный
132
процесс затянут). Лучшие результаты дает обобщенный интеграль-
ный критерий:
1в=j 62 + 051 + а2 + • • • + ап-х
где ах ... ап_х —весовые коэффициенты.
В ряде случаев, когда целесообразно экономить затраты на уп*
равление, например, регулирующим воздействием является рас-
ход топлива, стоимость которого сравнима с потерями от несовер-
шенного (не оптимального) управления, применяются критерии опти-
мальности вида:
В этом случае оптимальное решение будет компромиссным отно-
сительно потерь от отклонений выходной величины и затрат на уп-
равление U.
Следует отметить, что выбор того или иного критерия качества
является творческой задачей и тесно связан с требованиями, предъ-
являемыми технологическими процессами к создаваемой автомати-
ческой системе управления.
Расчет оптимальных настроек
промышленных регуляторов
Расчет оптимальных настроек промышленных регуляторов является
достаточно сложной оптимизационной задачей нелинейного про-
граммирования, аналитическое решение которой практически не-
возможно. Обычно расчет оптимальных настроек проводят графо-
аналитическими методами (см. § 4 гл. II) и, если используют ЭВМ,
то эти методы закладывают в программу работы вычислительной ма-
шины. Ниже эта проблема рассматривается как оптимизационная
задача, в которой необходимо найти значения параметров регуля-
тора, дающих экстремум некоторого критерия качества или крите-
рия оптимальности.
Примем уравнение регулятора следующего вида:
y' = kpe' +(1/Ти)е + Тде*, (96)
где е —отклонение (ошибка регулирования), е = х0 —х; kp —ко-
эффициент передачи регулятора; Тя — постоянная интегрирования
регулятора (время изодрома); Тл — постоянная дифференцирова-
ния регулятора; х0 — заданное значение регулируемой величины.
Иначе говоря, выбираем в качестве регулятора независимо от
характеристик объекта управления ПИД-регулятор и решение сфор-
мулированной ниже оптимизационной задачи позволит определить
не только параметры регулятора kp, Тя, Тл, но и закон регулиро-
вания, так как в некоторых случаях при решении этой задачи зна-
чения некоторых параметров могут быть равны нулю.
133
Введем некоторый критерий качества регулирования в виде
функционала Ф (е, t, е', • •). Тогда оптимизационная задача опре*
деления параметров регулятора может быть сформулирована следую-
щим образом:
необходимо для объекта управления, описываемого дифферен-
циальным уравнением, найти такие значения параметров регулятора
с заданным законом регулирования kp, Ти> Тл, которые обеспечили
бы минимальное (в общем случае экстремальное) значение функцио-
нала Ф (е, t, е', ...), являющегося критерием качества регулиро-
вания.
Сформулированная задача является задачей нелинейного про-
граммирования, которая была рассмотрена при определении динами-
ческих характеристик объекта управления. Уравнение объекта
управления считается в этой задаче известным и в общем случае
имеет вид
x(n) (t) 4 (/) 4 . . . 4 сцх' (t) 4 aox(t) .=
= bmy№ (t — r) 4- (t — т) 4- ... + by' (t — t) 4-
4 boy(t — t) 4 czz<z> (t - rz) 4 (t — t2) 4 ...
... 4 ciz' (t — tz) 4 coz (t - tz), (97)
здесь at, bit ci — параметры (коэффициенты уравнения) объекта;
у — управляющее (регулирующее) воздействие; т и тг — время
запаздывания соответственно по каналам управления и возмуще-
ния; z — приведенное возмущающее воздействие.
Если возмущение z (t) действует в объекте по каналу управле-
ния, то bt и Ct тождественны. Дифференциальные уравнения (96)
и (97) совместно полностью описывают динамические и статические
свойства синтезируемой автоматической системы регулирования.
Особенностью этой системы уравнений является наличие времен-
ного запаздывания, что требует некоторой корректировки прог-
раммы решения дифференциальных уравнений и усложняет выбор
параметров регулятора из-за необходимости обеспечивать устой-
чивость системы даже при втором порядке дифференциального урав-
нения автоматической системы регулирования. Ограничения, ко-
торые необходимо накладывать на параметры синтезируемого регу-
лятора и связанные с условиями устойчивости, делают необходимым
решать неклассическую задачу нелинейного программирования.
Поэтому в алгоритме решения оптимизационной задачи расчета на-
строек регулятора необходимо предусмотреть блок, в котором про-
исходит вычисление и проверка выполнения условий устойчивости.
Условие устойчивости возможно получить по критерию Гурвица.
Преобразуем по Лапласу уравнения (96) и (97) при нулевых началь-
ных условиях
у (Р) = (*Р 4 тЬг + М - х (98)
bmPm + 1 + ... + Z>]P +
РП + ап—\РП 1 + • • • + Я\Р + «Q
e~pxY (р),
(99)
134
При получений уравнения (99) возмущение г (t) = 0. Подставив
выражение (98) в уравнение (99), после преобразований получаем
(ьтРт + + V + +
Л \Р) - _, / 1 к X
рп + ап-1Рп-1+ • • • +а0 + (Ьт^ + • • -+6о) е Р \kp + ~7\р ТрР)
хХо(р). (100)
Разложим е_Рт в ряд Пада и ограничимся первыми двумя членами:
е-рт _ 0 — 0,5рт)/(1 + 0,5рт). (101)
Подставив выражение (101) в. уравнение (100), получим
(brn^ + • + Ь\Р + 6о) 0 — °>5РТ) (*рр + + ГдР2)
(р" + ап—\Рп 1 + • • + ао) Р (1 + 0.5рт) + (bmpm + .. + Ьо)
X----------—!-------------—-Х0(р). (102)
(1 - 0,5рт) ^рр.+ + Т№2 )
Собственное движение системы будет определяться знаменателем
(102) — знаменателем передаточной функции замкнутой системы
управления:
(рп + а„_! рп~1 + ... + aip 4- Оо) р (1 + 0,5рт) ф-
+ (Ьтрт + • • • + bip + Ьй) X
X (1 - 0,5рт) (kvp + + ТдР2) = dn+2pn+2 + d„+1 pn+> + ...
• • • 4~ dip 4~ do,
где dn+2, dn+l, ..., d0 — коэффициенты уравнения замкнутой системы
управления, имеющего порядок, равный п + 2.
Согласно критерию Гурвица система будет устойчива, когда все
определители Гурвица, полученные из матрицы
dn+i dn-i dn-з . 0 0
dn+2 dn dn-2 • . 0 0
0 dn+i dn-i • . 0 0
0 dn+2 dn • ..0 0 (103)
0 0 0 ... d.O
0 0 0 ... 0 d0 ’
будут больше нуля.
Вычисление определителей может производиться по стандартной
программе, которая имеется практически у всех вычислительных
машин.
Таким образом, нахождение параметров регулятора с заданным
законом регулирования, обеспечивающих экстремальное значение
135
функционала Ф (е, i, е* ...) прй наличии ограничений (ЮЗ) яв-
ляется задачей нелинейного программирования, которая достаточно
подробно рассмотрена в § 3 гл. II.
Структурная схема алгоритма решения этой задачи представ-
лена на рис. 44. Схема алгоритма состоит из пяти самостоятельных
структурных блоков-программ. В блоке 1 решается дифференци-
альное уравнение, описывающее объект управления, и вычисляется
значение выходной переменной х (t). В блоке 2, используя значения
выходной переменной, определяется текущее значение регулирую-
щего воздействия у (t). При этом
следует иметь в виду, что значе-
ния выходной переменной берутся
из памяти машины и сдвинуты на
время запаздывания т. - Решение
из блока 2 поступает в блок 1,
образуя цикл.
В блоке 3, используя значе-
ния х (t) вычисляется критерий
оптимальности, значение которого
поступает в блок 4, где решается
Рис. 44. Структурная схема алгоритма ОПТИМИЗаЦИОННЭЯ Задача ПО ВЫ-
расчета оптимальных настроек регулятора ЧИСЛвНИЮ Параметров регуЛЯТО-
ра kp, Тя, Тл.
Определенные их значения поступают в блок 5 проверки усло-
вий устойчивости. Если эти условия выполняются, то значения па-
раметров kp, Ти и Тд поступают в блок 2, образуя второй цикл.
В случае невыполнения этих условий, меняются в блоке 4 значения
параметров регулятора.
§ 6. Построение переходных процессов
Метод трапеций
Для проверки правильности расчетов автоматической системы регу-
лирования целесообразно рассчитать и построить переходный про-
цесс, возникающий при работе системы после тех или иных возму-
щающих воздействий. Обычно строят переходный процесс при сту-
пенчатом возмущении со стороны регулирующего органа или по
заданию.
Существует функциональная зависимость изменения выходной
величины от частотных характеристик системы. В частности, для
нулевых начальных условий и при поступлении на вход единичного
ступенчатого воздействия, переходный процесс имеет вид:
Х ® = V I Re3 (°) <104>
О
где Re3 (со) — вещественная частотная характеристика замкнутой
системы.
136
Интегрирование выражения (104) для реальных систем представ-
ляет большие трудности и поэтому применяют приближенный метод
интегрирования с использованием /i-функций. Эти функции представ-
ляют собой переходные процессы, вычисленные по формуле (104)
в системе с вещественной частотной характеристикой в виде единич-
ной трапеции (рис. 45, а), которая характеризуется коэффициентом
наклона х = a>d/a>n и имеет высоту равную единице.
Для построения переходного процесса вещественную частотную
характеристику замкнутой системы заменяют ломаной линией
(рис. 45, б). Площадь, ограниченную ломаной, представляют в виде
Рис. 45. К построению переходного процесса методом трапеций:
а — единичная трапеция; б — разбивка вещественной частотной ха-
рактеристики на трапеции
суммы трапеций так, чтобы эта площадь была равна сумме площа-
дей всех трапеций, взятых с соответствующими знаками. При раз-
бивке на трапеции следует иметь в виду, что все трапеции должны
начинаться от оси ординат, а их основания должны быть параллельны
оси абсцисс. Например, на рис. 45, б может быть принята одна по-
ложительная трапеция GADF и две отрицательных ОАВС и GOLH.
Построение общего переходного процесса выполняется алгебраи-
ческим суммированием переходных процессов, соответствующих
отдельным трапециям:
*
х(/)=£М)- (105)
Функции hi (f) после выделения трапеций определяются сле-
дующим образом:
1) находят параметры трапеций — высоту г, и коэффициент на-
клона хг = a>di/(oni;
2) задаются табличным интервалом безразмерного времени Ат
(табл. 28);
3) вычисляют для каждой трапеции действительное время
t = т/соп; (105)
4) из табл. 28 берут величины йхдля принятых значений таблич-
ного времени (если значение х не совпадает с табличным, то зна-
чения йх определяют интерполированием);
137
Таблица 28. Значения /г-функций
Величина при х
т 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00
0,0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
1,0 0,310 0,340 0,371 0,401 0,432 0,461 0,490 0,519 0,547 0,575 0,603
2,0 0,572 0,628 0,683 0,681 0,786 0,833 0,878 0,919 0,956 0,986 1,020
3,0 0,755 0,828 0,896 0,958 1,013 2,061 1,100 1,130 1,154 1,172 1,178
4,0 0,857 0,938 1,008 1,060 1,107 1,142 1,158 1,160 1,156 1,141 1,118
5,0 0,896 0,978 1,042 1,087 1,112 1,118 1,107 1,084 1,053 1,019 0,986
6,0 0,904 0,982 1,037 1,065 1,068 1,051 1,021 0,984 0,949 0,922 0,906
7,0 0,904 0,979 1,024 1,037 1,023 0,933 0,957 0,927 0,911 0,909 0,925
8,0 0,910 0,985 1,020 1,021 0,995 0,966 0,941 0,932 0,944 0,970 1,004
9,0 0,924 0,997 1,025 1,018 0,992 0,970 0,961 0,976 1,006 1,039 1,061
10,0 0,939 1,009 1,031 1,019 0,993 0,982 0,993 1,020 1,049 1,063 1,056
11,0 0,947 1,015 1,031 1,014 0,993 0,993 1,014 1,039 1,048 1,034 1,005
12,0 0,950 1,015 1,024. 1,004 0,988 0,977 1,019 1,027 1,015 0,984 0,958
13,0 0,950 1,012 1,015 0,994 0,985 0,997 1,014 1,005 0,980 0,955 0,9Й5
14,0 0,952 1,011 1,009 0,988 0,985 1,000 1,008 0,987 0,965 0,965 0,990
15,0 0,956 1,012 1,007 0,988 0,991 1,005 1,002 0,983 0,978 1,001 1,030
16,0 0,961 1,015 1,006 0,991 0,998 1,011 1,000 0,990 1,003 1,031 1,039
17,0 0,965 1,016 1,005 0,994 1,005 1,012 0,999 0,999 1,020 1,032 1,012
18,0 0,966 1,015 1,002 0,995 1,008 1,008 0,997 1,004 1,020 1,008 0,979
19,0 0,967 1,015 0,998 0,995 1,006 1,001 0,933 1,004 1,006 0,981 0,956
20,0 0,967 1,013 0,995 0,995 1,005 0,996 0,992 1,003 0,991 0,972 0,985
21,0 0,968 1,011 0,994 0,997 1,004 0,995 0,997 0,999 0,983 0,981 1,016
22,0 0,971 1,011 0,995 1,000 1,004 0,996 1,000 0,997 0,991 1,012 1,029
23,0 0,974 1,011 0,996 1,004 1,003 0,998 1,006 0,997 1,002 1,025 1,016
24,0 0,975 1,010 0,996 1,005 1,002 1,000 1,008 0,999 1,008 1,015 0,988
25,0 0,975 1,008 0,995 1,005 1,000 1,000 1,004 1,001 1,005 0,991 0,975
26,0 0,975 1,007 0,995 1,004 0,997 1,000 1,000 1,002 1,002 0,984 0,983
5) функции hi для каждой трапеции вычисляют по формуле
hi = rthK.
(107)
При построении по этому методу величина х (/) измеряется
в ед. регулир. величины/% хода регулир. органа при возмущении
по нагрузке и является безразмерной при возмущении по заданию.
Для определения действительных значений х (t) нужно полученные
значения умножить на величину возмущающего воздействия Аг/, %
хода регулир. органа или на Ах0, ед. регулир. величины.
После построения переходного процесса определяют показатели
качества переходного процесса хх, /р, хст, т] и полученные величины
сравнивают с заданными. Если наблюдаются значительные откло-
нения показателей качества от заданных, то это означает ошибку
в расчете и в таких случаях расчет повторяют.
Моделирование работы системы на АВМ
Решение задачи моделирования работы системы на АВМ заклю-
чается в том, что в соответствии с математическим описанием иссле-
дуемой системы автоматического регулирования создают набор ре-
138
шающих устройств и так их включают между собой, чтобы поведе-
ние полученной аналоговой схемы описывалось уравнениями ана-
логичными дифференциальным уравнениям исходной системы. Ма-
тематическое описание может задаваться в виде одного дифферен-
циального уравнения высокого порядка либо в виде системы диф-
ференциальных уравнений низкого порядка. Так как в любом слу-
чае необходимо уметь решать на АВМ дифференциальное уравнение,
рассмотрим общий метод как наиболее часто применяемый на прак-
тике.
Рис. 46. Цервый (а) и промежуточный (б) шаги интегрирования
уравнения (108)
Необходимо решить на АВМ следующее уравнение:
а2 (d2x/dt2) + ах (dx/dt) -|- atf = f (f). (108)
В качестве первого шага интегрирования уравнения находим из
уравнения (108) производную высшего порядка
-Sr = -- ——х + —НО- (109)
Л2 а2 dt аг 1 аг 1 '' ' '
Затем, считая, что производная известна, соединяем последовательно
достаточное число интеграторов (их количество равно порядку диф-
ференциального уравнения). для получения производной нулевого
порядка. С помощью структурной схемы, приведенной на рис. 46, а,
можно получить все производные и переменную х, которые входят
в правую часть уравнения (109). На следующем шаге надо умножить
139
кайодую йз этих величин на сботйётствующии коэффициент, заТем
сложить полученные результаты и добавить возмущающую функ-
цию f (t). В результате получим схему, изображенную на рис. 46, б.
В соответствии с уравнением (109) выход усилителя 4 равен входу
интегратора 1, следовательно, если соединить эти точки, контур
замкнется и АВМ начнет решать уравнение (109). Чтобы закончить
Рис. 47. Структурная схема решения уравнения (108):
а — полный вариант; б — экономный вариант
программирование необходимо задать начальные условия на интегра-
торы 1 и 2. Окончательный вид структурной схемы программы ре-
шения уравнения (108) на АВМ показан на рис. 47, а. С целью эко-
номии числа усилителей используем вместо интегрирующего уси-
лителя 1 и суммирующего усилителя 4 суммирующий интегратор 6
(рис. 47, б). В этом случае суммирование слагаемых правой части
уравнения (109) производится на суммирующем интеграторе 6.
Усилитель 5 используется для изменения знака переменной.
Рассмотрим для примера моделирование системы автоматического
регулирования, структурная схема которой представлена на рис. 48.
140
Система находится под воздействием задающего сигнала х0 (t) и
возмущающего воздействия z (t) и состоит из регулирующего устрой-
ства РУ с передаточной функцией U^p. у (р) = k„. у исполнительного
механизма ИМ с передаточной функцией WB. м (р) = &и. м/(Лр + 1)>
объекта управления ОУ с передаточной функцией по каналу управ-
ления ГГоб (р) = ko6/[(T2p + 1) (Т3р + 1)], суммирующего уст-
ройства СУ и элемента сравнения ЭС. Передаточная функция объекта
по каналу возмущения П^Об z (р) ~ kz. Для удобства передаточная
S
Рис. 48. Структурные схемы:
a — исследуемой системы управления; б — то же, с выделением блока воздей-
ствия возмущения
функция объекта по каналу возмущения выделена в отдельный
блок (рис. 48, б), выходная величина которого суммируется с вы-
ходной величиной объекта по основному каналу.
Предположим, что начальные условия являются нулевыми, т. е.
до момента приложения задающего воздействия х0 (t) и возмущаю-
щего воздействия z (t) система находилась в состоянии равновесия.
Для исследования на АВМ переходного процесса, вызванного изме-
нением задающего сигнала х0 (t) определяем передаточную функцию
замкнутой системы автоматического управления при возмущении
по заданию:
W3(p) = IT (р)/[1 + W (р)],
где W (р) — передаточная функция разомкнутой системы,
L &и.м koO
w= Х(р} = Р'у г1? + 1 (г»р-Ы) (Лр-И) =
X# (Р) 1 1 L kn.M kog
+ «РУ Tip + 1 (т*р + 1) (Tsp + 1)
__ ______________fep. у^и. м^об_________
(ЛР + 1) (Т,р + 1) (ТзР + 1) + kp. ykn. м^об
141
После очевидных преобразований получим:
[ТуТ.Т^ + (ТГТ2 + ЛТз + ТзЛ) р2 + (Л + Т2 + Т3) р +
+ 1 + k] X (р) = kX0 (р),
где k = yk^ м^об-
Перейдем к дифференциальному уравнению замкнутой системы регу-
лирования. Произведем замену р на dldt
d2x . d2x . dx . , .,, Л.
Сз"2^ + С21^ + й1"2г + а°х = ^0’ (110)
где а3 = Т\Т2Т3, а2 = 1\Т2 + 7\Т3 + Т3Т2; аг = 7\ + Т2 + Т3;
а0 = 1 + к.
Рис. 49. Структурная схема решения уравнения (110)
Используя вышеизложенную методику решения дифференциальных
уравнений с помощью АВМ, получим структурную аналоговую схему
(рис. 49) решения уравнения (ПО).
Для исследования на АВМ переходного процесса, вызванного
действием возмущающего воздействия z (I), аналогично вышеизло-
женному, можно получить следующее дифференциальное уравнение
движения замкнутой системы регулирования:
d3x d2x . dx . , d3z , , d2z . , dz , , ,, < n
az~di3' "b^—(й2 + ai~dT + “щз" + ^2“3^2" + Mi (1H)
где b3 = bx = kz (Ti + T2 + T3); b2 = kz (T\T2 +
+ TjTs + T2Ts); b0 = kz.
Решение уравнения (111) может быть выполнено на АВМ по тому
же принципу, что и уравнения (НО), но схема получится сложнее,
так как придется использовать несколько дифференциаторов.
Другой вариант моделирования той же системы заключается в по-
лучении аналоговых моделей отдельных элементов системы и после-
дующем соединении их в соответствии со структурной схемой.
Для рассматриваемой схемы (см. рис. 48) можно получить сле-
дующую систему уравнений:
е' = х0 — х;
и — У ^1
142
&и.ми---1\ — + у,
Т2Та + (Т2 + Та) + Х1 = ko6y,
X = хг 4- zkz
По дифференциальным уравнениям (передаточным функциям)
отдельных элементов составляют аналоговые модели этих элемен-
3
Рис. 50. Аналоговые модели объектов управления с передаточными функциями и коэффи-
циентами:
a-Wo6(p) = k/(Tp+ 1); k^k/T. kg=l/T.
б ~ «"об <р) = ‘/(Г’Р2 + 2DTp +1); Aj = А2 = 1/Г2;
D > 1;
в-1Гоб(р) = А(Гр+1)/(Гр); А.=А/Г; А2 = А:
a"”zo6(p> = fe аг Г1Р ----------:
00 Tip2 + 2DT2p + 1 Т%
kt=2D/Tt-, k2kt=\lTl-,
д - Wo6 (р) = k <7\р + 1)/[(Г,р + 1) (Т,р + 1)1;
fe1 = Aa = feT1/(r2Ts); А2 = 1/Т2;
А« = (7-1-Т2)/(Т17-2); А, = 1/Т2.
тов, которые затем соединяют между собой аналогично элементам
исходной системы, приведенной на рис. 48.
При моделировании ОУ желательно представить в виде последо-
вательного соединения апериодических звеньев первого порядка,
что получается после обработки кривой разгона методом площадей
(см. § 2 гл. II) и разложения знаменателя передаточной функции на
сомножители. На рис. 50 представлены аналоговые модели наиболее
распространенных объектов; а на рис. 51 — типовых непрерывных
143
регуляторов. При использовании моделей регуляторов (рис. 51) ис-
полнительный механизм представляется апериодическим звеном
первого порядка.
Аналоговая модель системы с П-регулятором и объектом управ-
ления 2-го порядка будет иметь вид, представленный на рис. 52.
Рис. 51. Аналоговые модели регулятеров:
а — И-регулятор:
б — П-регулятор:
г — ПИ-регулятор:
wn <р> = *Р1/Р; *! = *РГ
W'n <р) = kp’’ ki = *р".
Гс'пи (р) = kp р + -у1 р
*1 Ар: /гр7и;
Рис. 52. Аналоговое моделирование исследуемой системы управления
Формулы для расчета коэффициентов имеют следующий вид:
— ^и.м/Л; k^ ki kg — 1;
== ^р.у» == ^o6/T3> ^9 == kz",
~ kn =1; kg = ki = l/Tsj k^g = 1.
144
Объект управления представлен как последовательное соединение
объектов типа приведенного на рис. 50, а только без инвертирую-
щего усилителя. Если бы пришлось набирать объект третьего
порядка, то один инвертирующий усилитель в схеме оста-
нется.
Следует отметить, что в аналоговой модели (см. рис. 52) по срав-
нению с моделью, приведенной на рис. 49, имеются возможности
наблюдать и регистрировать не только процесс изменения выходной
величины системы, но и характер изменения выходной величины
каждого динамического звена, из которых состоит система управ-
ления. В ряде случаев, последнее обстоятельство создает некото-
рые преимущества такого представления системы.
§ 7. Расчет дроссельных регулирующих органов
и выбор исполнительных механизмов
Выбор рабочей характеристики регулирующего органа
Статической рабочей расходной характеристикой регулирующего
органа, которую в дальнейшем будем называть рабочей характери-
стикой, является зависимость между выходной хвых. р. о и входной
хвх. р. о величинами регулирующего органа. Выходная величина —
абсолютный Q или относительный q = Q/Qmax расход регулирующей
среды; входная — угол поворота <рр. 0 или линейное перемещение
(ход) Ар. о регулирующего органа; часто хвх. р. 0 дают в относитель-
ных величинах и называют степенью открытия регулирующего
органа:
Л == фр.о/фр.о шах ИЛИ П Лр.о/^р.о щах-
Если регулирующий орган рассматривают как часть регулируе-
мого объекта, то хВх. р. о = *вх. об =У> % х°Да Рег- органа.
Правильно выбранный регулирующий орган не должен ухуд-
шать характеристик и может быть средством устранения некоторой
нелинейности статической характеристики агрегата. Коэффициент
передачи объекта регулирования ko6 можно представить как произ-
ведение коэффициентов передачи агрегата kar и дроссельного регули-
рующего органа kp. 0 : ko6 = kaTkp, 0. При выборе регулирующего
органа следует исходить из необходимости получения ko6 = const
во всем диапазоне регулирования. При выражении регулируемой
величины и хода регулирующего органа в долях максимального
значения или в процентах необходимого, чтобы ko6 =1.
Коэффициенты передачи равны
, Д^/Хщах . h Дх/Хтах ,
*06 ~ дП ’ к&г~ bq ’
kv_ 0 = \ql\п,
где Дх — изменение значения регулируемой величины; Дп — из-
менение степени открытия регулирующего органа в безразмерных
единицах или в % хода per. органа; Д<? — изменение относительного
расхода среды в безразмерных единицах или в процентах.
145
Если статическая характеристика агрегата линейная, то рабо-
чая расходная характеристика регулирующего органа также должна
быть линейной. Если статическая характеристика агрегата нели-
нейна, то рабочая характеристика регулирующего органа должна
быть ее зеркальным отображением (рис. 53).
Последовательность расчета регулирующих органов
Излагаемая методика расчета применима для регулирующих орга-
нов существующего или спроектированного агрегата, когда источ-
ник давления задан.
Для регулирования расходов газов при низких давлениях
используют поворотные заслонки и шиберы. Регулирование расхо-
дов жидкостей и газов при высоких давлениях (>10 кПа) осущест-
вляется регулирующими клапанами и кранами, а иногда поворот-
ными заслонками.
Расчет дроссельных регулирующих органов сводится к заполне-
нию расчетных листов, приведенной ниже формы. Данные некоторых
типов регулирующих органов приведены в табл. 29.
Лист исходных данных
Общие данные: 1. Завод. 2. Цех. 3. Агрегат. 4. Вид ра-
бочей расходной характеристики.
Трубопровод: 1. Материал. 2. Чертеж расчетного участка
трубопровода.
Регулируемая среда: 1. Наименование. 2. Часовой
(секундный) объемный или массовый расход Qmax. н, Л4тах при
нормальных условиях. 3. Температура t, °C. 4. Избыточное давление
в начале участка рИ. нач, Па. 5. Избыточное давление в конце участка
Ри. кон, Па. 6. Для газов: средний химический состав, % (объемн.)
146
Таблица 29. Характеристика регулирующих клапанов и поворотных заслонок
Тип регулирующего органа Рабочее давление, кПа Темпера- тура, °C Dy, мм Среда Привод
Клапаны:
пкн 120 50 50, 100, 200 Жидкость, газ не аг- рессивные Мембран- ный пнев- мопривод
К, КР, КЯ, 640 200 15, 20, 25, 40 То же То же
КРЯ
25ч30нж, 25ч32нж Поворотные за- 160 300 40, 50, 80, 100, 150, 200, 250, 300 » »
слонки:
ПРЗ 25 300 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500 Воздух, газ Без привода
змс 10 300 30, 40, 50, 70, 90 То же То же
7. Для жидкостей: плотность рн, кг/м3 при нормальных условиях
(20 °C и 101325 Па или 760 мм рт. ст. ); вязкость при нормальных
условиях.
Указания по заполнению листа исходных данных
1. Рабочую характеристику регулирующего органа выбирают
В соответствии с приведенными выше правилами и задают в графи-
ческом виде.
2. Расчетным участком считают часть трубопровода между точ-
ками с постоянными не зависящими от расхода давлениями. Напри-
мер, участок от магистрального газопровода с постоянным давлением
Рнач ДО печи с давлением ркон, равным атмосферному. В расчетный
участок включают горелку, форсунку и т. д.
Расчетный лист
1. Данные для расчета
1. Расчетный максимальный расход при нормальных условиях
Qmax и ~ (1,1 "Г- 1,2) Qmax н ИЛИ Afmax — (1 > 1 “г" 1,2) Afmax.
2. Абсолютное давление в начале участка рнач — ри. Вач+ 101325 Па,
3. Абсолютное давление в конце участка ркоа = Ри кон +
+ 101325 Па.
4. Абсолютная температура среды Т = (t + 273) К.
5. Диаметр трубопровода DTp, мм.
147
2. Определение перепада давления
в дроссельном регулирующем органе
при максимальном расходе
1. Расчетный максимальный расход среды при рнач и Тнач,
м3/ч
Опахнач = Qmax н• (112)
Рнач* н
2. Плотность среды при рнач и Тнач из расчета сужающего уст-
ройства рнач, кг/м3.
3. Вязкость среды из расчета сужающего устройства vHa4, м2/с,
ИЛИ Рнач, Па-С.
4. Скорость в трубопроводе, м/с:
для газов
С'нач — 354Q max иач/Отр!
для жидкостей и пара
Пиач — 354Л4тах/Птрриач.
5. Число Рейнольдса:
для газов
Фщах нач Рнач .
Т^трЦнач
^тах
0,354
ReHd4 = 0,354 ^та--- - 0,354
^'трТнач
для жидкостей и пара
ReHa4 = 0,354 п --------= С,3и, -ту-----.
^трРнач^нач ^трЦнач
6. Коэффициент трения для части трубопровода от начала до ре-
гулирующего органа:
для круглых стальных труб при ламинарном режиме (Re < 2300)
X = 64/Re; (113)
при турбулентном режиме (Re >2300)
X = 1/(2 lg 19,5DTp)2. (114)
7. Потери давления на трение для части трубопровода до регули-
рующего органа на длине Па:
Дрт — X 2£)^ р;
Г и2
а ____<1 инач
арт1 — — рнач-
8. Сумма коэффициентов местных сопротивлений (табл. 30) для
части трубопровода до регулирующего органа
S = Si £2 Н---------h tn-
(П5)
148
Таблица 30. Коэффициенты сопротивления распространенных типов местных сопротивлений
Тип местного сопротивления Значение коэффициента £ К какой скорости отнесен
наименование ЭСКИЗ
1. Внезапное сужение У) | ' ff Л £ = 0,5 при выходе из большого пространства /х= = оо, £ = 0,5 V2
2. Внезапное расширение К, 1 55 f, £ = 1 — ПРИ вх°Де в большое пространство f — оо, £ = 1
3. Постепенное расширение 1 JaI Я | Величину £ по п. 2 умножают на коэффициент /С. а, град 5 10 20 30 45 К 0,082 0,167 0,425 0,80 1,0 ^1
4. Постепенное сужение а*. / \ ** 1 j | ч- При а < 20° величина £ = 0; а = 20—45° величина £ = 0,1; а > 45° величину £ берут по п. 1 V2
Тип местного сопротивления
наименование ЭСКИЗ
5. Простое колено а, град . . ? . . . .
6. Сложное колено x/d. . . . . с
7. Плавный поворот под прямым углом r+l « г-Hip rid . . . . С
8. Запорная задвижка hid ... . 1
9. Выход через систему ка- налов (решетку) F f/F ... . s
Vf S ' — 5
Продолжение табл. 30
Значение коэффициента £ К какой скорости отнесен
20 40 60 80 90 100 0,05 0,2 0,5 0,9 1,15 1,2 V1
1 2 3 4 5 6 0,37 0,28 0,35 0,38 0,40 0,42 V1
0,75 1,0 1,5 2,0 3,0 0,45 0,25 0,17 0,15 0,12 V1
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,8 2,8 11 V1
... 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1 ... 70 30 15 9 7 3 1 V1
9. Потери в местных сопротивлениях для части трубопровода
до регулирующего органа, Па
дРм = C(v2/2) р; (116)
Дрм1 = S С1 (^нач/2) рнач-
10. Потери давления в результате изменения уровня располо-
жения трубопровода от начала до регулирующего органа, Па
Apfel = Рнач^1-
11. Потери давления до регулирующего органа, Па
Др1 = Apri Арм1 Арль
12. Абсолютное давление перед регулирующим органом, Па
Р1 ~ Рнач Арр
13. Максимальный расход рреды для условий после регулирую-
тная
щего органа при рг и Т2; принимаем ра = рх — (0,3-г-0,4)
Ркон)> М3/Ч
Qmax 2 = Qmax н р2Тп '
14. Плотность среды при ра и Т2, кг/м3
р2 = Р1 "Йт?
15. Вязкость среды при р2 и Т2, v2, м2/с или р2) Па-с.
16. Скорость в трубопроводе, м/с:
для газов
v2 = 354Q max 2/Т?тр>
для жидкостей и пара
П2 — 354/Итах/£)?рР2-
17. Число Рейнольдса:
для газов
Re2 = 0,354 = 0,354 Q^2p2.;
для жидкостей и пара
Re2 = 0,354 = 0,354 .
^TpP2v2 ^трРг
18. Коэффициент трения для части трубопровода после
рующего органа определяют по формуле (123) или (124).
(П7)
регули-
19. Потери давления на трение для части трубопровода после
регулирующего органа £а, Па
Дрт2 — ^2 “Г" Рз-
151
20. Сумма коэффициентов местных сопротивлений (см. табл. 30)
для части трубопровода после регулирующего органа
S £2 = 4“ 4“ • • • +
21. Потери давления в местных сопротивлениях для части тру-
бопровода после регулирующего органа определяют по формуле
(126), Па
Дрм2 = £?й(У2/2)Р2-
22. Потери давления на выходе из расчетного участка. При исте-
чении газов через сопла потери определяют по рис. 54.
1200
0 Q2 ЦЬ Цб QB 1,0 1,2
Избыточное бобление лереб соплом
(потери бабления б сопле), МПа
Рнс. 54. Расход газа (при нор»
мальных условиях) н пара че-
рез 1 см2 минимального сечения
сопла:
1 — воздух при 20 °C; 2 — воз-
дух при 200 °C; 3 — кислород
при 20 °C; 4 — природный газ
при 20 °C; 5 — перегретый пар
при 300 °C
23. Потери давления вследствие изменения уровня расположе-
ния трубопровода от регулирующего органа до конца расчетного
участка, Па
Др»2 = p2gH2.
24. Потери давления после регулирующего органа, Па
Др2 = ДРг2 4“ Дрм2 4“ Дрвых + ^Ph2-
25. Суммарные потери давления на рабочем участке без регули-
рующего органа, Па
Дре = Др! + Др2.
26. Перепад давления в дроссельном регулирующем органе при
максимальном расчетном расходе, Па
ДРр = Рнач Ркон Дре-
3. Выбор размера регулирующего органа
1. Максимальный расход в условиях перед регулирующим
органом
Qmax 1 = Qmax н 1 •
152
2. Плотность среды для условий перед регулирующим органом,
кг/м3
Р1 = Рнач-^
Рнач* 1
3. Поправочный множитель на уменьшение плотности для газов
и пара е находят по рис. 55.
4. Число Рейнольдса (для смолы и мазута)
Rex = 0,354
5. Поправочный множитель на вязкость ф (для смолы и ма-
зута) при F/Fmax = 1 находят по рис. 56.
О <11 0,2 ф Q4 Ц5 Лр/Pt
Рис. 55. График для определения
поправочного множителя е, учи-
тывающего изменение плотности га-
за или пара при протекании через
регулирующий орган
Рнс. 56. График для определения
поправочного множителя ф, учиты-
вающего влияние вязкости веще-
ства, протекающего через регули-
рующий орган
6. Эффективное проходное сечение, соответствующее расчетному
максимальному расходу, м2:
для газа
aF
^max 1
5095Ё
(П8)
для жидкости и пара
aF = /Итах/(5С95еф ApPpi)>
(П9)
где a — коэффициент расхода, зависящий от конструкции и степени
открытия регулирующего органа.
7. Задаются максимальным открытием регулирующего органа,
соответствующим расчетному максимальному расходу.
8. Определяют aF/Fmav или aF/Fy по рис. 57.
153
9. Максимальная площадь проходного отверстия Гтах для кла-
панов и Гу для поворотных заслонок и шиберов, м2
р, ___ aF р, __ aF
max _ (aF/Fmax) НЛИ у “ (af/fy) ‘
10. Dy для поворотных заслонок, м
Ру = т/1,27Г;.
11. Диаметр условного прохода заслонки Dy, мм.
Рис. 57. График для определения эффективного проходного сечеиня:
а — клапанов (/ — конических и одиоседельных; 2 — двухседельных; 3 — прочих); б —
поворотных заслонок (/ — однолопастных круглых и прямоугольных; многолопастиых
с разделительными перегородками; 2 — двухлопастных жалюзи; 3 — трехлопастиых
жалюзи); в — шиберов (/ — в прямоугольном канале; 2 — в круглом канале)
12. Максимальная площадь проходного отверстия при принятой
Dy, м2
Гу = 0,785 • 10-6D2.
4. Построение рабочей характеристики
1. Задаются несколькими значениями расхода Qi в пределах от
Qmin до Qmax и определяют потери давления на дроссельном регули-
рующем органе Арр..
2. Находят давление перед регулирующим органом ри.
3. Определяют число Рейнольдса (для смолы и мазута)
Рву j = КеуЛ4г/Л4тах.
4. Находят поправку на вязкость 1рг по рис. 56.
5. Определяют расход среды Qu для условий перед регулирую-
щим органом.
6. Устанавливают относительный перепад давления на регулиру-
ющем органе Appj/pii.
7. Находят поправку на уменьшение плотности газа или пара ег.
8. Рассчитывают плотность среды перед регулирующим органом
Рп-
154
9. Определяют эффективное проходное сечение, соответствую-
щее Qi, м2:
для газа
аЛ = (<1г/5095ег) /Pu/Appi;
для пара и жидкости
aFi = Л1г/(5095егфг /Д/fyPn)-
10. Рассчитывают относительное эффективное проходное сечение
дроссельного регулирующего органа при Q, : aFi/Fmm и aFilFy.
11. Определяют относительное открытие клапана по отверстию
F/Fmax или угол поворота заслонки по рис. 57.
12. Определяют расход среды, проходящей через закрытый регу-
лирующий орган Qo.
13. Строят рабочую характеристику дроссельного регулирующего
органа.
14. Сравнивают полученную характеристику с заданной.
Указания по заполнению расчетного листа
1. Плотность и вязкость газов, пара и воды при нормальных и
рабочих условиях находят в соответствии с указаниями, приведен-
ными в § 1 настоящей главы. Плотность мазута находят по табл. 31,
вязкость по рис. 58.
2. Коэффициент трения и потери давления на трение Дрт опреде-
ляют отдельно для участков до регулирующего органа и после него.
Если £>тр изменяется, то потери давления на трение считают отдельно
для каждого участка с разным DTp.
При расчете потерь давления необходимо знать перепад давле-
ния на регулирующем органе при максимальном расчетном расходе
среды. Принимают, что эти потери составляют 30—40 % от (рнач —
— Ркон)> т- е- давление после регулирующего органа р2 — pi —
(0,3 4- 0,4) (рНач Ркон) Па.
Если р2, полученное в результате дальнейших расчетов, будет
значительно отличаться от принятого, то потери давления пересчи-
тывают, задаваясь другим перепадом на регулирующем органе.
Таблица 31. Плотность мазута при различных температурах, кг/м3
Темпе- ратура, °C Марки мазута Темпе- ратура, °C Марки мазута
10 20 40 80 10 20 40 80
20 900 930 950 1000 70 870 900 920 975
30 894 924 944 995 80 864 894 915 971
40 888 918 938 990 90 858 888 910 966
50 60 882 876 912 906 932 926 985 980 100 852 882 905 962
155
Для газов низкого давления и для жидкостей расчет потерь дав-
ления на трение и в местных сопротивлениях можно вести для всего
расчетного участка (при постоянном £>тр), считая скорость, вязкость
и плотность среды равными величинам инач, vHa4 и рнач.
3. Потери давления, обусловленные изменением уровня располо-
жения трубопровода, определяют для жидкостей и горячих газов.
Для других газов и пара этими потерями можно пренебречь.
4. Относительный ход регулирующего органа должен находиться
в пределах 0,1 с и с 0,9 при изменении расхода от Qmln до Qraax.
Рис. 58. Изменение вязкости мазута в зависимости от температуры:
1 — мазут 100; 2 — мазут 80; 3 — мазут 60; 4 — мазут 40; 5 — мазут 20
Для клапанов можно считать, что Q, = 0 при п = 0. Для по-
воротных заслонок Qo + 0, так как между крылом и корпусом
есть зазор. При расчетах зазор принимают равным 0,002 Dy. Коэф-
_ фициент расхода для полностью закрытой заслонки а0 = 3
Qo^=aoF(fi,oVr2Арр.0/рнач = O.OOOlD^so^Дрр.0/Риач м3/ч;
Л4о = 0,0001Руео]/Дрр.оРнач кг/ч.
5. Для круглых поворотных заслонок полученный расчетом
диаметр округляют до ближайшего стандартного значения, мм:
25, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 400, 500,
600, 700, 800, 1000, 1200, 1400. Для прямоугольных поворотных
заслонок по Fy определяют геометрические размеры.
156
Изменение рабочей характеристики
регулирующего органа
Если полученная рабочая характеристика регулирующего органа
совпадает с заданной, то сочленение исполнительного механизма
с регулирующим органом выполняют так, чтобы их перемещения
были пропорциональны.
Если рабочие характеристики не совпадают, то осуществляют
перепрофилировку плунжера клапана (при этом сохраняют пропор-
циональность перемещения исполнительного механизма и регулирую-
щего органа) или —такое сочленение исполнительного механизма
Рнс. 59. Жесткое сочленение клапана с исполнительным механизмом:
а и б — кинематические схемы; в — зависимость степени открытия клапана п от угла пово-
рота вала исполнительного механизма ф; 1 — схема «а»; 2 — схема «б»
с регулирующим органом, при котором зависимость хвх. р. о =
= /(^вых.и. м) обеспечивает получение заданной рабочей характери-
стики. При применении поворотных заслонок возможен только вто-
рой способ изменения характеристики.
На рис, 59 показано жесткое сочленение клапана с исполнитель-
ным механизмом. Длину рычага выбирают таким образов, чтобы по-
вороту вала на 90° соответствовал полный ход клапана. Соотношение
длин рычагов можно найти по приближенной формуле aitx —
— 0,71 /imax/rK.
При сочленении, изображенном на рис. 59, а, перемещение кла-
пана практически пропорционально углу поворота исполнительного
механизма. Если соединение выполнить по рис. 59, б, то степень
открытия клапана п = /i//iraax связана с углом поворота вала ис-
полнительного механизма нелинейной зависимостью (рис. 59, в).
Используя такое сочленение, можно приблизить расчетную рабо-
чую характеристику к заданной.
157
Управляя регулирующим органом при помощи кулачка, на-
саженного на вал исполнительного механизма (рис. 60), можно по-
лучить нужную рабочую характеристику комплекта исполнитель-
ный механизм — регулирующий орган q = f (<ри. м) при любой зави-
симости q = f (n).
Для получения пропорциональной зависимости степени откры-
тия клапана п — hlhmsa или угла поворота заслонки <рр. 0 от угла
Рнс. 60. Сочленение исполнительного механизма с регулирующим орга-
ном при помощи кулачка:
а — шибер; б — клапан; в — поворотная заслонка
поворота вала исполнительного механизма <ри. м нужно, чтобы
радиус кулачка равномерно увеличивался от гк0 до гктах при по-
вороте на угол, соответствующий полному ходу исполнительного
механизма. При этом зависимость <? = / (<ри. м) будет иметь рас-
четный характер q = f (<рр. 0) (рис. 61, а; кривая 1).
Наибольший радиус кулачка
Гк max = ^кО “И
где гк0 — минимальный радиус кулачка, принимаемый из кон-
структивных соображений; Дгк —приращение радиуса кулачка при
полном ходе исполнительного механизма, равное для шибера
158
(рис. 60, а) полному ходу регулирующего органа hmaK для клапана
(рис. 60,6)—для поворотной заслонки (рис. 60, в)
b/а - (/Z2 - (k + г)2 - г]2 - k}.
Профилировку кулачка для получения заданной рабочей характе-
ристики (рис. 61, а, кривая 2) осуществляют следующим образом:
1. Вычерчивают график рабочей характеристики q = f (<рр. 0),
полученной по расчету, и график заданной характеристики q =
2. Делят угол поворота на равное число частей, восстанавли-
вают перпендикуляры до пересечения с заданной рабочей характери-
стикой в точках аи а3, а3, ..., из которых проводят горизонталь-
ные линии до расчетной кривой 1, находят точки а[, а?, аз, ... и
соответствующие им углы <р{, ф2, фз,
3. Отдельно строят прямолинейную зависимость радиуса ку-
лачка от угла поворота исполнительного механизма (рис. 61, б) и
по углам ф[, фо, фз, ... определяют г{, г'з, г'з, ... нового кулачка.
4. Полный ход (угол поворота) исполнительного механизма делят
на то же число равных частей и последовательно откладывают ра-
диусы Гко, И, А, ..., rK тах. Соединяя концы радиусов плавной
линией, получают профиль кулачка, обеспечивающего заданную
159
рабочую Характеристику. Радиус гк0 определяют по конструктив-
ным соображениям в зависимости от диаметра выходного вала испол-
нительного механизма.
Выбор исполнительного механизма
Исполнительные механизмы выбирают в зависимости от величины
усилия, необходимого для перестановки регулирующего клапана
или величины момента для поворотных заслонок (данные для элек-
трических исполнительных механизмов приведены ниже в гл. III).
Для поворотных заслонок величину момента (Н-м), необходи-
мого для их вращения, определяют по формуле
М = К (Мр + Мт).
Момент на валу исполнительного механизма должен быть ра-
вен или больше момента, необходимого для вращения заслонки.
Реактивный момент, обусловленный стремлением потока закрыть
заслонку, Нм
Мр = 0,07Дрр.оРу,
где Арр.о — перепад давления на заслонке, Па; рекомендуется
при расчете принимать Дрр.о, равным избыточному давлению пе-
ред заслонкой ри1; Dy —диаметр заслонки, м.
Момент трения в опорах, Н-м
Л4Т = 0,785DyP„i ГцЛ,
где гш —радиус шейки вала заслонки, м; X = 0,15 — коэффициент
трения в опорах; /( = 2-i-3 — коэффициент, учитывающий затяжку
сальников и загрязненность трубопровода.
Глава III
ВЫБОР АППАРАТУРЫ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
При выборе аппаратуры системы автоматизации необходимо обеспе-
чить требуемую надежность системы, обосновать техническую и
экономическую эффективность выбранного варианта, рассчитать
измерительные и регулирующие устройства.
Аппаратуру выбирают прежде всего по функциональному при-
знаку, различая при этом:
а) средства для получения информации — датчики технологи-
ческих и энергетических параметров;
б) устройства для сбора и переработки информации — машины
централизованного контроля и вычислительные устройства;
в) средства для представления информации — показывающие и
самопишущие приборы;
г) средства для формирования и передачи управляющих воз-
действий — регуляторы, исполнительные механизмы, регулирующие
органы.
160
Отдельные группы й тийы измерительной и регулирующей аппа-
ратуры объединены государственной системой приборов (ГСП).
Общая ГСП охватывает всю номенклатуру приборостроительной
промышленности: ГСП контроля и регулирования технологических
процессов, ГСП контроля времени и др.
В ГСП контроля и регулирования технологических процессов
различают две части:
1) систему приборов со сквозным унифицированным сигналом;
2) нормализованные ряды приборов и устройств локального приме-
нения, в том числе регуляторы прямого действия, датчики релей-
ного типа и сигнализаторы. Первая часть делится на ветви: а) элек-
трическую (подветви — аналоговая и дискретная); б) пневмати-
ческую; в) гидравлическую. По функциональному признаку в первой
части различают пять групп устройств: 1) для получения и первич-
ной обработки информации; 2) для преобразования и дистанционной
передачи контрольной информации; 3) для обработки, хранения и
сравнения контрольной информации и выработки командной инфор-
мации; 4) для преобразования и дистанционной передачи команд-
ной информации; 5) использующие командную информацию для воз-
действия на технологический процесс.
; Части и ветви ГСП контроля и регулирования технологических
процессов содержат преобразователи сигналов, связывающие эти
части и ветви в единую систему. Унифицированными являются
сигналы: 1) переменного тока напряжением 1—0—1 В, 50 Гц (пре-
образователь дифференциально-транспортный ПД); 2) постоянного
тока силой 04-5, 04-20 или 44-20 мА (преобразователи с токовым
рыходом П—Э1, П—ЭР1, ММП и др.); 3) пневматический, давление
204-100 кПа (преобразователь электропневматический ЭПП); 4) ча-
стотный 44-8 кГц.
При выборе аппаратуры желательно комплектовать для системы
автоматизации устройства одной информационной системы с еди-
ным сквозным унифицированным сигналом.
§ 1. Надежность аппаратуры и систем автоматизации
Надежность системы автоматизации в значительной степени опре-
деляется уже в стадии проектирования, т. е. в проект должна быть
заложена определенная теоретическая надежность. Если расчетная
надежность удовлетворяет требованиям производства и достигнута
за счет разумных затрат, то это свидетельствует о высоком качестве
проекта.
Надежность — свойство прибора, регулятора или системы в це-
лом сохранять свои параметры в заданных пределах. В качестве ко-
личественных характеристик надежности обычно используют сле-
дующие:
1. Вероятность исправной (безотказной) работы Р (т), т. е. ве-
роятность того, что в заданном интервале времени 0 — т не про-
изойдет ни одного отказа.
2. Среднее время исправной работы (наработка на отказ) Тср, ч (с).
6 Глинков Г. М. и др. 161
Таблица 32. Характеристики надежности аппаратуры
в условиях металлургического производства
Элемент системы Т’ср1 4 К, 1/1000 ч
Доменный цех Термопары гр. ХА горячего дутья (основная и резервная) ** Термопары гр. ПП на куполах воздухонагрева-
624—756 7,37—7,65 *?
телей *3 Термопары гр. ХА на куполах воздухонагрева- 292—336 3,68—4,22
Телей 459—484 2,37—2,50
Компенсационные провода к термопарам . . . 5 600—10 850 0,092—0,179
Электронные потенциометры 1 535—1 600 1,33—1,53
Электрические регуляторы 1 165—2 160 0,48—0,86
Системы дистанционного управления исполни- тельными механизмами:
гидравлические 9 470 0,106
. электрические переменного тока 1 280 0,78
электрические постоянного тока Исполнительные механизмы: 10 500 0,095
гидравлические 15 800 0,064
электрические трехфазные 4 380 0,248
электрические однофазные 10 800 1,191
Регулирующие органы 15 750 0,064
Схемы электроснабжения 4 560 0,22
Мартеновский z. Радиационные пирометры для измерения тем- пературы: ех
свода рабочего пространства 55—75 41,3
воздушных регенераторов 123—149 40,0
газовых регенераторов 116—146 27,5
Электронные потенциометры Ртутные переключатели цепей радиационных 232 —
пирометров Система измерения температуры жидкой стали 560 —
термопарами погружения (вольфрам—молибден) 1 100 —
Отделение нагревательных колод Термопары гр. ПП для измерения температуры цев цеха блюминга
рабочего пространства колодца *4 880—1 260 —•
Электронные потенциометры 288—456 ——
Электрические регуляторы 767—1 440 —
Регулирующие. органы Исполнительные механизмы электрические од- 710—3 040 —
нофазные 3 040—3 200 —
Нагревательные печи прокатных цехов
Милливольтметр показывающий, регулирующий 1 960 —
Электрический регулятор Исполнительные механизмы: 613 —
электрические однофазные 5 350 —
трехфазные с тормозом 3 790 —
гидравлические 81 000 —
Гидравлический регулятор 9 500 —
*’ Давление дутья 250—300 кПа, температура 950 Термопары вынимают во время остановки печи. *• Температура 1230—1280 °C. *4 Температура 1300—1380 °C. -1050 °C.
162
3. Опасность отказов (интенсивность потока отказов) X, 1/ч (1/с).
4. Частоту профилактики К = (т + п)/т, где тип — число
осмотров и ремонтов за время работы т.
5. Среднее время восстановления тв, ч (с).
При работе в системе значительного числа элементов можно по-
лагать X fv const, тогда отдельные характеристики надежности
связываются простыми зависимостями:
Пр = 1/Х;
Р (г) = ехр (—Хт) = ехр (—т/Тср). (120)
Вероятность исправной работы сложной системы Рс (т) равна
произведению вероятностей исправной работы п ее составных эле-
ментов:
Рс (т) = Pi (т) Р2 (т) ... Рп (т). (121)
В системах с общим резервированием
Рр(т) = 1 - [1 -Р (т)Р, >
где Рр (т) относится к системе с резервированием; Р (т) — к исход-
ной системе.
В табл. 32 приведены производственные данные по количест-
венным характеристикам надежности некоторых средств контроля и
регулирования, используемых в металлургическом производстве.
Приведенные данные носят ориентировочный характер, но для срав-
нительных расчетов могут быть успешно использованы. В частности,
они позволяют оценить уменьшение надежности сложных систем
автоматизации, включающих в себя несколько различных элементов.
Такую оценку дают по следующей формуле, являющейся следствием
выражений (120) И (121):
1/Тср. с = Mi/Tср 1 + Ма/Тср а + ... + Мп/Тср п, (122)
где Тер. с — среднее время исправной работы системы, состоящей
из различных элементов п типов; Тсрп.— среднее время исправной
работы n-ного элемента; Мп — число n-ных элементов в системе.
Анализ выражения (122) показывает, что для значительного
увеличения надежности системы необходимо прежде всего повышать
надежность наименее надежного элемента.
Наиболее эффективные способы повышения надежности системы
автоматизации при проектировании —это упрощение системы, вы-
бор наиболее надежных элементов принципиальной схемы, облегче-
ние режимов работы элементов, резервирование.
§ 2. Расчет экономической эффективности систем контроля
и автоматического регулирования
Для определения экономической эффективности системы автомати-
зации сравнивают эксплуатационные затраты и капитальные вло-
жения.
6* 163
При определении общей суммы экономии на эксплуатационных
расходах в результате внедрения какого-либо варианта системы
автоматизации различают расходы Эп на технологический процесс,
для которого применяют рассматриваемую систему, и расходы Эс
по эксплуатации самой системы.
Годовую экономию (руб) на издержках эксплуатации системы
определяют по формуле:
ДЭС = ДЭМ + ДЭ3. ч + ДЭэ + ДЭэн + ДЭа + ДЭН,
где ДЭС — суммарная годовая экономия на эксплуатационных
расходах при внедрении данного варианта системы; ДЭМ —эко-
номия на расходе материалов; ДЭ8. ч—экономия на расходе за-
пасных частей; ДЭ3 —экономия на заработной плате; ДЭэн —эко-
номия на расходе энергии; ДЭа —экономия на амортизационных
отчислениях; ДЭН —экономия на накладных расходах.
Годовая экономия в технологическом процессе ДЭП склады-
вается под влиянием автоматизации на соответствующие параметры
производства, которые приводят к изменению статей затрат. В \ме-
таллургической промышленности экономия обычно достигается за
счет сокращения расходов сырья, топлива, огнеупоров, уменьшения
брака, а также в результате повышения производительности агре-
гатов, высвобождения обслуживающего персонала и др.
Общая сумма экономии на эксплуатационных расходах, руб/год
ДЭэ = ДЭС + АЭП.
Расходы по эксплуатации системы автоматизации не всегда можно
рассчитать в процессе проектирования по отдельным их состав-
ляющим, поэтому широко распространен метод определения расхо-
дов по укрупненным показателям.
Нормы амортизационных отчислений (%/год) на измерительные
и регулирующие устройства приведены ниже:
Лабораторное оборудование и приборы.......................20,0
Счетно-вычислительные машины ........................... 12,0
Приборы для контроля и регулирования технологических про-
цессов (кроме приборов для измерения и регулирования темпера-
туры) ................................................... 15,5
Приборы для измерения и регулирования температуры . . . 31,2
Затраты средств на обслуживание складываются из заработной
платы персонала, текущих затрат (на материалы, запасные части,
энергию) и накладных расходов (на охрану труда, оплату труда
административно-хозяйственного и вспомогательного персонала, кон-
структорские работы, транспорт, амортизацию контрольной аппа-
ратуры и ремонтных помещений, общезаводские расходы и др.).
Для упрощения расчетов можно выразить материальные затраты М
и накладные расходы Н в долях заработной платы основного произ-
водственного персонала 3, руб/год:
М = м3; Н — нЗ.
Примерные значения для м и н в металлургическом производстве
приведены в табл. 33.
1М
Таблица 33. Текущие материальные затраты и накладные расходы,
выраженные в долях заработной платы основного производственного персонала
(по системам автоматизации)_________________________________________________
Цех Коэффициент
материальных затрат, м накладных расходов, н
Аглофабрика, доменный, сталеплавильный . . Прокатный Вспомогательные 0,4—0,6 0,15—0,35 0,12—0,28 0,7—1,0 0,7—1,0 0,7—1,0
Таблица 34. Укрупненные нормы времени на обслуживание контрольно- измерительной и регулирующей аппаратуры, чел-ч/год
Наименование аппаратуры Разряд работы
4 5 6
Приборы для измерения тем. Термометр манометрический: показывающий без дополнительных устройств то же, с регулирующим устройством самопишущий без дополнительных устройств то же, с регулирующим устройством Термометр сопротивления Термопара (до 1000 °C) Термопара (до 1600 °C) Радиационный пирометр Милливольтметр: показывающий . самопишущий . . Логометр показывающий Потенциометр, мост электронный: показывающий самопишущий с дисковой диаграммой .... самопишущий с ленточной диаграммой . . . . Приборы для измерения давления Манометр: показывающий с электрическим выходным сигналом самопишущий Сигнализатор разности или падения давления Приборы для измерения р Дифманометры: мембранные бесшкальные показывающие самопишущие Вторичные приборы для измере/- разрежения и расход Электронный самопишущий: с дисковой диаграммой с ленточной диаграммой Пневматический: показывающий самопишущий пературы 10,4 20,0 21,6 25,6 10,4 10,4 16,0 16,0 16,0 14,4 17,6 18,4 23,2 и разреже? 6,2 12,8 8,0 13,6 асхода 9,6 13,6 16,8 шя давлена а 21,6 31,2 10,4 31,2 11,2 6,4 24,0 9,6 24,0 35,2 24,0 шя 5,6 16,0 12,8 19,2 24,0 я, 15,2 45,6 24,0 36,0 I g 1 1 £ II 1 1 ££1 1 1 1 >1 1 1 1 1 1 1 О К® О О О NO
16&
Продолжение табл. 34
Наименование аппаратуры Разряд работы -
< 5 | 6
Приборы для измерения уровня
Уровнемеры:
поплавковый 25,6 —
емкостный — 24#
пневматический 22,4 29,®
радиоактивный — 24,а
Приборы для определения состава газов и жидкостей
34,6
32,0
6.4
К4
Оптйко-акустический газоанализатор
Со'лёмёр . ........................
71,2
52„5
Автоматические регуляторы
Прямого действия
Гидравлические
Пневматические
Электронные . .
15,2
8,0
18,4
40,0
32,0
12,8 ,
24,0) ।
13,6i
18,4
Исполнительные механизмы
Малой мощности . .
Повышенной мощности
40,0
41,6
11,2
13,6
Примечание. Нормы времени учитывают следующие виды работ: 1) текущее',
обслуживание; 2) планово-предупредительные ремонты; 3) снятие и установку аппаратуры;:
4) капитальные Ремонты; 5) пуск и иаладку схемы контроля, регулирования и сигнализации»
6) поверку приборов.
Таблица 35. Стоимость 1 чел.-ч, руб.
Разряд Эксплуатацион- ный персонал (премия 20 %) Ремонтный персонал (премия 30%) Разряд Эксплуатацион- ный персонал (премия 20 %) Ремонтный персонал (премия 30%)
1 0,6684 0,596 4 0,8900 0,788
2 0,7272 0,649 5 1,002 0,893
3 0,8040 0,785 6 1,146 1,0227
Заработную плату обслуживающего персонала 3 следует рас-
считывать, используя нормы времени на обслуживание (табл. 34)
И стоимость человека-часа при различных разрядах работы
(табл. 35), руб/год:
3=2з^л, (123)
где з< —стоимость человека-часа i-того разряда, руб/чел.-ч.; А^п —
норма времени на обслуживание n-ного устройства работником
t’-того разряда, чел.-ч/год.
Затраты по формуле (123) суммируют по всем разрядам работы
и по всем устройствам рассматриваемой системы автоматизации.
1вв
Табл. 34 не охватывает всех применяемых в металлургии средств
автоматизации, но затраты времени на обслуживание не указанной
в табл. 34 аппаратуры можно рассчитать по аналогии.
Общие затраты средств на обслуживание системы автоматизации
составляют, руб/год:
Ээ = k (1 + м + н) 3. (124)
При определении эксплуатационных затрат Ээ необходимо учи-
тывать затраты на резервные контрольно-измерительные приборы
и регуляторы, их число составляет 3—5 % от числа установленных
на технологических агрегатах. Стоимость резервной аппаратуры
следует относить к капитальным затратам, а затраты средств на под-
держание резерва в работоспособном состоянии (ремонт, складские
расходы) учитывать поправочным множителем k = 1,01-?-1,02 в фор-
муле (124).
Капитальные затраты заложены в смету, в которой учитывают
стоимость оборудования, материалов и строительно-монтажных работ
с соответствующими начислениями (транспортные расходы, накопле-
ния монтажных организаций и др.). Составление сметы представляет
собой сложную и трудоемкую задачу, составить смету можно только
по рабочим чертежам системы. Для сравнительных расчетов капи-
тальных затрат по различным вариантам системы автоматизации
можно использовать стоимость основной аппаратуры Ао (по функцио-
нальной схеме). Эта стоимость представляет собой сумму цен кон-
трольно-измерительной и регулирующей аппаратуры.
На стадии проектного задания общие капитальные затраты (руб.)
можно оценить по фбрмуле
К = (1 + т) Ао,
где т—стоимость материалов и монтажа в долях от стоимости
основного оборудования (по принципиальной схеме).
Для аглодоменного производства т = 1,1—1,3; для сталепла-
вильного т = 0,9—1,1; для прокатного т = 0,8—1,0; для вспомо-
гательных производств т = 0,5—0,7.
Годовой экономический эффект (руб) для двух сравниваемых ва-
риантов автоматизации 1 и 2 следует рассчитывать по формуле:
Э — Э81 — Ээ2 -|- Ен (Ki — Кг)= АЭэ -j- Ен АК,
где Ki, 2 — капитальные затраты (в основное производство, на аппа-
ратуру и монтаж системы автоматизации) при внедрении сравни-
ваемых вариантов, руб; Ен = 0,15 1/год—нормативный коэффи-
циент сравнительной эффективности капитальных затрат.
Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений Т =
— АК/АЭд не должен превышать трех —четырех лет.
Если в процессе проектирования возникает задача определения
штата обслуживания персонала, то для нахождения списочной чис-
ленности рабочих i-того разряда необходимо норму времени £Ntn
167
разделить на эффективный фонд рабочего времени. При 7-ч рабочем
дне и 12-дневном дополнительном отпуске эффективный фонд рабо-
чего времени составляет 1790 чел.-ч/год.
§ 3. Выбор аппаратуры технологического контроля и сигнализации
При выборе аппаратуры контроля и сигнализации необходимо учи-
тывать параметры контролируемой и окружающей среды —темпе-
ратуру, давление, состав, влажность, запыленность, электрические
свойства, а также условия измерения —размеры и характер кон-
тролируемого объекта, расстояние между точкой измерения и вто-
ричным прибором, механические воздействия (удары, вибрацию),
наличие источников питания. Должны быть выдержаны требования
противопожарной техники и охраны труда и требования, предъяв-
ляемые технологическим процессом к погрешности, чувствитель-
ности и инерционности аппаратуры. Если имеется возможность, то
следует применять унифицированную аппаратуру: приборы и регу-
ляторы одной информационной системы, одного завода-изготовителй
и т. д. Это облегчит обслуживание системы управления и позволит
сократить число резервных приборов, регуляторов и сигнализаторов.
Шкалы показывающих и самопишущих приборов должны быть
выбраны таким образом, чтобы характерные значения измеряемых
величин укладывались в последнюю половину или треть шкалы;
в отдельных случаях приходится устанавливать несколько приборов
с разными шкалами для контроля одной и той же величины при раз-
ных режимах работы агрегата (например, для контроля низкого и
повышенного давления колошникового газа на доменной печи).
Использовать начальную часть шкалы и самый ее конец не рекомен-
дуется. Для однотипных неответственных измерений температуры,
давления и разрежения можно использовать простейшие одноточеч-
ные показывающие приборы с ручными переключателями (переклю-
чатель щеточный ПМТ-4 —ПМТ-20 на 4—20 точек для термометров
сопротивления, термопар или радиационных пирометров; кран-
переключатель КП-3, КП-6 на 3 или 6 импульсных линий для измере-
ния давления или разрежения).
При выборе аппаратуры для горячих и в то же время открытых
цехов металлургического производства предпочтение следует отда-
вать приборам с температурной компенсацией. Большинство прибо-
ров рассчитано на относительную влажность окружающего воздуха
до 80 %, что позволяет использовать аппаратуру в обычном испол-
нении почти на всех участках завода. В отдельных случаях (в местах
с поливным охлаждением —для шихты доменной печи, клети про-
катного стана и др.) требуются приборы водо- или брызгозащищен-
ного исполнения.
Общие рекомендации по выбору аппаратуры сводятся к следую-
щему:
1. При измерении температур до 300 °C более целесообразно
применять не термопары, а термометры сопротивления, как более
чувствительные датчики.
168
2. Милливольтметры не следует применять для измерения низ-
ких температур, так как их погрешность в этом случае резко воз-
растает.
3. Необходимо оценить ожидаемую скорость изменения измеряе-
мой величины и использовать такой вторичный прибор, скорость
движения указателя которого по шкале не меньше, чем ожидаемая
скорость изменения измеряемой величины, тогда прибор будет рабо-
тать в следящем режиме и его динамические погрешности можно не
учитывать. Увеличение быстродействия прибора сверх указанного
не рекомендуется, так как с увеличением быстродействия уско-
ряется износ измерительной системы прибора.
4. Если динамические свойства объекта управления характери-
зовать передаточной функцией
^об (р) = ko5e х°вр/(Тобр +1),
а измерительного прибора — функцией
^Иэм (р) = &изме изм₽/(7'измР 4“ 1)>
то при выборе метода и средства измерения контролируемой и регу-
лируемой величины можно исходить из условий:
Ч'изм (0,2 -г- 0,3) тоб; Тизм <: (0,2 -J- 0,3) Тор.
В табл. 36 приведены динамические характеристики некоторых
измерительных устройств.
Передаточные функции вторичных приборов для измерения тем-
пературы (электронных мостов и потенциометров), вторичных при-
боров для измерения давления, разрежения и расхода можно пред-
ставить в виде
(р) = ^ИЗм4^И»мР 4-1),
где ТиЗМ « 0,1 тшк (тшк—время прохождения указателем 100 %
шкалы).
5. Малогабаритные и миниатюрные приборы, особенно самопи-
шущие, обычно работают менее точно и надежно по сравнению с при-
борами нормальных размеров; показания их менее заметны обслужи-
вающему персоналу.
6. При выборе манометров (дифманометров) следует руковод-
ствоваться следующими соображениями:
мембранные показывающие тягомеры и напоромеры можно уста-
навливать в местах, подверженных вибрации, но они боятся агрес-
сивных (особенно сернистых) газов; чувствительность их невысокая;
основным достоинством колокольных дифманометров является
высокая"’чувствительность, поэтому они находят широкое приме-
нение при измерении и регулировании давления в рабочем про-
странстве мартеновских и нагревательных печей;
сильфонные дифманометры малоинерционны, но легко разру-
шаются при перегрузках; лучше всего выдерживают перегрузки
мембранные дифманометры ДМ с водяным заполнением мембранных
блоков.
Таблица 36. Динамические характеристикн контрольно-измерительной
аппаратуры
Наименование аппаратуры Условия определения характеристик ТИЗМ’С Т’изм» с
Манометрический термо- метр Нагрев от 30 до 100 °C в воде при скорости 0 м/с 1 8
Термометр сопротивле- ния: Нагрев от 40 до 60 °C в потоке воздуха при скорости 8 м/с 2 12
в стальном чехле Нагрев от 30 до 100 °C в воде при скоро- сти 0 м/с 8 120
в латунном чехле То же 3 33
Термопара ТХА Нагрев от 30 до 900 °C в воздухе при ско- рости 0 м/с 26 168
в стальном чехле Нагрев от 625 до 650 °C в продуктах сго- рания при скорости 0,1 м/с 30 174
Термопара ТПП: Нагрев от 830 до 860 °C в продуктах сго- рания при скорости 0,4 м/с 14 93 ?
в фарфоровом чехле Нагрев от 30 до 1100 °C в воздухе при скорости 0 м/с 27 240
Нагрев от 1170 до 1200 °C в продуктах сгорания при скорости 7 м/с 9 35
в фарфоровом и карбо- рундовом чехлах Нагрев от 1170 до 1200° С в продуктах сго- рания при скорости 7 м/с 20 112
Радиационный пирометр Визирование на раскаленную ленту с тем- пературой 1170 °C 0,1 2,5
Дифманометр мембран- ный ДМ Мгновенный сброс давления с максимума до нуля 0,15 1,5
7. Расходомеры переменного перепада давления получили ши-
рокое распространение благодаря универсальности: приборы при-
менимы для измерения расхода жидкости, газа или однофазного пара
при значительных давлениях и температуре измеряемой среды. Ве-
личина отношения максимального измеряемого расхода к минималь-
ному не должна превышать 3-?5. Погрешность измерения обычно
находится в пределах ± (14-2) %.
8. Уровень жидкости в закрытых сосудах с паровым объемом це-
лесообразно измерять дифманометрами — уровнемерами в комплекте
с уравнительными сосудами.
9. Учетные и регулируемые параметры регистрируют при по-
мощи самопишущих приборов; для контроля других, менее ответ-
ственных параметров достаточно установить показывающие приборы.
В связи с усложнением металлургических агрегатов и ростом
оснащенности их средствами контроля и управления оператору необ-
ходимо иметь информацию о текущем или прошлом состоянии и
тенденциях процесса в наиболее компактной и понятной форме.
Целесообразно в некоторых случаях применять так называемые
«графические панели», т. е. изображения на щите технологической
схемы процесса или агрегата с установкой в точках измерения и
170
СИШЛйЗйЦий йиниатюрйыХ приборов и сигнальных устройств; при-
менять избирательные системы контроля и управления, функциони-
рующие «по вызову»; использовать машины автоматического центра-
лизованного контроля и сигнализации. Форма предъявления опе-
ратору информации должна уменьшать или исключать необходи-
мость запоминания значений параметров, для чего целесообразно
применять на шкалах приборов отметки зон «норма».
Устройства, от которых оператор получает информацию, могут
быть органами количественной (приборы) или качественной (инди-
каторы) информации. Показывающие, самопишущие или цифровые
Приборы дают возможность оператору определить численное значе-
ние параметра. Оптические (сигнальные лампы, табло) и акустиче-
ские (звонки, гудки, сирены) индикаторы сообщают оператору о со-
стоянии отдельных элементов объекта («много», «мало», «открыто»,
«включено» и др.).
Показывающие приборы используют для определения числен-
ного значения параметра в данный момент, контроля нахождения
параметра в зоне «норма», установки и поддержания заданного зна-
чения. параметра при помощи органов управления, поддержания со-
ответствия одного параметра другому (слежения). По виду отсчетных
устройств показывающие приборы можно подразделить на приборы
с подвижной стрелкой или с подвижной шкалой и цифровые. Соот-
ношение между функциональным назначением прибора и видом его
отсчетного устройства рекомендуется выбирать в соответствии
с табл. 37.
При пользовании табл. 37 необходимо учитывать, что измерение
быстроизменяющихся параметров цифровым прибором затруднено
вследствие мелькания цифр младших разрядов. Приборы же с круг-
лой шкалой и подвижной стрелкой дают возможность оператору
легко оценивать скорость изменения параметра.
Самопишущие приборы оператор использует в качестве регистра-
торов тенденции изменения основных параметров процесса. С этой
точки зрения удобство представляют горизонтально перемещающиеся
ленточные диаграммы, так как в этом случае ось времени, располо-
Таблица 37. Рекомендации по выбору показывающих приборов
Назначение прибора Отсчетное устройство
с подвижной стрелкой с подвижной шкалой цифровое
Отсчет численного значения параметра Контроль нахождения параметра в зоне «Норма» Установка и поддержание заданного зна- чения параметра Слежение Допустимо Рекомен- дуется То же » Допустимо Не реко- мендуется Допустимо » Рекомен- дуется Не реко- мендуется Допустимо Не реко- мендуется
171
^Таблица 38. Первичные приборы для измерения температуры
го '
Наименование Тип Пределы измерений, °C
Термометры сопротивления платиновые ТСП и медные тем ТСП-5071 ТСП-6097 ТСП-25 ТСП-047К ТСМ-5071 ТСМ-6097 —200—600 —50—250 —200—100 —50—200 —50—150 —50—150
ТСП-5081 —50—200
ТСП-309М ТСП-410-01 ТСП-339 ТСМ-410-01 — 10—100 0—120 —60—60 0—120
Термопары: хромель-алюмелевые ТХА ТХА-151 ТХА-0515 ТХА-0806 ТХА-1479 —50—1000 —50—900 0—1000 0—750
ТХА-706 ТХА-1007 —50—1000 0—600
хромель-копелевые ТХК ТХ К-0515 ТХ К-0806 ТХК-1479 —50—600 0—600 0—600
пл атин ородий- пл ати н овые ТПП ТПП-1378, ТПП-0555 0—1300
платин ороди й- платин оро- диевые ТПР-0573 300—1500
ТПР-1273 300—1300
Характеристика и область применения в металлурги-
ческой промышленности
Для измерения температуры жидких и газообразных
сред в одной точке
Во взрывоопасных помещениях при скорости жидко-
сти до 3 м/с и газа до 40 м/с
Для измерения температуры подшипников и вкла-
дышей подшипников
Для измерения температуры жидкости и газа
Для измерения температуры в доменном производ-
стве, для измерения температуры лещади доменной
печи
Для измерения температуры жидкости и газа
Для измерения температуры газа
Для измерения температуры горячего дутья домев-
ных печей'
Для измерения температуры насадки воздухонагре-
вателей, конструкция головки — водозащищенная
ТПР-2075К ТПР-1408М ТПР-2075У ТПР-1418М 300—1800
Агрегатный комплекс стаци- онарных пирометрических преобразователей и пироме- тров излучения АПИР-С Оо ППТ-131 ППТ-121 ППТ-142 ПЧД-121-01 ПЧД-121-06 ПЧД-131-01 ППТ-131-01 ППТ-131-03 ППТ-121-01 ППТ-131-05 ППТ-121-02 ППТ-131-07 ПЧД-111 ПЧД-121 ПЧД-131 ПЧД-111-01 ПЧД-111-02 ПЧД-121-02 ПЧД-131-02 ПЧД-121-03 ПЧД-131-03 ПЧД-111-03 ПЧД-121-04 ПЧД-131-04 ПЧД-111-04 ПЧД-121-05 ПЧД-131-05 ПЧД-111-05 ПЧД-121-06 ПЧД-131-06 Гр. РФ-4А, 100—400 Гр. РК-15А, 400—1500 Гр. Р-3, 30—300 Гр. ДК-20, 1000—2000 Гр. ДГ-17, 1100—1700 Гр. ДК-20, 1000—2000 Гр. РФ-6А, 300—600 Гр. РК-15А, 400—1500 Гр. РК-20А, 900—2000 Гр. РС-25А, 1400—2500 Гр. РС-25А, 1400—2500 Гр. ДК-12, 800—1200 Гр. ДК-20, 1000—2000 Гр. ДК-25, 1500—2500 Гр. ДГ-7,5, 450—750 Гр. ДГ-11, 700—1100 Гр. ДГ-13, 600—1300 Гр. ДГ-17, 1100—1700
Для кратковременного измерения температуры рас-
плавленного металла контактным методом: в кон-
верторе; в электродуговых печах; на МНЛЗ; в мар-
теновских печах.
Конструкция головки — водозащищенная, изогну-
тая, с защитным экраном; материал защитной ар-
матуры — корунд; устойчивость к механическим
воздействиям — обыкновенная
Для измерения радиационной и яркостной темпера-
туры тел. Представляет собой совокупность пиро-
метрических преобразователей, вторичных измери-
тельных преобразователей с унифицированным вы-
ходным сигналом ГСП и вспомогательных устройств
(монтажной н защитной арматуры). Вторичные из-
мерительные преобразователи имеют выходные сиг-
налы постоянного тока 0—5 или 4—20 мА н напря-
жения постоянного тока 0—100 мВ или 0—10 В. В.
качестве вынесенных вторичных показывающих и
самопишущих приборов используются профильные-
миллиамперметры и вольтметры серии М 4234, при-
боры серии КВ, КС, А (АСКР) и АСК- Показатель,
визирования измерительных преобразователен 1/5,.
1/15, 1/25, 1/50, 1/100, 1/200, 1/300. Основная по-
грешность 1,0—2,0%. Эксплуатируются при тем-
пературе окружающей среды от 5 до 50 °C н относи-
тельной влажности воздуха до 80 %. Преобразова-
тели ППТ работают при температуре окружающего
воздуха от 5 до 100 °C.
Наименование Тип Пределы измерений, °C
Пирометрические преобра- зователи и пирометры серии «Смотрич» комплекса АПИР—С 1—1 1—2 1—3 2—1 2—2 2—3 3—1 3-2 3—3 100—200, 150—350 300—700 500—1400, 50—200 150—350, 300—700 30—150, 100—350 30—150, 100—350 300—1100, 1000—1400, 1400—2200 800—1200, 1000—1600 1200—1800, 1400—2000 1700—2600, 2100—3500
Пирометрические преобразо- ватели и пирометры спек- трального отношения серии «Веселка» комплекса АПИР—С 4—1 4—2, 4—3 5—1, 5—2, 5—3 6—1, 6—2, 6—3 1300—1800, 1600—2200, 200—2800 500—800, 700—1100 900—1400 200—500, 300—700
Пирометр спектрального от- ношения Спектропир-8 Спектропир-10 Модификации: 01 02 03 04 05 06 07 400—700 300—520 500—700 600—1000 900—1300 1200—2000 1800—2200 2000—2800 2200—3000
Продолжение табл. 38
Характеристика и область применения в металлур-
гической промышленности
Показатели визирования 1/25, 1/50, 1/100, 1/150,
1/200, 1/300. Выходные сигналы: нелинейные 0—1 В,
0—100 мВ; линейные 0—10 В, О—5 мА, 4—20 мА,
0—100 мВ. Быстродействие от ОД! до 2,5 с; погреш-
ность 1,0—2,5 %
Показатели визирования 1/15, 1/25, 1/50, 1/100.
Выходной сигнал: линейный 0—100 мВ, 0—10 В,
0—5 мА, 4—20 мА. Погрешность 1,0—2,0 %
Для измерения цветовой температуры. Погрешность
измерения не более ±1,5% от верхнего предела
измерений. Показатель визирования 1/25, 1/50,
1/1Q0
Таблица 39. Первичные приборы для измерения давления, разрежения, расхода и уровня
Наименование Тип Пределы измерений, кПа Характеристика и область применения в метал» лургическом производстве
Приборы без дистанционной передачи показаний
Манометр показывающий с одновитковой трубчатой пружиной МТ-1 (2, 3, 4) 100—40 000 Для измерения давления жидкости или газа; по- грешность измерения ±4 %; допустимая темпе- ратура в месте установки —50—60 °C; устанав- ливают на общецеховых коллекторах сжатого воздуха, природного газа, воды, пара и др.
Манометр самопишущий МТС-711, МТС-712, МТ2С-711, МТ2С-712 600—160 000 Для регистрации показаний (например, для учетных целей); допустимая температура окру- жающей среды 10—60 °C; погрешность измере- ния ±1,6 %
Вакуумметр самопишущий BTC-711, ВТС-712 —60—100 Для измерения разрежения, класс точности 1
Маиовакуумметр МВТС-711, МВТС-712 —100—60; —100—1500 Для измерения небольших давления и разреже- ний, класс точности 1
Манометр пружинный пока- зывающий МП, МП-2, МП-3, МП-5 600—60 000 Измерение избыточного давления неагрессивных жидкостей, газов и паров
Манометр, маиовакуумметр показывающий АМУ-1, АМУ-2, АМВУ-1 600—60 000 То же
Манометр сверхвысокого давления СВ 250 000—1 000 000 Для измерения избыточного давления жидкостей
Тягомеры, тягонапоромеры, напоромеры мембранные по- казывающие ТМП-52, ТНМР-52 НМП-52 0,25—25 Для измерения малых давлений напора) или разрежения (тяги) газовых сред; используют для контроля тяги дымовых труб, давления венти- ляторного воздуха, газов на печах с газовым отоп- лением и для других второстепенных измерений; погрешность измерения ±2,5 %
Продолжение табл.39
Наименование Тип Пределы измерений, кПа Характеристика и область применения в метал- лургическом производстве
Манометры дифференциаль- ные сильфонные ДСС-710 (самопишущий) ДСП-780 (показывающий) 0,63—160 Для измерения расхода, разности давлений жид- костей и газов, уровня жидкости; класс точности 1,0 и 1,5
Приборы с дистанционной передачей показаний
Манометры дифференциаль-
ные мембранные
Дифманометр колокольный
-с дифференциально-транс-
форматорным преобразовате-
лем
Манометры, вакуумметры,
мановакуумметры показы-
вающие с токовым выход-
ным сигналом
Преобразователи давления
-кислородные электрические
ДМ 23573 (предельное
допустимое рабочее из-
быточное . давление
Ризб. доп ~ 6300 кПа)
ДКО 3702
МП4-У1
ВП4-У1
МВП4-У1
ММЭ-К
МПЭ-К
1,6—2500
0,1—1,0
60—160000
60—100
—100—2 400
100—1000
1600—60000
Для измерения давления, разрежения, разности
давлений, расхода жидкости, пара и газа, уровня
жидкости. Применяются для работы в комплекте
со вторичными дифференциально-трансформа-
торными приборами, машинами централизован-
ного контроля и др. Погрешность измерения
±1,6%. Не могут быть использованы при ми-
нусовых температурах, так как замерзает вода
в мембранных блоках
Для измерения малых давлений и перепадов
давлений;-заполнение — масляное; погрешность
измерения ±1,6%
Для измерения избыточного и вакуумметриче-
ского давления неагрессивных жидкостей, газов
и паров, отсчета показаний и выдачи унифици-
рованного токового выходного сигнала 0—5 мА
Для измерения давления газа
Измерительные преобразова- тели полупроводниковые Кристалл 100—40 000 Для измерения избыточного давления и выдачи унифицированного выходного сигнала постоян- ного тока; классы точности 1 и 1,5
Измерительные преобразова- тели «Сапфир-22» Модификация 22 ДА: 2020, 2030 2040, 2050 2051, 2060, 2061 22 ДИ: 2210, 2120 2130, 2140 2150, 2151, 2160, 2161, 2170, 2171 22ДВ: 2210, 2220, 2230, 2240 Абсолютное давле- ние 2,5—16 000 Избыточное давле- ние 0,25—100 000 Разрежение 0,25— 100 Для работы в системах автоматического контро- ля, регулирования и управления технологиче- скими процессами, для непрерывного преобразо- вания измеряемого параметра (давления избы- точного, гидростатического, разрежения, раз- ности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи (0—5 или 0—20 мА); мо- гут измерять уровень жидкости, расход жидкости или газа (в комплекте с блоком извлечения корня БИК-1). Погрешность измерения 0,25—1,0%
Дифманометры перепадо- .меры, расходомеры, напоромеры,3 тягомеры сильфонные эле- ктрические ДСЭ-МИ ДСЭР-М ДСЭН-МИ ДСЭТ-МИ 1,0—4,0 1,0—4,0 1,0—4,0 —1,0—4,0 Для измерения расхода по перепаду давления в сужающих устройствах, разности давлений, избыточного давления, разрежения, уровня и преобразования измеряемого параметра в уни- фицированный электрический токовый выход- ной сигнал 0—5, 0—20, 4—20 мА (для расходо- меров только 0—5 мА) То же
Дифманометры перепадо- меры, уровнемеры расходомеры мембранные электрические ДМЭ-МИ ДМЭУ-МИ ДМЭР-М 4,0—25,0 4,0—25,0 4,0—25,0
Таблица 40. Вторичные приборы
Наименование Тип Характеристика и область применения в металлургическом производстве
Милливольтметр Логометр Ш 4501, Ш 4500, Ш 69003 Ш 69000, Ш 69006, Ш 69001, Ш 69002 Для неответственных измерений тем- пературы в комплекте с термопарами; погрешность ±1,6%; допустимая тем- пература окружающей среды 10—35°C; шкалы: гр. ПП 0—1300, 0—1600, 500—1300; гр. ХК 0—600; гр. ХА 0—600, 900, 1100 °C Для работы в комплекте с термометра- ми сопротивления гр. 50П, 100П; шка- лы: от —200 до 0°С; от 0 до 500; от —50 до 0; от 0 до 180 °C
Электронные вторичные приборы i
Потенциометры авто- матические Милливольтметры и вольтметры автомати- ческие, показываю- щие и самопишущие Мосты автоматиче- ские Прибор дифферен- циально-трансформа- торный Прибор тензометри- ческий КСП1, КСП2, КСПЗ, КСП4 КСПЗ-У КСП-1 (2, 3, 4) КПУ-1 (2, 3, 4) КСМ1, КСМ2, КСМЗ, КСМ4, КМ—140 КПМЗ-МГ (сигна- лизирующий) КСД2, КСДЗ КСТЗ (2, 4) Для контроля основных регулируемых автоматически параметров металлур- гического производства; погрешность ±0,5%; могут работать при темпера- туре окружающей среды 0—50 °C Работают в комплекте с термопарами на 1, 3, 6, 12 точек измерения, пере- ключение точек — автоматическое с заданной цикличностью Работает в комплекте с радиационным пирометром. Частота вращения диа- граммного диска -t- 1 оборот за 24 ч Для измерения и записи унифициро- ванных сигналов постоянного тока 0—5, 0—20 мА Для измерения температуры, разности температур, солесодержания (КСМ2 обычно работает в комплекте с солеме- ром РЭС-106). Работают главным об- разом в комплекте с термометрами со- противления. Частота вращения диа- граммного диска 1 оборот за 24 ч. Для последовательного контроля тем- пературы в 12 точках и сигнализации о повышении температуры и аварийном режиме работы подшипников воздухо- дувок, прокатных станов и др. Зада- ние аварийной температуры в любой точке шкалы Для измерения и записи давления, разности давлений, разрежения, рас- хода, уровня жидкости. Работает в ком- плекте с датчиками ДМ, ДКО Для работы в электротеизометрических дистанционных силоизмерительных и весодозирующих системах
17?
Продолжение табл. 46
Наименование ТнП Характеристика и область применения в металлургическом производстве
Мосты, потенциоме* ТрЫ показывающие Вторичные пневма- тические приборы КВМ1, КВП1 Для измерения солесодержания вод* ных растворов, Имеют вращайщййсЯ циферблат Рекомендуется применять Для взрыво- опасных объектов при условии Обеспе- чения высокого качества очистки воз- духа от влаги и пыли; особенно тяже- лые условия работы пневматической ап- паратуры — в зимнее время, так как допустимая температура окружающей среды для них 10—15 °C (условия более жесткие, чем для электронных приборов)
Интегрирующий при- МСС-712П (пока- Для принятия пневматических сигна-
бор зывающий) । МСС-712Р лов, суммирования мгновенных зна- чений расхода жидкости, пара и газа То же, регистрирующий прибор. Диа- грамма равномерная, пропорциональ- ная расходу
Пневматический по- казывающий прибор ППВ1 ППВ2 Для измерения одного параметра, пре- образованного в давление воздуха от 20 до 100 кПа. С сигнальным устройством
Прибор контроля ППМ-2СП Для измерения теплоэнергетических
пневматический пока- зывающий много- шкальный параметров в системах централизован- ного контроля. Обеспечивает одновре- менное измерение четырех величин од- ной из 20 технологических точек
Таблица 41. Шкалы мостов и потенциометров
Градуировка Шкалы
ш 5П 10П 50П 100П 500П ЮМ 50М 100М хк —50—1100 °C —100—1100 °C —200—1000 °C —260—1000 °C —260—1000 °C —260—300 °C —50—200 °C —50—200 °C —200—200 °C —50—100 °C, 150, 200; 0—100, 150, 200, 300, 400, 600; 200—600; 200—800 °C
ХА 0—400, 600, 800, 900, 1100, 1300; 200—600, 1200 ; 400—900; 600—1100 ; 700—1300 °C
ПП ПР—30/6 0—1300, 1600; 500—1300 °C 300—1600; 1000—1600, 1800 °C
АПИР—С, «Смотрич», «Веселка» 0—100 мВ; 0—1 В; 0—10 В; 0—5 мА; 4—20 мА (30—3500 °C) — 100—100; —10—10; 0—1, 10, 20, 50, 100 мВ —20—20; —5—5; 0—5; 0—20; 4—20 мА
179
«Таблица 42. Приборы для контроля состава и качества
Наименование Тип Пределы измерения
Газоанализаторы: термокондуктометриче- ские ТП-1120 ТП-4102 0—5 % Н2, 0—100 % Н2 0—100 % сн4
ТП-2301 0—20 %, 40 %, 60—100 % N2
ТП-2220 0—10 % СО2, 0—40 % СО2
оптикоакустические ОА-2109 ОА-2209 ОА-2309 0—1; 2; 5; 10 % 20; 30; 50; 70; 100 %
и нфр акрасный автома- тически й ГИАМ-5 0—40; 0—80 % СО2
малогабаритный авто- матический ГАК-1 0—20; 40 % О2
Газоан ал ити ческа я си- стема АСГА-Д 20—35 % СО; 10—30 % СО2
АСГА-К 2—20 % Н2; 0—0,5 СН4
асга-о2 0—20 %; 40 % О2
Солемер РЭС-106 0—4 мг/кг
Датчик погружной ДПг-4М 1,5—14,5 pH
Автоматический кисло- род омер АК-300 АК—П 0—0,1 мг/л
Характеристика и область применения в металлурги-
ческом производстве
Анализ горючих газов
Анализ воздуха на содержание метана
Анализ воздуха на содержание азота
Анализ горючих газов и продуктов сгорания
Анализ горючих газов и продуктов сгорания на GO
(ОА-2109), СО2 (ОА-2209) и СН4 (ОА-2309)
Анализ продуктов сгорания
Анализ дутья, обогащенного кислородом
Анализ колошникового газа доменных печей
Анализ конверторного газа
Анализ доменного дутья на кислород
Для автоматического контроля солесодержания насы-
щенного пара. Измерение и регистрация солесодержа-
ния может производиться одновременно в двух точках
Для контроля активных ионов водорода к растворах
и пульпах
Для определения содержания кислорода, растворенно-
го в деаэрированной питательной воде котельных уста-
новок, систем испарительного охлаждения и др.
Таблица 43. Преобразователи сигналов
Наименование Тип Входной сигнал Выходной сигнал
Преобразователи дав- ИС-Э; МС-Э; Давление Токовый
ления измерительные электрические с си- ловой компенсацией ГСП МП-Э; МСв-Э (сила посто- янного тока 0-5; 0—20 мА)
ТС-Э; ВС-Э; ТНС-Э; МВС-Э Вакуум, разрежение Токовый
Электросиловой пре- П-Э1 (линейная Усилие (чувствительного »
образователь характеристика) элемента датчика давле- ния, температуры, уров- ня, перепада давления, плотности и др.)
П-ЭР1 (квадра- тичная характе- ристика) Усилие (дифманометра- расходомера) »
Преобразователи из- ТСПУ, Ш-71, Сопротивление термоме- »
мерительные для тер- мометр ов соп р отив- ления Ш-72, Ш-73 тра сопротивления
Таблица 44. Машины централизованного контроля и регулирования
Наименование Тип Характеристика
Машина централи- зованного конт- роля МЦК м-40 Для сбора информации от аналоговых и дискретных датчиков, регистрации (с сиг- нализацией) параметров на цифропечатаю- щей машине, преобразования аналоговых сигналов в цифровой код; производит вы- дачу двухпозиционных сигналов на ис- полнительные механизмы, линеаризацию и масштабирование параметров, вывод ин- формации на цифровую индикацию и пер- фоленту, обмен информацией с ЭВМ более высокого уровня (СМ ЭВМ, М-6000); МЦК М-40 работает в реальном масштабе времени. Максимальное число вводимых аналоговых сигналов 1000, дискретных — 688, двухпозиционных — 960
Машина централи- зованного контро- ля и регулирова- ния М-4 Для ’автоматического централизованного двухпозиционного регулирования темпе- ратуры, обнаружения отклонений значе- ний температуры от заданных предельных установок с регистрацией на бумажном бланке и выдачей сигнала на включение световой сигнализации. Первичными дат- чиками являются термопары гр. ХК, ХА; ПП-1 шести • диапазонов температур или термометры сопротивления гр. 21, 22, 23 семи диапазонов температур. Число то- чек контроля и регулирования 120 или 240
181
Лродолжёние табл. $
Наименование Тип Характеристика
Автоматическая машина управле- ния и регулирова- ния АМУР-К Для централизованного регулирования температуры, сигнализаций Отклонений температуры от заданных уставок и из- мерения величины отклонения темпера- туры от заданной по Вызову оператора. Число точек контроля 80 йлн 160
Машина автома- тической реги- страции и сигна- лизации М-5 Для автоматического контроля и регистра- ции температуры. Работает в комплекте с термометрами сопротивления. Число контролируемых точек 1728
Контроллер регу- лирующий микро- процессорный (ре- миконт) Р-100 Для автоматического регулирования тех- нологических процессов (преобразования, обработки информации от датчиков и дру- гих устройств управления, формирования управляющих воздействий и взаимодей- ствия с оператором-технологом); реали- зует алгоритмы автоматического регули- рования (аналогового и импульсного ре- гулирования динамического, статического и нелинейного преобразования и управ- ляющей логики); число аналоговых вхо- дов и выходов — до 64, дискретных — до 126; число импульсных выходов для уп- равления исполнительными механизма- ми — до 64
Микро-ЭВМ «Элек- Вычислительные Для сбора, накопления и обработки циф-
троннка-бОМ» комплексы 15ВУМС-28-026 и 15ВУМС-28-025 ровой информации, научно-технических и инженерно-конструкторских расчетов, моделирования и управления объектами в реальном масштабе времени; централь- ный процессор выполняет 89 команд, в том числе умножения, деления и другие ко- манды арифметических действий с фикси- рованной и плавающей запятой; имеется оперативная память 56 кбайт и внешнее за- поминающее устройство на гибких маг- нитных дисках 512 кбайт; устройство ввода — вывода: с клавиатуры дисплея, на дисплей, на печать
женная горизонтально, позволяет использовать запись на диаграмме
как естественный график процесса.
В качестве оптических индикаторов целесообразно применять
лампы красного (опасность), желтого или желто-оранжевого (внима-
ние) и зеленого (безопасность) цвета. В качестве акустических ин-
дикаторов лучше применять источники прерывистого звука (звонки),
чем сирены и гудки.
При выборе аппаратуры необходимо использовать номенклатур-
ные справочники, которые содержат технические характеристики
приборов, применяемых во всех отраслях народного хозяйства.
Для облегчения пользования справочниками в табл. 38—44 при-
ведены краткие рекомендации по выбору контрольно-измерительных
182
приборов, сигнализаторов и вычислительных машин, обычно
применяемых в системах контроля металлургических про-
цессов.
§ 4. Выбор аппаратуры управления
При выборе автоматических регуляторов необходимо обеспечить
требуемый закон управления И, П, ПИ, ПИД, ПД. Кроме того диа-
пазон настроек выбранного регулятора должен содержать в себе рас-
четные коэффициенты передачи, постоянную интегрирования (время
изодрома), постоянную дифференцирования, полученные при рас-
чете автоматической системы управления. Характеристики некото-
рых типов регуляторов, применяемых в металлургической промыш-
ленности, приведены в табл. 45, а работающих с ними электрических
исполнительных механизмов в табл. 46.
На металлургических предприятиях находят широкое примене-
ние новые приборы агрегатного комплекса электрических средств
регулирования (АКЭСР), входящие в аналоговую ветвь Государ-
ственной системы приборов. Технические и эксплуатационные ха-
рактеристики АКЭСР выгодно отличаются от регуляторов преды-
дущего поколения и поэтому при курсовом и дипломном проектиро-
Таблица 45. Регуляторы, применяемые на металлургических объектах
Тип Закон регули- рования Датчик Пределлы настрЬйки
коэффи- циент передачи постоянная интегриро- вания, с постоян- ная диф- ференци- рования,с
Р17 (система Каскад-2) п, ПД, пи, ПИД С унифицированными выходными сигналами 0,3—100 0,5—2000 0—600
Р27 (система Каскад-2) То же То же 0,3—10 5—2000 0—400
РП2-ПЗ » Дифференциально- трайсформаторный 0,5 2 —
РП2-СЗ » Термометр сопротивле- ния 0,5 2 —
РП2-ТЗ » Термопара ~Ч),5 2 —
РП2-УЗ С унифицированными ' сигналами 0,5 2 —
РП4-У п, пи, ПИД С унифицированными сигналами постоянного тока 0,5—5 0—500; 20—2000 —
РП4-Т То же Термопары, термоме-. тры сопротивления, с унифицированными сигналами постоянного тока 0,5—5 0—500; 20—2000 —
РП4-П » Дифференциально-транс- форматорные, индук- тивные, реостатные 0,5—5 0—500; 20—2000 —
183
Таблица 46. Электрические исполнительные механизмы
Тип ^Номинальный кру- тящийся момент на выходном валу, Н- м Номинальное время полного хода выходного вала, с Номинальный ход выходного вала, обороты
МЭО-4/Ю-0,25-68 40 10 0,25
МЭО-4/25-О,63-68 40 25 0,63
МЭО-10/10-0,25 100 10 0,25
МЭО-10/25-0,63 100 25 0,63
МЭО-10/25-0,25—68 100 25 0,25
МЭО-25/25-0,25 250 25 0,25
МЭО-25/63-0,63 250 63 0,63
МЭО-25/63-0,25 250 63 0,25
МЭО-25/160-0,63 250 160 0,63
МЭО-10/63-0,63 100 63 0,63
МЭО-1,6/25-0,63 16 25 0,63
МЭО-4/63-0,63 40 63 0,63
ИМТМ-4/2,5 40 2,5 0,97
МЭМ-4Б 40 25; 63; 160; 400 10; 25; 63
МЭМ-10Б 100 25; 63; 160; 400 10; 25; 63
вании желательно использовать схемы регулирования на блоках
АКЭСР.
Структурная схема, показывающая принцип комплектации си-
стемы регулирования из типовых блоков АКЭСР, приведена на
рис. 62. Объект автоматического управления 1 оснащается датчиком
2, сигнал которого поступает на блок распределения и кондуктив-
ного разделения сигналов 3. В этот блок могут поступать сигналы
из других систем регулирования или от других датчиков, например,
при регулировании соотношения. Сигнал от датчика размножается
кондуктивным разделителем и может из блока 3 подаваться в УВМ
и другие системы регулирования.
Размноженные сигналы из блока 3 поступают в блоки преобразо-
вания: вычислительный 4 (алгебраические действия), нелинейных
преобразований 5, динамических преобразований 6, логических
операций 7 (сравнение сигналов, ограничение и др.). Соответствую-
щим образом подготовленная информация поступает в регулирующий
блок 8, в котором формируется закон управления. Корректирующие
сигналы от УВМ могут поступать в систему через блок 3 или непо-
средственно в блок 8. В регулирующий блок подается сигнал и от
ручного задатчика 9.
Выходные сигналы регулирующего блока Смогут быть получены
в виде сигналов постоянного тока 1 (0—5 мА) либо постоянного на-
пряжения U (±10 или ±24 В). Эти сигналы поступают на блоки
управления 10, в которых осуществляется переход от автоматиче-
ского управления к ручному, дистанционное управление исполни-
тельным механизмом 13 и указывается положение регулирующего
154
органа 14. Блок индикации И показывает состояние системы (от-
клонение регулируемой величины от заданного значения и харак-
тер выходного сигнала регулирующего блока «Больше», «Меньше»),
Выходные сигналы блока 10 усиливаются по мощности усилителем
12, выход которого может быть релейным Р или аналоговым, непре-
рывным А. В первом случае усилитель воздействует на электромаг-
нитный пускатель, во втором — на магнитный или тиристорный уси-
литель. В системе предусматривается возможность использования
Рис. 62. Структурная схема автоматической системы регулирования, выполненная
на блоках АКЭСР
пневматических исполнительных механизмов 15. При этом токовый
сигнал блока управления 10 преобразуется преобразователем 16
в нормированный сигнал давления.
В АКЭСР входят следующие основные блоки.
Устройства ввода-вывода информации:
блок кондуктивного разделения с сумматором БКР1;
блок кондуктивного разделения двухканальный БКР2;
блок кондуктивного разделения с двумя нуль-органами БКРЗ;
Функциональные устройства:
блок вычислительных операций БВО;
блок нелинейных преобразований БНП;
блок селектирования БСЛ;
блок сигнализации БСГ;
185
блок прецизионного интегрирования БПИ;
блок динамических преобразований БДП.
Регулирующие блоки:
регулирующий импульсный блок (без автоподстройки параметров)
РБИ1;
регулирующий импульсный блок (с дискретной автоподстройкой
параметров —три ступени) РБИ2;
регулирующий импульсный блок (с аналоговой подстройкой пара-
метров) РБИЗ;
регулирующий аналоговый блок РБА.
Блоки оперативного управления:
блоки ручного управления (однокнопочный, двухкнопочный, трех-
кнопочный) БРУ-IK, БРУ-2К, БРУ-ЗК;
блок ручного управления (трехкнопочный с встроенным индика-
тором) БРУ-У;
ручной задатчик РЗД;
ручной задатчик (с встроенным переключателем) РЗД-К:
Все блоки, кроме блоков оперативного управления, выполняются
в двух вариантах: панельном (буква П в обозначении блока, напри-
мер, БКР1-П) и шкафном (буква Ш в обозначении блока —БКР1-Ш)-
Основные технические характеристики регулирующих блоков
РБИ и РБА, необходимые для их выбора в соответствии с расчет-
ными параметрами регуляторов, следующие:
РБИ РБА
Зона нечувствительности, % от верхнего предела вход-
ного сигнала ...................................... 0,2—2 0,2—2
Длительность импульсов, с ......................... 0,1—1 —
Постоянная интегрирования, с....................... 5—500 3—500
Постоянная дифференцирования, с.................... 0—230 0—200
Скорость связи, %/с (% от верхнего предела входного сиг-
нала) .......................................... . 0,2—2,5 —
Время демпфирования, с............................. 0—20 0—10
Погрешность суммирования сигналов, %............... ^0,5 ^0,5
В аналоговом блоке РБА предусмотрена возможность ограниче-
ния выходного сигнала и его реверсирования. Импульсные и анало-
говый блоки обладают таким широким диапазоном настроек, что
обеспечивается возможностью их применения в системах управления
практически всеми технологическими процессами в черной и цветной
металлургии.
Пример составления функциональной схемы регулирования тем-
пературы в печи показан на рис. 63. Т. э. д. с. термопары преобра-
зуется нормирующим преобразователем в стандартный сигнал, кото-
рый через блок кондуктивного разделения БКР2 поступает в регу-
лирующий блок РБИЗ и в УВМ. При этом цепи локальной системы
регулирования гальванически отделены от цепей УВМ, что сущест-
венно повышает помехоустойчивость и надежность работы системы.
Блок РБИЗ формирует ПИД-закон управления и через бесконтакт-
ный реверсивный пускатель ПБ-74 управляет исполнительным меха-
низмом регулирующего органа на газопроводе. Обратная связь
осуществляется через блоки управления БУ2 и БРУ-У. С помощью
последнего может осуществляться дистанционное управление испол-
186
нительным механизмом при переходе от автоматического к ручному
управлению.
Задание блоку РБИЗ может быть установлено либо ручным за-
датчиком РЗД, либо может вводиться от УВМ через блоки БРУ-2Д
и БРУ-ЗК. При этом сигнал задания интегрируется блоком преци-
зионного интегрирования БПИ, что обеспечивает безопасный пере-
ход от ручного к автоматическому управлению. При работе с руч-
ным задатчиком может быть введено корректирующее воздействие
из других локальных систем управления. Это воздействие посту-
пает через блок БДР1, разделяющий цепи УВМ. и локальной системы.
Топливо
Рис. 63. Структурная схема регулирования температуры в печи,
выполненная на блоках АКЭСР
На рис. 64 представлена функциональная схема регулирования
горёния (соотношения топливо—воздух). Сужающее устройство 1
в газопроводе в комплекте с датчиком (дифманометром) 2 измеряет
расход газа, поступающего в печь. Расход горячего воздуха, посту-
пающего из рекуператора измеряется сужающим устройством 3 и
датчиком 4, а температура воздуха—термопарой 5. Сигналы от
датчиков через блоки кондуктивного разделения БКР поступают
в схему локального регулирования на блоки вычислительных опе-
раций БВО 6 и 7 и на УВМ. В блоке 6 осуществляется коррекция
расхода горячего воздуха по его температуре, а в блоке 7 — умно-
жение сигнала расхода газа на заданный коэффициент расхода воз-
духа. Предусмотрена регистрация расходов приборами 8 и 9.
Задание регулятору соотношения устанавливается ручным за-
датчиком РЗД и через управляющий блок БРУ-2Д вводится в блок 7.
Регулирующий блок РБИ формирует ПИ- или ПИД-закон управле-
ния и через блок БРУ-У управляет исполнительным механизмом 10
187
регулирующей заслонки 11 на воздухопроводе. Коррекция задания,
например от газоанализатора, вводится в систему через блок БК.Р1
и через него уже в УВМ. Сигнал задания с учетом корректирующего
воздействия интегрируется блоком прецизионного интегрирования
БПИ. При переходе от ручного управления к автоматическому вы-
ходной сигнал БПИ через блок БРУ-2К. вводится в блок 7, что обес-
печивает плавный (безударный) переход от ручного к автоматиче-
скому управлению.
Рис. 64. Структурная схема регулирования горения (соотношения
топливо—воздух) в печи, выполненная на блоках АКЭСР
Задание блоку РБИ может автоматически вводиться от УВМ
через управляющие блоки БРУ-2К., БРУ-ЗК и блоки БПИ. Выбор
метода установки задания осуществляется блоками БРУ-2К и
БРУ-ЗК.
Новым и перспективным направлением в области автоматизации
металлургических процессов является применение устройств упра-
вления на микропроцессорной базе. В будущем микропроцессоры
вытеснят другую управляющую технику во многих системах управ-
ления, однако уже сейчас в курсовых и дипломных проектах следует,
хотя бы частично, предусматривать использование микропроцес-
сорных устройств.
Примером таких устройств может служить регулирующий микро-
процессорный контроллер (ремиконт) Р-100. Ремиконт содержит
элементы, позволяющие принимать, преобразовывать и обрабаты-
вать информацию от датчиков и других устройств, формировать
управляющие воздействия и осуществлять взаимодействие с опера-
тором-технологом. Ремиконт рассчитан на технологическое програм-
мирование. которое настраивает его на выполнение определенной
188
алгоритмической задачи. Это программирование ведется непосред-
ственно на объекте управления в соответствии с набором простых
правил, определяющих последовательность нажатия клавиш на
панели оператора. Ремиконт Р-100 может быть использован для по-
строения систем автоматического управления в металлургической
промышленности, требующих многоканального, многосвязного, кас-
кадного, программного управления, а также управления с пере-
менной структурой. Он ориентирован, в основном, на автоматиза-
цию непрерывных и непрерывно-дискретных технологических про-
цессов, но может быть использован также и для решения несложных
задач дискретного управления. Ремиконт Р-100 обрабатывает инфор-
мацию, поступающую как в аналоговой, так и в цифровой форме.
Состав аппаратуры Р-100 наращивается в соответствии с требуемым
числом каналов ввода—вывода и числом каналов управления. Реми-
конт размещается в одном блочном каркасе и имеет шкафное или
приборное исполнение.
Модули ремиконта делятся на группы: 1) микропроцессорный
вычислитель; 2) устройства связи б объектом (УСО); 3) устройства
связи с оператором.
Микропроцессорный вычислитель состоит из четырех модулей:
процессора ПРЦ, функционального расширителя процессора ФРП,
постоянного запоминающего устройства ПЗУ и оперативного запо-
минающего устройства ОЗУ. ПРЦ и ФРП выполняют цифровую
обработку информации, в ПЗУ хранится «зашитая» программа,
в ОЗУ хранятся параметры, запрограммированные оператором.
Устройства связи с объектом состоят из шести модулей — четы-
рех преобразователей и двух гальванических разделителей. Аналого-
цифровой преобразователь АЦП преобразует входной аналоговый
сигнал в цифровую форму;.цифро-аналоговый преобразователь ЦАП
осуществляет обратное преобразование; дискретно-цифровой ДЦП
и цифро-дискретный ЦДП преобразователи выполняют аналогичные
функции для дискретных сигналов. Модули ДЦП и ЦДП имеют
встроенную гальваническую развязку сигналов, модули АЦП и ЦАП
такой развязки не имеют. При необходимости развязки сигналов
перед АЦП и после ЦАП включаются соответственно гальваниче-
ский разделитель входной и гальванический разделитель выходной.
Устройства связи с оператором состоят из панели оператора и
трех модулей. Клавишная панель оператора используется для тех-
нологического программирования и избирательности оперативного
управления. Модуль УМ-2 сопрягает панель оператора с другими
модулями ремиконта; модуль индикации МИН используется для из-
бирательного контроля входных и выходных сигналов; с помощью
модуля сигнализации отказа МСО осуществляется диагностика не-
исправностей ремиконта.
Библиотека алгоритмов ремиконта представляет собой набор
законченных программных модулей, решающих определенную алго-
ритмическую задачу. Библиотека алгоритмов насчитывает 25 наи-
более употребительных в практике автоматического управления
алгоритмов, включая ПИД-аналоговое и ПИД-импульсное регули-
18»
рование, динамические преобразования, математические функции,
нелинейные преобразования, управляющую логику и др.
Основные технические данные Р-100
Число аналоговых входов.............................
Число дискретных входов.............................
Число аналоговых выходов ...........................
Число дискретных выходов ...........................
Число импульсных выходов для управления исполни-
тельным механизмом постоянной скорости .............
Число алгоритмических блоков .......................
Число алгоритмов управления.........................
Число функций управления............................
Время цикла, с......................................
Входные — выходные аналоговые сигналы ..............
Входные дискретные сигналы, В:
логический. О (любой знак)................. . . . .
логическая 1 (любой знак)........................
Выходные дискретные (импульсные) сигналы:
логический 0.......................................
логическая 1 ....................................
До 64
До" 126
До 64
До 126
До 64
До 64
25
40
0,27; 0,51; 1,02; 2,04
0—5; 0—20; 4—20 мА;
0—10 В
0—3
18—30
Разомкнутое состояние
контактов '
Замкнутое состояние
контактов
Г л а в а IV
содержание и методика оформления
ТЕКСТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРОЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
В состав текстовых материалов проектно-сметной документации
входят: пояснительная записка, спецификации й ведомости мате-
риалов, вопросные листы, результаты расчетов сужающих устройств
и регулирующих органов, сметы или сметные расчеты.
§ 1. Пояснительная записка
Пояснительную записку составляют на стадиях «Проект» и «Рабо-
чая документация». Она должна быть составлена кратко и ясно.
Содержание записки должно дать четкое представление об основных
технических решениях проекта, необходимых при выполнении мон-
тажных и наладочных работ.
В отдельных случаях для технически сложных объектов в состав
пояснительной записки включают схемы, графики и т. п., которые
не входят в состав графических материалов проекта.
Пояснительная записка, составленная на стадии «Проект», со-
держит как правило, следующие основные разделы: общую часть,
краткую характеристику объекта автоматизации, основные техни-
ческие решения по автоматизации, объем выданных заданий, а также
сведения по капитальным затратам и экономической эффективности
создания системы автоматизации.
В общей части пояснительной записки приводят обоснования для '
разработки проекта, конкретную задачу проекта и исходные данные
190
ДЛЯ Проектирования. При необходимости ДаЮТ ссылки на Материалы
и документы согласования основных проектных решений, а также
указывают имевшие место изменения и дополнения задания на проек-
тирование и т. п.
В разделе «Краткая характеристика объекта автоматизации»
приводят краткое описание объекта управления с анализом целесо-
образности его автоматизации. При описании технологических
процессов обращают внимание на особенности работы технологиче-
ского оборудования. Приводят характеристику материальных и
энергетических потоков и рабочих сред (запыленность, влажность,
агрессивность, пожаро- и взрывобезопасность производственных
помещений).
Указывают требования, предъявляемые к точности управления
технологическими процессами и контроля их, дают оценку уровня
автоматизации и подготовленности технологических процессов к ав-
томатизации с использованием современных технических средств.
Материал по разделу «Основные технические решения по автома-
тизации» делят на два подраздела.
В первом подразделе приводят:
а) краткое описание и анализ существующей организационной
структуры управления технологическим объектом (для действующих
объектов);
б) обоснование принятой в проекте структуры управления техно-
логическим объектом с учетом распределения сформулированных
функций и решаемых задач между отдельными иерархическими сту-
пенями управления;
в) права и обязанности оперативного персонала;
г) сведения об организации и размещении пунктов управления и
сбора производственной информации и их взаимосвязи (со ссылкой
на графические материалы проекта);
д) требования по обеспечению связи проектируемой системы упра-
вления с системами более высокого уровня.
Во втором подразделе приводят обоснование выбора комплекса
технических средств системы автоматизации, необходимости разра-
ботки новых технических средств, а также использования в проекте
особо дефицитных кабелей, проводов, электроаппаратуры и т. п.
и сведения о наличии согласования в установленном порядке воз-
можности их поставки.
В разделе «Объем выданных заданий» приводят перечень заданий,
выданных на разработку мероприятий в смежных частях проекта
(строительной, электрической и др.), связанных с обеспечением
надежной работы системы автоматизации технологического процесса.
Далее приводят общую стоимость капитальных затрат на систему
автоматизации, в том числе стоимость технических средств и их мон-
тажа, а также результаты расчета экономической эффективности от
внедрения принятой системы автоматизации технологического про-
цесса.
Пояснительная записка, составленная на стадии «Рабочая доку-
ментация», содержит: общую часть, краткую характеристику объекта
191
автоматизаций, основные Технические решения, указания к монтаж-
ным чертежам.
В общей части пояснительной записки приводят сведения об ут-
верждении проекта с указанием утверждающей инстанции, о согла-
совании изменений отдельных технических решений и дополнений,
принятых при утверждении проекта и в процессе разработки рабо-
чей документации, об уточненных заданиях, возникших в процессе
проектирования.
Краткую характеристику объекта автоматизации дают в том же
объеме, что и на стадии «Проект».
В разделе «Основные технические решения» приводят следующие
данные: краткое описание принятой в проекте структуры управления
объектом; сведения о размещении пунктов управления, щитов и
пультов; описание систем технологического контроля, автоматиче-
ского регулирования, управления и сигнализации; сведения о вновь
разработанных приборах и средствах автоматизации; результаты
инженерных расчетов (в виде таблиц) систем автоматического, регу-
лирования, сужающих устройств и регулирующих органов.
Указания к монтажным чертежам содержат:
а) особенности установки технических средств и выполнения про-
водок, обусловленные требованиями инструкций по монтажу и
эксплуатации и спецификой производства (установка на амортиза-
торах, поддув чистого воздуха, теплоизоляция проводок, примене-
ние специальных монтажных материалов и т. п.);
б) сведения о применении типовых блоков, узлов и монтажных
изделий для обеспечения индустриализации монтажных работ (со
ссылкой на монтажные чертежи);
в) краткие пояснения к монтажным и установочным чертежам
проекта.
При одностадийном проектировании «Рабочий проект» в поясни-
тельную записку включают сумму сведений, входящих в поясни-
тельные записки к проекту и рабочей документации.
Оформление титульного и последующих листов пояснительной
записки выполняют в соответствии с требованиями СН 460—74.
§ 2. Ведомости, спецификации и сметы
на оборудование и монтажные материалы
На стадии «Проект» составляют ведомости приборов и средств авто-
матизации, кабельной и проводниковой продукции по укрупненной
номенклатуре. Ведомости оформляют в виде перечня оборудования
и монтажных материалов с указанием их основных технических
характеристик.
Эти материалы не являются документами для заказа оборудования
и материалов. Их составляют на основании принятых в проекте
принципиальных решений по автоматизации объекта и укрупненных
показателей расхода материалов на монтаж приборов и средств авто-
матизации. Ведомости предназначены для планирования маТериаль-
192
ных ресурсов, а также для составления локальных и объектных
сметных расчетов затрат на автоматизацию объекта.
Спецификации составляют при выполнении рабочей документации.
Они предназначены для заказа оборудования, кабельно-проводни-
ковой продукции и монтажных материалов.
Госснабом СССР установлена специальная форма спецификаций
на приборы и средства автоматизации; средства вычислительной
техники, электроаппаратуру; щиты и пульты; трубопроводную арма-
туру; кабели и провода; основные монтажные материалы и изделия
(трубы, металлы, монтажные изделия); нестандартизированное обо-
рудование.
В отличие от ведомостей в спецификациях приводят исчерпы-
вающие сведения, необходимые для заказа оборудования и мате-
риалов. Спецификацию на приборы и средства автоматизации состав-
ляют на основании функциональных и принципиальных схем. При
этом приборы и средства автоматизации объединяют в группы в соот-
ветствии с контролируемыми параметрами:
температура, давление и разрежение; расход, количество и уро-
вень; состав и количество вещества; прочие приборы, регуляторы
и комплектные устройства. Позиционные обозначения, присвоен-
ные приборам и средствам автоматизации в функциональных и
принципиальных схемах, в спецификации сохраняют без изменения.
Спецификацию на электроаппаратуру составляют по разделам: элек-
троаппаратура, устанавливаемая на щитах и пультах, и электро-
аппаратура, устанавливаемая вне щитов и пультов, при этом сохра-
няют позиционные обозначения, принятые в принципиальных элек-
трических схемах.
В спецификацию трубопроводной арматуры включают: регули-
рующие органы; запорную арматуру с электрическим пневматиче-
ским и гидравлическим приводами; запорную арматуру с ручным
приводом, не поставляемые комплектно с технологическим оборудо-
ванием. В спецификацию на щиты и пульты включают все вспомога-
тельные элементы к ним, предусмотренные проектом.
В спецификацию на кабели и провода включают всю кабельно-
проводниковую продукцию, прокладываемую вне щитов и пультов.
Спецификацию на провода и кабели составляют по разделам: сило-
вые кабели, контрольные кабели, экранированные провода и кабели,
установочные провода, компенсационные провода. Кабели и провода
располагают в порядке возрастания числа жил и сечения.
Спецификацию на основные и монтажные материалы и изделия
составляют по разделам: трубы, черные металлы, цветные металлы,
монтажные изделия, на основании схем внешних соединений, планов
расположения средств автоматизации и электрических, и трубных
проводок, монтажных схем щитов и пультов.
В спецификацию нестандартизированного оборудования вклю-
чают оборудование и изделия, необходимые для реализации данного
проекта автоматизации, но не поставляемые промышленностью.
Пример формы спецификации'с фрагментом заполнения по функцио-
нальной схеме термической печи (см. рис. 5) приведен в табл. 47.
7 Глинков Г. М. и др. 193
Таблица 47
Предприятие -------------------
Объект (производственная мощность)
| № п. п | № поз. по тех- нологи- ческой схеме, место ус- тановки Наименование и техниче- ская характеристика ос- новного и комплектующего оборудования, приборов, арматуры, материалов, ка- бельных н других изделий. Предельные зиачеиия пара- метра Тип, марка, каталог, № чер- тежа, материал, № опросного листа ЗавоД-изготови- тель (для импорт- ного оборудова- ния — страна, фирма) Единица измерения
наи- мено- вание код
1 2 3 4 5 6 7
На приборы и средства
1 1а Преобразователь термо- электрический, гр. ХА68, монтажная дли- на 800 мм, защитная ар- матура — сталь 15Х25Т ТХА—0806 5Ц2.821. 625—04 Приборострои- тельный завод г. Луцк ШТ. 1
2 16 Потенциометр самопи- шущий с выходным пре- образователем ИП11-01, с выходным сигналом 0—5 мА, с од- нопозиционным сигна- лизирующим устрой- ством, гр. ХА68, пределы измерений 0—1100 °C кспз—П мод. 1041 Приборострои- тельный завод «Теплоприбор», г. Челябинск шт.
Кабельная
1 Кабель силовой с алю- миниевыми жилами в ре- зиновой оболочке, двух- жильный, сечением 2,5 мм® АНРГ-0,66 «У кр кабель», г. Киев КМ
На стадии «Проект» составляют сметные расчеты (локальные,
объектные и сводные), в рабочей документации составляют сметы
(локальные, объектные) и сводные сметные расчеты. Эта сметная
документация определяет стоимость приобретения и монтажа техни-
ческих средств систем автоматизации и все связанные с этим строи-
тельно-монтажные работы на технологическом объекте. Эти мате-
риалы являются также основными документами, по которым осу-
ществляют планирование капитальных вложений и финансирование
строительства.
Сметный расчет составляют по следующим разделам: оборудова-
ние; щиты и комплектная аппаратура; соединительные линии; мате-
риалы, не учтенные ценниками на монтаж; строительные работы.
194
Спецификация №.
Код оборудова- ния Потребность по проекту Стоимость еди- ницы, руб. Потребность на пусковой комплекс Ожидаемое на- личие на нача- ло планируемого года (в том чис- ле на складе) Заявленная по- требность на планируемый год Принятая потребность на 19 год
всего в том числе по кварталам стоимость всего, тыс. руб.
I II III IV
8 9 10 и 12 13 14 15 16 17 18 19
продукция
— 0,005
0,005
Стоимость оборудования и материалов в сметном расчете опреде-
ляют по действующим прейскурантам, стоимость монтажных работ —
по сборникам на монтаж оборудования.
Основанием для составления сметного расчета являются заказные
ведомости на стадии «Проект» и заказные спецификации в рабочей
документации.
В сметном расчете, выполняемом по специальной форме, к общей
стоимости оборудования и материалов добавляют (в процентах)
затраты на заготовительно-складские и транспортные расходы, зап-
части, тару, упаковку и плановые накопления.
7*
105
АВТОМАТИЗАЦИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
Часть КУРСОВОЕ
вторая И ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Глава V
АВТОМАТИЗАЦИЯ В МЕТАЛЛУРГИИ
§ 1. Подготовка рудного сырья
Агломерация руд черных и цветных металлов
Металлургический цикл начинается с агломерационной фабрики. Агломерационную
шихту, состоящую из рудной части, флюсов, возврата и топлива (коксовой мелочи,
тощего угля, антрацитового штыба и др.), загружают на конвейерную агломерацион-
ную машину'(агломерационную ленту), зажигают сверху и спекают, просасывая
через слой спекаемых материалов воздух.
Производственные операции, осуществляемые на агломерационной фабрике,
показаны на упрощенной технологической схеме (рнс. 65). Топливо измельчают
в четырехвалковых дробилках, известняк дробят в молотковых дробилках или
тангенциальных шахтных мельницах и в случае необходимости обжигают в кольце-
вых шахтных печах. Расчетное соотношение отдельных компонентов в шихте поддер-
живают путем весового дозирования.
Смешивание, увлажнение и окомкование шнхты осуществляют в барабанных
смесителях. При этом процесс ведут таким образом, чтобы достичь максимальной
газопроницаемости шихты. Окомкованную шихту укладывают на спекательные те-
лежки, зажигание шихты происходит при прохождении тележки под зажигатель-
ным горном. По мере движения спекательных тележек к хвостовой части машины го-
рение с верхнего слоя распространяется в нижние слои.
При горении топлива образуется зона горения высотой 15—30 мм с температурой
1400—1600 °C, передвигающаяся вниз к колосникам с вертикальной скоростью спе-
кания од = 0,2-т-0,6 мм/с. Спекаемая шихта перемещается от головной к хвостовой
части машины со скоростью движения агломерационной ленты vi = 70-5-120 мм/с.
В таких условиях зона горения приобретает форму наклонной плоскости (рис. 66).
Основные параметры агломерационного процесса при установившемся режиме свя-
заны следующим соотношением (статической характеристикой):
la/vi =h/vh = т0, (125)
где /а — длина зоны спекания (активная длина); h — высота слоя шихты; т0 —
' время спекания.
Температура продуктов сгорания, выходящих из-под колосников, составляет
50—70 °C и только при приближении зоны горения к колосникам (в районе послед-
них вакуум-камер зоны спекания) повышается до 200—400 °C. Максимальная тем-
пература отходящих газов свидетельствует об окончании процесса спекания. На
некоторых агломерационных машинах, кроме зоны спекания, предусмотрена также
зона охлаждения агломерата. Охлажденный агломерат дробят и подвергают грохо-
чению.
Передвижение спекательных тележек осуществляют с помощью электропри-
вода— двигателя постоянного тока. Скорость движения агломерационной ленты о/
регулируют таким образом, чтобы процесс спекания заканчивался на заданной ак-
тивной длине /а.
На агломерационных фабриках осуществляется автоматический контроль сле-
дующих технологических параметров:
а) расхода шихты, всех шихтовых компонентов н постели;
б) содержания влаги в шихте;
196
Руда Известняк Колошниковая
Рис. 65. Упрощенная технологическая схема агломерационной фабрики
Рис. 66. Схема спекания шихты на агломерационной машине:
1 — сырая шихта; 2 — постель; 3 — готовый агломерат; 4 — зона горения
197
в) расхода воды в смесители и окомкователи;
г) высоты слоя шихты;
д) температуры в секциях горна н интенсивности зажигания;
е) скорости движения спекательных тележек;
ж) температуры отходящих газов в вакуум-камерах, коллекторе и перед экс-
гаустером;
з) разрежения в вакуум-камерах, коллекторе и перед эксгаустером;
и) расхода отходящих, газов и содержания в них О2, СО, СО2 и пыли перед экс-
гаустером;
к) температуры горячего агломерата, возврата и шихты;
л) температуры агломерата после охладителя;
м) уровня шихты в приемных и загрузочных бункерах;
н) высоты слоя спекаемой шихты.
Рис. 67. Схема полной автоматизации агломерационной фабрики:
/ — приемное отделение шихтовых материалов; II — склад, шихтовых материалов; III —
шихтовое отделение; IV — увлажнение и окомкование; V — агломерационная машина;
VI — газовый тракт; VII — возврат; VIII — охладитель; 1—6 — системы автоматического
управления (1 — приемкой, складированием и усреднением; 2 — весовым Дозированием;
3 — конвейерными трактами и загрузкой в бункера; 4 — увлажнением и окомкованием;
5 — загрузкой шихты на агломерационную ленту; 6 — эксгаустерами н газоочисткой);
7—11 — средства контроля (7 — содержания железа; 8 — основности; 9 — содержания
углерода; 10 — массы; 11 — расхода); 12 — 19 — датчики контроля (12 — уровня шихты;
13 — загрузки шихты на агломерационную ленту; 14 — температуры гориа; 15 — закончен-
ности процесса спекания; 16 — разрежения и температуры газа; 17 — температуры воздуха;
18 — температуры агломерата; 19 — качества агломерата)
Автоматическое регулирование и управление охватывает следующие техноло-
гические узлы и операции:
а) управление поточно-транспортными механизмами;
б) дозирование расхода всех шихтовых материалов (железорудной части, флю-
сов, топлива, возврата, шламов) и постели; отклонения от заданного расхода шихто-
вых материалов не должны превышать для железорудных ±3 %, для флюсов ± 1 %
и для топлива ±1,5 %;
в) поддержание заданного уровня материалов в бункерах;
г) загрузка шихты на спекательные тележки;
д) работа зажигательного горна;
е) законченность процесса спекания.
С целью обеспечения максимальной производительности агломерационных
машин и выпуска агломерата заданного качества на агломерационных фабриках
внедряют АСУ ТП с применением средств вычислительной техники и экспресс-ана-
лиза шихтовых материалов и продуктов спекания.
Схема полной автоматизации агломерационной фабрики приведена на рис. 67.
198
Контроль и автоматическое управление подготовкой и подачей шихты
Современные металлургические предприятия оборудованы рудоусредиительными
комплексами (РУК), где сырье, доставляемое в железнодорожных вагонах, раз-
гружают с помощью вагоноопрокидывателей в разгрузочную яму, перемещают лен-
точными конвейерами и складируют в штабеля штабелеукладчиками, а также с по-
мощью конвейеров, подвижных воронок и др.
lie- Характерная производственная структура РУК приведена на рис. 68. В состав
комплекса входят участки вагоноопрокидывателей ВО и накопительных складов
НС, корпуса известкования КИ железосодержащих материалов и дозировочных бун-
керов КДБ, смесительные отделения с барабанами-смесителями БС и двухсекцион-
ный рудоусреднительный склад РУС.
Рнс. 68. Технологическая схема^'рудоусреднителЬного комплекса
Основные функции системы автоматизации РУК состоят в автоматическом или
автоматизированном контроле состава компонентов шихты и самой шихты; расчете
шихты; установлении заданий весовым дозаторам компонентов и поддержании этих
заданий автоматическими дозаторами; контроле работы основного оборудования
(дозаторов, усреднительных установок); контроле и анализе весовых и веществен-
ных характеристик формируемых штабелей шихты; контроле поступления и расхо-
дования материалов и запасов их иа складах и в других емкостях; контроле и управ-
лении операциями подачи и выдачи материалов из РУКа, а также распределением
материалов по емкостям.
Автоматизация трактов подачи шихты от вагоноопрокидывателей в корпуса
известкования, к дозирующим бункерам или на накопительные склады показана на
рис. 69. На этом участке контролируется текущий расход компонентов шихты по
конвейерам с помощью конвейерных весоизмерителей WE. В бункерах извести БИ
с помощью гамма-реле LE контролируют уровень материала в трех точках. Дат-
чики GE сигнализируют о наличии материала в соответствующих точках тракта.
Расходом воды в барабаны-смесители БС управляют регуляторы FFY, автомати-
чески поддерживающие заданное соотношение между расходами шихты (датчики WE)
и воды В (датчики FE). Отсечные устройства FC автоматически отсекают расход воды
при прекращении подачи шихты. Давление воды контролируют манометры PIS.
Управляющий вычислительный комплекс. (У В К) в системе управления пред-
назначен для определения интегрального расхода компонентов, контроля теку-
щего запаса материалов на накопительных складах, коррекции соотношения между
расходами компонентов шихты, извести и воды.
В корпусе дозировочных бункеров по верхним накопительным бункерам преду-
смотрены: контроль текущих запасов рудных компонентов шихты; автоматическое
управление распределением материалов по бункерам с помощью УВМ; контроль
и сигнализация уровней извести в верхних накопительных бункерах с помощью
гамма-реле в четырех точках по высоте; подача команды на. разрешение загрузки
извести в бункера и выдача блокировок на прекращение подачи извести в схемы уп-
равления пневмотранспортом при достижении предельных уровней.
Осуществляется контроль и сигнализация нарушения выдачи материалов из
горловин верхних бункеров, питателей иижних дозировочных бункеров и с весоиз-
мерительных конвейеров.
В нижних дозировочных бункерах осуществляется: контроль верхнего уровня
и запаса материалов; автоматическое управление частотой вращения питателей верх-
них бункеров в зависимости от запаса материала в нижннх бункерах; контроль и
автоматическое регулирование расхода материалов с питателей иижних бункеров.
199
39X3736
200
19 20 21 '25 15 2Z 23 25 29 32 2830 31- 33
BC
Ш
0П1
0П2
УВК
Л-Т
3
13 17
S 81012
WFy
writs
Змее ттериая на
складе
MQPUWe
материала
дозирование
извести
стоматическое
регулирование
расхода воды
Запас материала# увтоматическое
на накопителмых
складах
Автоматическое Запас материала на
регулирование рудоусредншпельноа
расхода воды
13 6 791116
ниш
шш
26X3638
Расход
материала
звлзо
ш
Рис. 69. Функциональная схема автоматизации на участке подачи шихты в пределах РУК:
НС — накопительные склады; БИ — бункер извести; ПИ — пневмотранспорт извести; Б С — барабан-смеситель; В — вода; К.ДБ —
корпус дозировочных бункеров; РУС — рудоусредиительиый склад; А — аглофабрика; ВС — виещитовые технические средства; Щ —
щит контроля и управления; ОП1, ОП2 — щиты операторских пунктов 1 и 2; УВК —управляющий вычислительный комплекс; Л — Т
бесконтактная станция управления на элементах «Логика-Т»; Э — схема по проекту электросилового оборудования
Если на заводе отсутствует рудоусреднительный комплекс, то сырье посту-
пает сразу в бункера аглофабрикн. Сырье взвешивают в вагонах, для чего исполь-
зуют платформенные механические весы или весы с тензометрическими датчиками.
При подготовке шихты к спеканию контролируют состав исходного сырья,
качество дробления топлива и известняка, работу дробилок и обжиговых печей,
запас материалов в бункерах, состояние транспортерных линии. Дли контроля хи-,
мического и гранулометрического составов сырья могут быть использованы такие
автоматические устройства, как рентгеновский золомер для контроля зольности
топлива, ситовой гранулометр для рассева пробы, нейтронный влагомер и др.
Для автоматического контроля наличия шихтовых материалов на транспорте-
рах применяют бесконтактные емкостные и индуктивные датчики. Автоматический
Рис. 70. Питатели шихтовых материалов
контроль уровня шихтовых материалов в бункерах осуществляют контактными элек-
трическнми (электродными) нли бесконтактными радиоизотопными датчиками. Элек-
тродные датчики применимы также для контроля наличия материалов в точках.
Радиоактивные уровнемеры могут быть позиционными («минимум—максимум» для
схем сигнализации) или следящими (в системах контроля и автоматического распре-
деления шихты по бункерам).
При автоматическом регулировании процесса дозирования в качестве регули-
рующих органов обычно используют барабанные, тарельчатые или вибрационные
питатели.
Вибрационный электромагнитный питатель (рис. 70, а) состоит из подвижного
лотка и соединенного с ним вибродвигателя. Вибропитатели подвешивают под бун-
керами на регулируемых винтовых тягах (талрепах). Изменяя амплитуду А и частоту
колебаний f, угол наклона лотка а и сечение выходного отверстия bh (b — ширина
отверстия), регулируют производительность Q вибропитателя, м3/с
Q = kAfbh, где k = ф (а).
Амплитуда колебаний зависит от напряжения, подводимого к обмоткам элек-
тромагнитов, поэтому регулировать производительность удобнее всего напряже-
нием, которое изменяют в пределах 120—150 В, используя потенциал-регулятор.
Тарельчатый питатель установлен под бункером и вращается с помощью электро-
привода (рис. 70, б). Изменяя частоту вращения тарели (при двигателе постоянного
тока) или сечение потока шихты bh (при двигателе переменного тока), регулируют
производительность, м3/с
Q = йУгцср,
где цСр — средняя скорость потока шихты.
При использовании двигателя переменного тока регулирующая заслонка на
телескопе бункера приводится в движение электрическим исполнительным механиз-
мом с моментом до 100 Н -м; проектирование такого регулирующего устройства в прин-
ципе не отличается от проектирования регулирующей заслонки в трубопроводе.
На рис. 71 показаны конструктивные схемы различных весоизмерителей. При
малых расходах (0—10 кг/м) удобно использовать ленточные весоизмернтели ВЛ
(рис. 71, а), например, для дозирования топлива. Для дозирования известняка часто
используют ленточные транспортерные весы ЛТМ (рнс. 71, г) при максимальных
20?
Рис. 71. Конструктивные схемы весоизмерителей непрерывного действия:
а, б, в — ленточные весоизмерители различных типов; г — весы ЛТМ; д — весы с магиитоупругим датчиком веса; I — длина весоизмеритель-
ной платформы; v — скорость транспортера; QBX — производительность питателя; QBbIX — сигнал весоизмерителя
расходах 25 кг/м; такие же весы, ио при расходах до 100 кг/м применяют для взве-
шивания руды (цифры даны для аглофабрики с двумя—тремя аглолентами). Весо-
измерители ВЛ и весы ЛТМ содержат выходные дифференциально-трансформатор-
ные преобразователи. Просты и надежны весоизмерители с магнитоупругим чувстви-
тельным элементом (рис. 71, д).
Передаточные функции W (р) = QBux (p)/Qbx (р) приведенных весоизмери-
телей имеют вид:
рис. 71, а
1 __р—ТР
=-----------е-тр;
рис. 71,6
рИС; 71, в
»'<р)=2(гр-г^е~г,)^;
рис. 71, г
г(р) = 9(,+<-^з^М+л-Г,)е_И;
рис. 71, д
Т3Р3
4Т*р*
Т*р*
Весоизмеритель ВЛ обслуживает один бункер, а весоизмерители других типов мо-
гут быть установлены на транспортере, несущем материалы из нескольких бункеров.
Рис. 72. Функциональная схема контроля и автоматического регулирования
весового дозирования одного материала из нескольких бункеров
На рис. 72 приведена функциональная схема контроля и автоматического регулиро-
вания весового дозирования одного материала из нескольких бункеров. Транспор-
терные весыТГЕ в комплекте с аппаратурой WIC и WC управляют расходом матери-
ала из работающего бункера, который выбран переключателем HS. В динамическом
отношении участок дозирования бункер—питатель—транспортер—весоизмеритель
практически представляет собой звено запаздывания:
Свых (р) — Qbx (р) е тэр, Тз == ^-/а<
204
ГДе р — параметр преобразования Лапласа; О — Скорость транспортера; L — длина
участка дозирования.
Расстояние между соседними бункерами обычно составляет около 5 м, v =
= 1 м/с. Для систем автоматического регулирования с такими динамическими
звеньями целесообразно применять регуляторы прерывистого действия, настраивая
период повторения импульсов ta в соответствии с формулой
Т3 4г /и-
где /и — продолжительность импульса; т3 — время запаздывания для наиболее
удаленного бункера.
Схема автоматического дозирования (см. рис. 72) должна содержать дистан-
ционный задатчик, которым можно было бы изменять производительность участка
при изменении влажности материала, соотношения различных составляющих шихты
и производительности спекательного отделения.
Управление процессом спекания
Максимальной производительности агломерационной машины при заданном качестве
агломерата можно достигнуть в том случае, если шихта поступает оптимального со-
става, уложена слоем заданной высоты, правильно зажжена и процесс спекания за-
канчивается точно в пределах рабочей длины зоны спекания. Для обеспечения таких
условий агломашину оснащают системой контроля и регулирования основных и
вспомогательных параметров процесса спекания. В табл. 48 указаны связи между
основными регулируемыми величинами и управляющими воздействиями.
Рис. 73. Схема компенсации возмущений с коррекцией по отклонению при управлении увлаж-
нением шихты:
1 — датчик влажности; 2 — усилительно-преобразовательный блок; 3 — электронный по-
тенциометр; 4 — корректирующий регулятор; 5 — задатчик влажности; 6 — конвейерные
весы; 7 — вторичный прибор; 8 — функциональный преобразователь; 9 — задатчик соот-
ношения; 10 — диафрагма на водопроводе; 11 — дифманометр; 12 — расходомер; 13 — ре-
гулятор расхода воды; 14 — исполнительный механизм; 15 — регулирующий орган
Автоматизацию увлажнения агломерационной шихты можно осуществлять по
одному из трех направлений: регулировать подачу воды в барабаны-окомкователи
по сигналу от измерителя влажности (нейтронного, кондуктометрического и др.);
регулировать соотношение расходов шихты и воды в барабаны-окомкователи; регули-
ровать расход воды по косвенным параметрам, определяющим качество шихты при
ее увлажнении. На рис. 73 приведена двухконтурная схема, которая поддерживает
соотношение расходов шихты и воды на увлажнение с коррекцией задания вели-
чины соотношения в зависимости от сигнала измерителя влажности.
205
SS Таблица 48. Основные параметры агломерационного процесса
Регулируемая величина Способ контроля регулируемой величины
Содержание углерода в шихте (С = 3—4,5%) 1. Лабораторный анализ 2. Измерение температуры зажженного слоя шихты после горна или длины раскаленной по- верхности агломерата после выхода его из-под горна. 3. Контроль высоты раскаленной зоны в изломе агломерата на разгрузочном конце, которая по- вышается с увеличением содержания углерода в шихте. 4. Измерение температуры газов в вакуум-каме- рах и в общем коллекторе; повышение темпера- туры указывает на избыток углерода
Вертикальная скорость спекания 1. Ручной контроль качества окомкования (на- ощупь). 2. Измерение расхода воздуха через слой не- зажженной шихты перед горном (через нулевую вакуум-камеру) 3. Измерение разрежения во всех вакуум-каме- рах и в общем коллекторе, 8—13,5 кПа. 4. Измерение расхода продуктов сгорания в об- щем коллекторе (контроль перепада разрежения на батарейном циклоне или другом местном со- противлении). 5. Контроль изменения толщины спеченного слоя на фиксированном участке аглоленты (индуктив-
Управляющее воздействие Способ контроля управляющего воздействия
Дозирование топлива тарельчатым или вибра- ционным питателем при шихтовке или путем по- дачи части топлива в окомкователь 1. Измерение веса топли- ва ленточным весоизмери- телем, 2. При отсутствии весоиз- мерителей правильность дозировки топлива про- веряется провешиванием потока топлива, падаю- щего на 0,5 м длины транспортера
Влажность шихты в про- цессе окомкования в барабане-смесителе, W = 4,54-9 % 1. Лабораторный анализ 2. Измерение расхода во- ды на увлажнение (диа- фрагма в водопроводе к барабану-смесителю- окомкователю). 3. Автоматический кон- троль влажности при по- мощи датчика удельной электропроводности ших- ты в бункере иад аглома- шиной, нейтронного вла-
. — г омер а, терм окон ду кто- метр ическ ог о датчика, пневматического зонда и др.
Высота слоя шихты на ные или радиометрические датчики) Измерение датчиком высоты слоя (датчик на Подача шихты из бунке- Измерение частоты вра-
аглоленте 350 мм) (Л = 250— гладилке шихты перед горном, датчик высоты откоса шихты на отражательном листе аглома- шины и др.). ра над агломашиной (про- межуточного бункера) щения барабанного пита- теля с приводом постоян- ного тока, напряжения иа обмотках вибропита- теля, положения регули- рующего шибера или ко- зырька на барабанном питателе с приводом пере- менного тока
Температура (tr = 1250 — зажигания 1300 °C) Измерение радиационным пирометром или тер- мопарой в горне Расход топлива в горн (газа или мазута) Диафрагмой в газопрово- де, расходомером жидко- го топлива
Соотношение топливо — воздух (коэффициент избытка воздуха а = = 1,3-^-1,5) Окончание процесса спе- кания (активная длина 1а Визуальный контроль заполнения горна продук- тами сгорания и отсутствия на поверхности ших- ты после горна незажженных участков 1. Визуальная оценка излома пирога в хвостовой части агломашины. 2. Измерение температуры продуктов сгорания в общем коллекторе, fKOn = 110—140 °C (термо - пара гр. ХК) и в последних вакуум-камерах, t= 250—300 °C (термопара гр. ХК). 3. Анализ продуктов сгорания в общем коллек- торе и последних вакуум-камерах на СОа, СО, Оа (газоанализаторы). 4. Контроль освещенности в последних вакуум- камерах зоны спекания. 5. Расчет активной длины по скорости аглолен- ты, высоте слоя и вертикальной скорости спека- ния Расход вентиляторного воздуха 1. Скорость движения аглоленты 0/ = 2,5-5- -5-7,5 м/мин. 2. Разрежение в отдель- ных вакуум-камерах (дросселирование камер) Диафрагмой в воздухо- проводе 1. Тахогенератором на ва- лу привода аглоленты. 2. Положением дроссель- ных заслонок в вакуум- камерах.
автоматического регули-
Рис. 74. Схема
ровання укладки шихты иа агломерацион-
ную ленту
соотношение
расходом газа
шихты и со-
Укладка шихты на агломерационную машину является последним этапом ее
подготовки и загрузки. В схеме управления этим этапом удобно использовать кон-
тактные датчики (рис. 74). Информацию о высоте слоя шихты система получает от
кондуктометрического датчика, принцип действия которого основан на измерении
токов рассеяния, протекающих через электрод, погруженный в слой шихты перед
отражательным листом агломашины. Сигнал датчика 1, пропорциональный высоте
слоя шихты, поступает на вторичный регистрирующий прибор 2, сравнивается с сиг-
налом задатчика 3, затем’поступает в бесконтактный импульсный регулятор 4, ко-
торый воздействует'на исполнительный механизм 5, сельсин 6, суммирующий маг-
нитный усилитель силового тиристорного
преобразователя 7 и электродвигатель
барабанного питателя шихты 8.
На рис. 75 приведена многоконтур-
ная система, включающая несколько
взаимосвязанных простых контуров,
предназначенная для автоматического
регулирования процесса зажигания ших-
ты горном агломерационной машины.
Основной контур регулирования вклю-
чает датчик скорости агломерационной
ленты 7, датчик расхода газа 8, регуля-
тор соотношения 11, задатчик Зд± и ис-1
полнительный механизм 4 на дроссельной
заслонке газа. Этот контур изменяет рас-
ход газа на горн в зависимости от скорости
движения агломерационной лентй. За-
датчиком Здг изменяют
между скоростью ленты и
при изменении влажности
держания в ней углерода.
Контур автоматического регулиро-
вания соотношения газ—воздух вклю-
чает датчики расхода газа 8, воздуха 9,
регулятор соотношения 12, задатчик Зд3 и ИМ 14 на дросселе воздуха. Этот контур
поддерживает заданный коэффициент расхода воздуха.
Коррекция по температуре в зажигательном горне вводится пирометром 1,
прибором 6, корректирующим регулятором 10 и задатчиком Зд3. Этот контур воз-
действует на расход воздуха, поддерживая температуру в горне на заданном уровне.
При кратковременных остановках агломерационной машины для предохранения
бортов спекательных тележек от нагрева и коробления, а поверхности шихты от
сплавления предусмотрен режим «малого газа». Дроссель «малого газа» 5 по сигналу
об остановке агломерационной машины автоматически изменяет расход газа на горн
до количества, обеспечивающего поддержание факела и определяемого уставкой
контакта расходомера газа 8. Одновременно автоматически уменьшается температура
факела изменением коэффициента расхода воздуха.
Предусмотрена автоматическая отсечка газа и остановка агломерационной ма-
шины при падении давления .газа или воздуха. Отсечка производится клапаном
безопасности прямого действия 2, установленным на газопроводе и сблокированным
с сигнализатором падения давления воздуха 13. Блокировка осуществляется с по-
мощью трехходового электропневматического клапана 3, перекрывающего импульс-
ную линию клапана безопасности при падении давления воздуха.
Для регулирования активной длины агломерационной машины (или степени за-
конченности процесса спекания) можно автоматически изменять скорость агломера-
ционной ленты или разрежение в вакуум-камерах. Чаще используют первый способ.
Одним из наиболее простых индикаторов законченности процесса спекания яв-
ляется температура продуктов сгорания в общем коллекторе /коп нлн в двух—трех
последних вакуум-камерах зоны спекания. Если плотность последней (n-ной) вакуум-
камеры достаточна, то можно полагать, что процесс спекания заканчивается над
(п—1)-ой камерой при — tn « 0+ 10 К-
Входным сигналом могут служить также различные параметры, характеризую-
щие ход процесса спекания: состав отходящих газов, освещенность в вакуум-камерах,
208
разрежение под спекаемым слоем, магнитная проницаемость пирога агломерата и
др. При автоматическом регулировании активной длины также целесообразно приме-
нять систему компенсации возмущений, которая позволяет устанавливать скорость
движения агломерационной машины V/ в соответствии со статической характеристи-
кой
где (/а)з — заданная активная длина агломерационной ленты.
Рис. 75. Структурная схема автоматического регулирования про-
цесса зажигания шихты
Величины Vi н h измеряются непосредственно на агломерационной ленте, а вер-
тикальная скорость спекания пропорциональна расходу продуктов сгорания
в общем коллекторе. Точность поддержания /а на уровне (/а)3 оценивается по тем-
пературе в общем коллекторе.
Системы автоматического регулирования скорости агломерационной машины
могут найти применение только в комплексе с системами стабилизации качества
шихты, ее состава, высоты слоя, газопроницаемости и др. Скомпенсировать за счет
изменения скорости агломерационной машины недостатки в подготовке шихты прак-
тически невозможно.
В приложении приведены динамические характеристики агломерационной ма-
шины и весоизмерительных устройств.
209
где v = d&dt\ К — константа скорости реакции; Ct — концентра-
ция i-того реагирующего вещества или активность веществ для
растворов; mt — порядок реакции по t-тому веществу.
Скорость химического взаимодействия ^определяют как изме-
нение концентрации одного вещества реакции (140), обычно исход-
ного, а скорость изменения концентрации других веществ опреде-
ляют из соотношения:
= Vil = Vj = К П С?, (142)
dt 4 а; ' а; dt а; (==I v '
где аг и aj — стехиометрические коэффициенты.
Концентрация вещества определяется в молях на единицу объема.
В случае описания гидрометаллургических^процессов вместо кон-
центрации Сг необходимо рассматривать активность at вещества,
т. е. концентрации ионов. Однако обычно принимается допущение
at = kiCiikt = const). Тогда можно получить выражение для ско-
рости реакции аналогично выражению (142)
П п ~ п CLi r> п
v(i = %-K nfe? ПС‘г~4К1 Пс?. (143)
ai i=l “J i=l t=l i=l
Порядок реакции по веществу А, есть степень trit и зависит jjt
молекулярности химической реакции (числа одновременно вступа-
ющих в реакцию молекул — не более трех) и от числа стадий реак-
ции. Порядок реакции не больше ее молекулярности и поэтому 0 с
с т с 3 и может быть дробным.
В случае, когда концентрация какого-либо вещества намного
больше концентрации остальных и ее изменением можно пренебречь,
порядок реакции по этому веществу принимают равным нулю.
Количество t-того вещества в объеме аппарата Gt равно G; =
= CiV, где V — объем аппарата. Тогда
rfG; dCiV,—y dCj
dt dt v dt ’ I144)
Величина потока t-того вещества, покидающего аппарат, про-
порциональна концентрации этого вещества в объеме аппарата
фвых t = Ь (/) Cj, (145)
где b (/) — переменный во времени коэффициент, зависящий от ре-
жима отвода реагентов из аппарата.
Если выражение (142) умножить на величину объема V, получим
поток t-того вещества, идущего на химическое взаимодействие
Фхвг = Ку0. (146)
Подставляя выражения (144)—(146) в уравнение (138), получим
систему уравнений материального баланса по всем веществам, участ-
вующим в металлургическом процессе:
^-§- = фВХ1—nc?V-fc(0Cz, t = l, ...п. (147)
a; i>==l
П Глинков Г. М. и др. 321
Производство окатышей
Наряду с агломерацией окускование железорудных материалов успешно произво-
дится окатыванием. Этот способ переработки тонкоизмельченных концентратов
заключается в окатывании концентрата в смеси со связующими добавками в шарики
диаметром 8—18 мм с последующим упрочнением при высокотемпературном обжиге.
В качестве связующей добавки используют бентонит. При производстве офлюсован-
ных окатышей в шихту добавляют известняк.
Основными операциями технологического процесса являются: прием и подго-
товка бентонита; дозирование и смешивание шихты; окомкование шихты и сорти-
ровка окатышей; обжиг окатышей, их сортировка и транспортировка.
1*1 Производственные операции приготовления шихты иа фабрике окомкования
имеют много общего с операциями в шихтовом отделении агломерационной фабрики.
Обжиг окатышей на обжиговой машине отличается от процесса спекания агломерата
иа агломерационной машине, но и здесь имеется существенное сходство. Поэтому
многие задачи управления технологическими процессами на фабрике окомкования
аналогичны соответствующим задачам на агломерационной фабрике.
На фабрике окомкования применяют системы контроля, регистрации и сигнали-
зации следующих показателей:
наличия материала на питателях и конвейерах;
забивки течек;
расхода, температуры, давления и разрежения в мельничных трактах; ,
наличия пламени и дистанционного розжига горелок;
работы системы пневмотранспорта;
расхода и давления сжатого воздуха;
мощности, потребляемой приводами мельииц и вентиляторов;
расхода тепла по корпусам;
температуры, давления^воздуха, воды и масла в системах жидкой смазки;
времени работы основных технологических агрегатов;
уровней в бункерах шихты, постели, концентрата, бентонита и в бункере-охла-
дителе;
производительности конвейеров;
давления и расхода производственной и питьевой воды;
прочности готовых окатышей;
давления и расхода природного газа иа обжиговую машину;
температуры и давления отходящих газов;
температуры и давления в горнах по зонам обжиговой машины;
общего расхода воздуха и расхода первичного воздуха;
разрежения в горне машины, в вакуум-камерах и в зоне сушки;
массы концентрата, возврата, шихты, готовых окатышей, поступающих на склад,
отгружаемых окатышей и бентонита.
Системы автоматического управления осуществляют регулирование следующих
параметров и процессов:
разрежения в топках;
сушки бентонита;
количества бентонита и возврата в зависимости ог количества концентрата, по-
даваемого на шихтовый конвейер;
подачи концентрата на шихтовый конвейер;
загрузки мельницы по массе исходного материала с коррекцией по перепаду
давления до и после мельницы;
автоматической отсечкой газа при: а) аварийном отклонении регулируемых
параметров (давления газа, воздуха, разрежения в топке и в загрузочной камере)
от заданных значений; б) остановке приводов мельницы или вентиляторов; в) отсут-
ствии напряжения питания в оперативных цепях автоматики;
температуры на выходе из топки;
температуры в разгрузочной камере топочного агрегата;
соотношения газ—воздух;
питания окомкователей;
давления и температуры в горне зоны сушки обжиговой машины;
давления в коллекторе воздуха на горелки;
высоты слоя окатышей на обжиговой машине.
210
На рис. 76 приведена функциональная схема автоматизации теплового режима
обжиговой машины. Схема включает в себя узлы автоматического контроля и ре-
гулирования основных параметров: температуры в горне, распределения тепла по
зонам, вакуумно-дутьевого режима и высоты слоя окатышей на паллетах.
Контроль температур во всех зонах, в вакуум-камерах и воздуха перед горел-
ками осуществляется термопарами в комплекте с электронными потенциометрами.
Температуру горна зон подогрева (VI) и обжига (VIII) автоматически регулируют из-
менением расхода газа. Давление в горне сушки (узел IV) стабилизируется путем
воздействия на подачу в зону сушки теплоносителя и его сброс в атмосферу. Давле-
ние в горнах зон подогрева (VII) и обжига (IX) регулируется подачей воздуха. Авто-
матически регулируют количество воздуха на охлаждение окатышей (XI). Стабили-
зированы давление (X) и температура воздуха (XII) для сжигания топлива, давление
природного газа перед машиной (III) и расход газа на зону сушки (V). Осуществ-
ляется автоматическое взвешивание (/) и регулирование высоты слоя окатышей (//)
на паллетах машины. Высоту слоя контролируют измерительным щупом. Изодром-
ный регулятор изменяет скорость машины таким образом, что высота слоя сохраняется
постоянной.
АСУ ТП агломерации и производства окатышей
Для фабрик, имеющих производительность более 10 млн. т в год, экономически це-
лесообразна полная автоматизация. f
Полная автоматизация агломерационной фабрики предусматривает включение
всех отделений (приемки и складирования материалов, усреднительного, шихтового,
подготовки топлива и флюсов, спекатеЛьного, эксгаустерного, охлаждения и выделе-
ния возврата) в общую систему автоматического управления. Аглофабрика осна-
щается автоматизированной системой управления производством АСУП и автомати-
зированной системой управления технологическими процессами АСУ ТП. АСУ ТП
осуществляет управление из операторских пунктов: приемкой, складированием и
усреднением шихтовых материалов (если на аглофабрике имеется РУК, то ои обору-
дуется своей АСУ ТП); весовым дозированием компонентов шихты; транспортиров-
кой шихтовых материалов и загрузкой бункеров; увлажнением шихты и ее окомко-
ванием; подачей шихты на агломашины; подогревом, зажиганием и спеканием шихты;
охлаждением агломерата; удалением отходящих газов в эксгаустерном отделении;
отбором проб материалов и их анализом; контролем качества готовой продукции.
АСУП осуществляет оперативный контроль и управление производством, учет
поступления и расхода шихтовых материалов, учет производства агломерата, тех-
нико-экономический анализ результатов производства и его планирование, решает
задачи, связанные с отгрузкой продукции и бухгалтерским учетом.
Особенностью структуры управления агломерационной фабрикой в условиях
функционирования АСУ ТП является централизация управления и его осуществле-
ние в основном на двух уровнях:
организационное управление агломерационным производством (диспетчерское
управление);
централизованное управление основными технологическими операциями и обо-
рудованием аглофабрики.
Структурная схема управления агломерационной фабрикой в условиях АСУ ТП
приведена на рис. 77. Организационное оперативное управление всем агломерацион-
ным производством осуществляется из диспетчерского пункта диспетчером агломера-
ционного производства (начальником смены) с помощью его помощника — оператора
диспетчерского пункта. Диспетчерский пункт оснащен: мнемосхемой, на которой
отображается состояние и работа основного оборудования и трактов движения ма-
териалов по всему агломерационному производству; щитом контроля с расположен-
ными на нем приборами, счетчиками и сигнальными устройствами; пультом контроля
и управления, оснащенными необходимыми средствами связи, сигнализации, управ-
ления; видеотерминальной станцией (ВТС); пультом ручного ввода информации;
дополнительными сигнальными устройствами аварийных и предельных режимов и
состояний, отдельными приборами и цифровыми табло с отображением результатов
производства и темпа производства на аглофабрике.
Контроль и управление основными технологическими и производственными
операциями на агломерационной фабрике осуществляется из операторского пункта
управления технологическим процессом. Управление осуществляется технологом
211
212
Рис. 76. Функциональная схема системы контроля и регулирования теплового режима обжиговой машины
Рис. 77. Структурная схема оперативного управления аглофабрикой в условиях АСУ ТП:
Д — диспетчерская связь; ТС — телефонная связь; ПГС — производственная громкоговорящая связь; ИРВ — информация с пульта
ручного ввода в УВМ; АК.У — автоматический контроль и управление; СВТ — средства вычислительной техники; ДСФ — дробильно-
м сортировочная фабрика
сэ
агломерационного производства и его помощниками (старшими агломератчиками).
Операторский пункт оснащен: оперативным щитом управления и контроля с мнемо-
схемой; неоперативным щитом контроля и управления с мнемосхемой поточно-
транспортных систем; пультом управления; необходимыми средствами связи; видео-
терминальными станциями по одной на каждую агломерационную машину; пультом
ручного ввода цифровой информации; телетайпом; дополнительными приборами, циф-
ровыми табло и переключающими устройствами выбора режимов.
Управление фабрикой окомкования требует быстрого сбора и обработки значи-
тельного объема информации о состоянии технологического процесса. Решение за-
дач управления без использования УВМ приводит к сосредоточению приборов и
АСУ П
иви Выполнение процедур автоматического обмена информацией с вышестоящими системами управления
Подготовка информации для высших уровней управления
Формирование корректирующих и управляющих воздействий для нижестоящих уровней управления
наеденное измерение параметров. ТП
Контроль состояния технологииескоео оборудования
Расчет ТЗП и эксплуатационных показателей
Оперативное отображение. информации паведениюТП
Регистрация параметров ТП и результатов быиислений
Сбор, обработка, хранение информации
214
другой аппаратуры, что существенно затрудняет работу оперативного персонала.
Эти обстоятельства делают целесообразным создание АСУ ТП фабрики окомкова-
иия иа базе вычислительной техники.
Сложность производственного процесса фабрики окомкования вызывает необхо-
димость иерархического построения АСУ ТП. Низшую ступень иерархии (нулевой
уровень) образуют локальные системы автоматизации и программного управления.
На этой ступени с местных щитов и пультов, установленных в операторских пунктах,
осуществляется автоматический контроль и управление технологическими процес-
сами и агрегатами. Автоматизацией иа данном уровне охвачены операции по управ-
лению всеми участками фабрики, измерению и регистрации технологических^пара-
Главный инженер Начальник дю драки
Мгновенное состояние ТП на отдельных участках
Рапорты
215
Рис. 78. Структурная схема АСУ ТП фабрики окомкования
1 I I Отделение дробления и с у шт боэбрата
Отделение эксгаустеров
Отделение дымососов
Склад окатышей и бункер загрузки
Отделение окомкования
Обжиеобая. машина №2
Обжиговая машина №f
III
ьэ
у Корпус приема бентонита, дозирования и смешивания Дозирование материалов
Участок приема бентонита
Участок сушки бентонита
Участок измельчения бентонита
Участок подачи бентонита
Машинно-топочный переест
Операторский пунк/п приема Оентанита, дозирования и смешидания
метров процесса и программному управлению механизмами. Первую ступень иерар-
хии образует информационно-управляющая подсистема, с помощью которой реали-
зуются функции оперативного контроля и управления технологическими процес-
сами с помощью УВМ. Высшую ступень иерархии образует АСУП.
На подсистему централизованного контроля возложены следующие функции:
сбор, первичная обработка и хранение технической и технологической информации;
сигнализация состояний параметров технологического процесса и оборудования;
расчет технико-экономических и эксплуатационных показателей технологического
процесса и работы оборудования; подготовка информации для вышестоящих и смеж-
ных систем и уровней управления, регистрация параметров технологического про-
цесса, контроль состояния оборудования и результатов расчета; оперативное отобра-
жение информации и управление технологическим оборудованием; выполнение про-
цедур автоматического обмена информацией со смежными системами управления.
На рис. 78 приведена структурная схема потоков информации в АСУ ТП. Инфор-
мация классифицируется следующим образом: 1) входная информация вычислитель-
ного комплекса — о режимных параметрах процесса и состоянии технологического
оборудования /; используемая в ходе ведения процесса, поступающая с других уча-
стков //; поступающая с вышестоящих уровней управления ///; 2) выходная инфор-
мация вычислительного комплекса — выдаваемая оператору /V; о процессе, выда-
ваемая диспетчеру V; подготавливаемая для вышестоящих уровней VI.
t
§ 2. Доменное производство
Технологические особенности
и задачи управления доменным процессом
В Доменной печи в качестве шихтовых материалов используют руду, агломерат,
окатыши, металлодобавки, кокс и флюсы (обычно — известняк). В результате до-
менного процесса получаются продукты плавки — чугун, шлак, колошниковый
(доменный) газ и колошниковая пыль. Загруженные материалы продвигаются по
шахте печи сверху вниз, а газы, образующиеся в горне, снизу вверх. В процессе
плавки происходит восстановление различных элементов, в первую очередь железа,
а кислород оксидов переходит в газ в виде СО и СО2.
Перед загрузкой в доменную печь пылеватую шихту увлажняют и на грохотах
отсеивают коксовую мелочь. Загрузка шихты в печь полностью механизирована.
Скиповый подъемник или конвейер поднимает шихту на колошник, затем шихта по-
ступает в приемную воронку двухконусного засыпного аппарата. Для распределения
шихты по сечению колошника предусмотрен вращающийся распределитель шихты
(ВРШ).
Дутье подается в печь воздуходувными машинами, установленными на паро-
воздуходувной станции (ПВС). Перед подачей в печь дутье нагревают в регенератив-
ных воздухонагревателях, увлажняют паром до заданного влагосодержания и обо-
гащают кислородом. Обычно в доменных печах используют комбинированное дутье,
содержащее в своем составе природный газ.
Доменный газ в системе газоочистки очищают от пыли в пылеуловителях (гру-
бая очистка) и водой в скрубберах высокого и низкого давления. После скруббера
высокого давления газ пропускают через каплеуловитель для осушки.
Чугун и шлак из соответствующих леток по желобам поступают в ковши и в них
транспортируются к месту использования. Для охлаждения печи и очистки газа
в больших количествах расходуют воду.
Основной задачей при управлении доменным процессом является стабилизация
теплового состояния печи, что выражается в постоянстве производительности печи,
состава и температуры продуктов плавки. Главными причинами колебаний теплового
состояния являются изменения качества шихты, отклонения температуры и состава
дутья от заданных значений, нарушения в распределении материалов по сечению
печи. Сильное воздействие на тепловое состояние печи оказывают влажность кокса
(так как кокс дозируют по массе), содержание и степень окисленности железа в шихте.
Поэтому именно эти возмущения должны быть в первую очередь скомпенсированы
при ручном или автоматическом управлении ходом доменной печи.
Доменная печь как объект регулирования обладает большой инерционностью.
При изменении состава шихты переходный процесс длится (2—3) т0 (т0 — время на-
218
хождения материалов в печи, равное 5—6 ч), а при изменении параметров дутья
(1—2) т0.
В таких условиях контроль и управление доменным производством являются до-
статочно трудной задачей, поэтому контроль и прогнозирование изменений теплового
состояния необходимо вести с использованием всей доступной информации о работе
доменной печи. В частности, показатели прямого восстановления можно контроли-
ровать по измерениям количеств дутья и газов. Прогноз содержания кремния в чу-
гуне уточняется, если сравнивать действительный и расчетный выход чугуна. Тем-
пературу колошникового газа можно использовать в качестве контрольного сиг-
нала при прогнозировании колебаний теплового состояния, вызванных временными
Рис. 79. Структурная схема автоматизации доменной печи:
ДП — Доменная печь; В — блок воздухонагревателей; Т — турбовоздуходувная машина;
Г — газоочистка; 1 — система^ управления загрузкой шихтовых бункеров; 2 — управление
шихтоподачей и загрузкой; 3 распределение шихтовых материалов по окружности колош-
ника; 4 — управление дозированием компонентов шихты; 5 — стабилизация влажности Дутья;
6 — стабилизация расхода кислорода; 7 — стабилизация соотношения расхода природного
газа и воздуха с коррекцией на концентрацию кислорода в дутье; 8 — стабилизация распре-
деления Дутья и природного газа по фурмам; 9 — стабилизация теплоты сгорания смешан-
ного газа на отопление воздухонагревателей; 10 — управление перекидкой клапанов возду-
хонагревателей; 11 — стабилизация температуры горячего Дутья; 12 — стабилизация тем-
пературы куполов воздухонагревателей; 13 — оптимальное управление нагревом воздухо-
нагревателей; 14 — управление тепловым состоянием доменной печи; 1.5 — управление
шихтовкой доменной плавки; 16 — управление сходом шихтовых .материалов; 17 — управ-
ление распределением газового потока по сечению шахты печи; 18 — контроль и управление
охлаждением доменной печи и воздухонагревателей; 19 — система централизованного кон-
троля параметров процесса; 20 — стабилизация расхода дутья; 21 — стабилизация давления
колошникового газа
отклонениями отношений интенсивностей потоков шихты и газа от установившихся
величин. Существенную информацию о тепловом состоянии печи могут дать общий
(фурмы—колошник) и частный (фурмы—середина шахты, середина шахты — колош-
ник) перепады давления газа в печи, интенсивность излучения из фурменных оча-
гов и др.
На рис. 79 приведена структурная схема автоматизации больших доменных
печей. Высокая оснащенность печей контрольно-измерительными приборами, ко-
торые измеряют и регистрируют параметры комбинированного дутья, уровень;
шихты, перепады давления по высоте, расходы дутья и природного газа по фурмам,
и многое другое, способствует автоматизации технологического процесса. Автомати-
чески стабилизируются расход, температура и влажность дутья, содержание в нем
кислорода, давление газа на колошнике, расход и давление природного газа, распре-
деление его по фурмам и др.
Перечень основных контролируемых и регулируемых параметров доменных
печей большого объема (кроме параметров системы загрузки) приведен в табл. 49
и 50.
219;
^Таблица 49. Контролируемые параметры доменного процесса
Контролируемая величина
Назначение контроля
Приборы для контроля или способ
контроля
Давление холодного дутья и горячего
дутья в кольцевом воздухопроводе;
разность давлений между кольцевым
воздухопроводом и шахтой печи, между
кольцевым воздухопроводом и колош-
ником, между шахтой печи и колош-
ником
Давление природного газа
Температура в фурменной зоне (1400—
1800 °C)
Температура периферийных газов над
уровнем засыпи и под ней
Температура и состав газа по радиусу
колошника
Температура колошникового газа по
четырем газоотводам печи (150—
400 °C)
Температура чугуна (1450—1550 °C) и
Предотвращение снижения давления природ-
ного газа ниже давления дутья и попадания гор-
новых газов в газопровод
Оценка теплового состояния низа печи (/ очага
горения выше t верхнего шлака на 80—190 °C, за-
висимость между температурой фурменного оча-
га ^ф. о, °C, и содержанием кремния в чугуне на
выпуске [Si ], %, имеет вид [Si ] « 0,00125/ф. о —
1,227); оценка хода печи (при ровной работе
фурм температура колеблется в пределах ±30 °C,
при нарушениях работы печи колебания дости-
гают 150—200 °C)
Контроль распределения газового потока по сек-
торам печи (число секторов соответствует числу
ФУРМ)
Контроль радиального распределения газового
потока
Контроль распределения газового потока по че-
тырем секторам печи
Контроль теплового состояния низа печи
Определение сопротивления столба шихты, про-
гнозирование нарушений схода шихты (подви-
саний), определение зон с повышенным сопро-
тивлением газовому потоку (низ или верх печи);
верхний перепад 0,038—0,040 МПа характерен
для тугого хода печи; перепад 0,033—0,034 МПа
близок к условиям нормального хода
Манометры и дифманометры (давление
дутья на 0,12—0,16 МПа больше дав-
ления на колошнике; перепад давления
в нижней части печи 65 %, в верхней
части 35 % от общего перепада по вы-
соте печи); отбор давления в средней
части шахты возможен через штуцер
в кожухе печи без выполнения отвер-
стия в кладке
Манометр (давление газа на 0,15—
0,25 МПа больше давления дутья)
Радиационные пирометры или тепло-
меры полного излучения в комплекте
с электронным потенциометром
Термопары гр. ХА в кладке печи, мно-
готочечные электронные потенциоме-
тры
Термопара гр. ХА или газозаборная
труба, приводимые в движение лебед-
кой
Термопары гр. ХА в комплекте с мно-
готочечным потенциометром
Термопары погружения на чугунном
шлака (1500—1600 °C) на выпуске
Состав колошникового газа (16—20 %
СО2, 23—27 % СО; 8—12 % Н2)
Температура охлаждающей воды, раз-
ность температур воды иа входе и вы-
ходе системы охлаждения
Температура кладки
Расходы и давления охлаждающей во-
ды, пара, сжатого воздуха
Контроль развития процессов прямого и косвен-
ного восстановления и использования химиче-
ской энергии газов
Контроль работы системы охлаждения, оценка
потерь тепла
Контроль состояния кладки
Контроль непрерывности подачи, учетные цели
и шлаковом желобах
Газоанализаторы оптико-акустические
иа СО2 и СО и термокондуктометриче-
ский на Н2, отбор газа на анализ —
после пылеуловителя
Термометры сопротивления в комплек-
те с электронными мостами; термисто-
ры
Термопары гр. ХА, многоточечные
электронные потенциометры
Манометры и дифманометры в ком-
плекте с диафрагмами
Таблица 50. Регулируемые параметры доменного процесса
Узел регулирования Измеряемая н регулируе- мая величина Приборы для контроля или способ контроля Способ автоматического регулирования
Холодное дутье Природный газ Горячее дутья Колошниковый газ to to Расход Содержание кислорода (21-27%) Влажность (3—32 г/м3) Соотношение расходов дутья и газа Распределение по фур- мам Распределение по фур- мам Давление Диафрагма, дифмано- метр, вторичный прибор Газоанализатор на О2 Датчик влажности Диафрагма, дифмано- метр, вторичный прибор Диафрагмы, дифмано- метры (по числу фурм) Сопла, дифманометры (по числу фурм) Манометр Изменение производительности воздуходувной машины Изменение количества кислорода, всасываемого воздуходувной машиной вместе с атмосферным воздухом Изменение количества пара, подаваемого в дутье Изменение расхода природного газа при изме- нении расхода дутья Изменение степени открытия регулирующих ор- ганов на газопроводах к фурмам Изменение степени открытия регулирующих за- слонок в фурменных рукавах между кольцевым воздухопроводом и фурмами Изменение положения одвой из заслонок дрос- сельной группы, расположенной на газопроводе после скруббера высокого давления
Управление загрузкой шихты
Изменяя характер загрузки шихты, управляют ходом доменной печи; управление
такого вида называют регулированием сверху. Рациональное распределение газа
по сечению доменной печи — одно из основных условий ее экономичной работы и во
многом определяется системой загрузки материалов.
Приняты определенные условные обозначения подаваемых компонентов: К —
кокс; А — агломерат (или Р — руда); вертикальная стрелка | — опускание боль-
шого конуса. Число, стоящее после стрелки, указывает, при каком уровне шихты Н
опускается большой конус (уровень засыпи отсчитывают от нижней кромки боль-
шого конуса в опущенном состоянии до поверхности шихты в печи). Например,
обозначение Р2К2 | 1,75 м говорит о том,
(С0г)ж, что на большой конус загружают сначала
два скипа руды, затем два скипа кокса
и после достижения уровнем засыпи от-
метки Н — 1,75 м открывают большой
конус (система загрузки типа рудой впе-
ред). Системы подачи РКРК|Н,
КРКР | Н называют смешанным^;
К2Р2 I Н— коксом вперед; РК | ЯРК | Н—
расщепленной и т. д. Более распростра-
нены цикличные системы загрузки: .
тР2К21 пКР2К | Н, где т и п — число
подач в цикле (например, т : п = 6 : 1,
5 : 2; 4 : 3; 2 : 5 и т. д.).
При подаче типа рудой вперед рудная
часть шихты сосредоточивается иа перифе-
рии печи, что обуславливает уменьшение
Рис. 80. Распределение диоксида углерода
в колошниковом газе по радиусу печи
температуры покидающего печь газа и
увеличение содержания в нем СО2, т. е. использование тепловой и химической энер-
гии газов улучшается. Наибольшая нагруженность периферии рудными материалами
получается при подачах типа РК | РК | и РКРК |, но при таких системах загрузки
добиться удовлетворительного хода печи не удается, так как сопротивление столба
шихты увеличивается настолько, что нарушается ровный сход шихты. Поэтому
указанные системы можно применять в комбинации с другими, например, PKPKI
и Р2К21 в соотношении 1 : 4, РК | РК 1 и Р2К2 ! в соотношении 1:10,3 (КяАа 1) 4-
+ 2(ка2к|), 2(Кз;а3।) + з(ка2к;), з(а2к2;) + 2(ка2к;) и т.д.
При изменении системы подачи меняется форма кривой распределения диок-
сида углерода в газе по радиусу колошника (рис. 80). Эта кривая имеет характер-
ные точки: (СО2)тах, (СО2)П — содержание СО2 на периферии, (СО2)Ц — то же,
по оси печи, и координату ашах. В качестве параметра, характеризующего кривую
распределения диоксида углерода по радиусу печи, может быть использована вели-
чина
М _ Ги _ дтах (СО2)щах — (СО2)П
Рц Я атах (СО2)тах — (СО2)ц ’
где Fu и Кц — площади диаграммы на рис. 80.
Разрыхление периферийной части столба шихты сопровождается развитием пе-
риферийного газового потока и увеличением М. Таким образом, критерий М является
характеристикой выходной величины — распределения газов по сечению печи. Вход-
ной величиной служат различные системы загрузки:
Номер системы N
1
2
3
4
.5
6
7
Характеристика системы
К2 I Н Р2 (А2) | следом
К2 | н Р2 (А2) | Н или К2Р2 (А2) | Н
КР2 (А2) к ; Н
р2 (а2) к2 ; н
KP (А) КР (А) ; н
Р (А) КР (А) к I н
Р (А) к ; WP (А) к ; н.
222
Переход от системы с меньшим номером к системе с большим способствует боль-
шему сосредоточению рудных материалов в периферийной зоне, обратный переход —
разгрузке периферии, следовательно, входной величиной (регулирующим воздей-
ствием) следует считать порядковый номер системы загрузки. Тогда статическая ха-
рактеристика системы приобретает вид:
М « —aN + b, (126)
где а « 0,4н-0,7.
Переход от меньших М к большим приводит к повышению тепловой экономич-
ности работы печи, но снижению производительности, и наоборот. Автоматически
изменяя А в небольших пределах, можно поддерживать оптимальную выходную ве-
личину М для данной печи при возмущениях, влияющих на величины а и b в выра-
жении (126). Например, системе 5Р2Ка | Н2КРаК | Н соответствует
л^Л±±2А = 3,71;
системе 6Р2Ка | ЯКРКР | Н
6-4 + Ь5 ...
N =------------=4,14 и т. д.
Механизмы загрузки объединены в единую систему автоматического управле-
ния программными, рабочими и предохранительными блокировками. Предусмотрена
возможность ручного управления и аварийная защита механизмов от перегрузок.
Основными аппаратами системы загрузки являются командоконтроллер про-
граммы (ККП) и командоконтроллер циклов подач (ККЦ) — кулачковые командо-
аппараты с двумя параллельными барабанами с кулачковыми дисками). Кулачки
ККП и ККЦ размыкают и замыкают контакты цепей управления, дающих разреше-
ние на включение соответствующего механизма загрузки. ККП устанавливает оче-
редность загрузки скипов, а ККЦ — чередование подач в цикле загрузки. Таким
образом, командоконтролеры программы и циклов позволяют устанавливать про-
грамму (очередность) работы механизмов загрузки.
В свою очередь механизмы загрузки связаны один с другим рабочей блокиров-
кой, разрешающей включение приводов только в определенной последовательности
в соответствии с производственным процессом: каждый последующий механизм вклю-
чается в работу, если предыдущий выполнил свою операцию или находится в задан-
ном положении (и если разрешает ККП). Рабочая блокировка осуществляется ко-
нечными и путевыми выключателями.
В частности, путевой выключатель скипового подъемника замыкает свои кон-
такты в цепи катушки контактора двигателя затвора коксовой весовой воронки,
если скип достиг крайнего нижнего положения; большой конус открывается только
после закрытия малого конуса, открытия уравнительных клапанов и подъема зон-
дов уровнемера и т. д.
В системе загрузки предусмотрены также предохранительные и аварийные бло-
кировки, предотвращающие неправильную или несвоевременную работу механизмов
или их поломку.
На некоторых доменных печах применяют автоматизированную транспортер-
ную систему подачи шихты, состоящую из двух одинаковых комплексов механизмов
с правой и левой стороны скипового подъемника. В каждом комплексе имеются бун-
кера для агломерата, снабженные вибрационными питателями и подающие агломерат
на пластинчатый конвейер; бункера добавок с питателями и весовыми воронками,
подающими добавки на ленточный конвейер; весовая воронка для агломерата.
Механизмы загрузки кокса служат для выполнения операций отсева мелочи,
взвешивания кокса и загрузки его в скип. Коксовая весовая воронка установлена на
весовом механизме и снабжена электрифицированным затвором. На весовом меха-
низме установлен регулятор веса — весовая головка с указателем и ртутным переклю-
чателем. Одна пара контактов переключателя замыкает цепь на закрытие затвора
пустого бункера, а вторая останавливает грохот после набора заданного количества
кокса.
Более совершенной является система дистанционного управления набором
кокса. Схема дистанционного весоизмерителя кокса изображена на рис. 81. Сельсин-
223
йая система дистанционной передачи работает в трансформаторном режиме. Вторич-
ный прибор выполнен на основе электронного моста. Если установлен вторичный
прибор, то управление весом кокса возможно со щита мастера доменной печи, так
как вторичный прибор снабжается задатчиком и регулирующими контактами, за-
меняющими ртутные контакты весовой головки.
Задание веса кокса можно изменять вручную или автоматически, если снабдить
задатчик вторичного прибора системой дистанционного изменения задания. Если
на печи функционирует ЭВМ в рамках АСУ ТП, то расчетное значение массы кокса
можно устанавливать на приборе автоматически для регулирования тепловой ра-
боты печи. На каждой печи предусматривают по два вторичных прибора для правого
н левого коксопогрузочных устройств.
Рис. 81. Дистанционный измеритель веса кокса:
1 — весовая головка; 2 — вторичный прибор; СД — сельсни-дат-
чик; СП — сельсин-приемник; ЭУ — электронный усилитель
Засыпной аппарат доменной печи состоит из двух конусов: большого и малого.
При опускании материалов с малого конуса в межконусное пространство попадает
воздух. При определенном соотношении газа и воздуха образуется взрывоопасная
смесь. Для предотвращения взрыва в межконусное пространство через клапан по-
дают пар. Перед опусканием большого конуса, используя уравнительные клапаны
(рис. 82), работающие по заданной программе, в межконусное пространство подают
очищенный от пыли в скруббере высокого давления доменный газ. Перед опусканием
малого конуса межконусное пространство через клапаны соединяется с атмосферой.
При основном режиме работы выпускной клапан закрывается только на период опус-
кания большого конуса, и перед опусканием большого конуса открывается наполни-
тельный клапан.
Заполнение межконусного пространства очищенным газом контролируют сиг-
нализаторы разности давления, которые при допустимой разности давления подают
разрешающий сигнал на маневрирование конусами. Для повышения надежности
системы применяют сдвоенные сигнализаторы разности давления, контакты которых
включают последовательно. Такое усложнение обусловлено возможностью изгиба
штанг конусов, если маневрирование конусами производить при большой разности
давлений с разных сторон конусов.
Вращающийся распределитель шихты (ВРШ) распределяет шихтовые мате-
риалы по окружности колошника. Программа работы ВРШ предусматривает изме-
нение угла поворота (станции) ВРШ после каждой подачи. Если ВРШ имеет шесть
станций (угол между станциями 60°), то при поступлении первой подачи поворота.
ВРШ ие происходит, при второй подаче ВРШ после каждого скипа поворачивается:
на 60°, при третьей — на 120°, потом на 180°, затем поворачивается в обратную сто-
рону на 120° и на 60°. После шести подач цикл повторяется. На некоторых доменных
печах ВРШ имеет 12 или 24 станции.Для контроля работы ВРШ по станциям исполь-
зуют сельсины.
При работе доменной печи в отдельных секторах поперечного сечения печи мо-
гут образовываться каналы или уплотнения, нарушающие равномерное распреде-
224
Ление газов. В районе канала температура Газов более высокая, содержание же Диок-
сида углерода в них несколько меньшее; в районе уплотнений наблюдаются противо-
положные явления. Контролируя температуру и состав газов в секторах сечения
колошника (обычно число контролируемых секторов равно числу станций ВРШ),
Можно своевременно обнаружить возникновение каналов и уплотнений. Для устра-
нения каналов в сектор грузят руду (агломерат), а для разрыхления уплотнений
в секторе — кокс. В этих случаях программа работы ВРШ соответственно меняется.
Изменять работу ВРШ (отдельно для правого и левого скипов) можно автоматически.
Для этого необходимо контролировать температуру периферийных газов под стан-
циями ВРШ, используя термопары в шахте печи, и в соответствии с этим изменять
программу вращения ВРШ.
Рис. 82. Схема клапанов межконусного пространства:
1 — газоотводы к системе очистки колошникового газа; 2 — газопроводы очищенного газа;
3 — привод уравнительного наполнительного клапана; 4 — привод уравнительного атмо-
сферного клапана; 5 — свечи; 6, 9 — клапаны; 7 — малый конус; а — большой конус;
10 — сигнализаторы разности давлений
Для автоматического измерения уровня засыпи в двух точках по диаметру
колошника используют механические контактные зоны. Зонд (цилиндрический груз)
подвешен на тросе и опирается о поверхность шихты. Зонды опускают в рабочее про-
странство печи через отверстия в воронке большого конуса. Трос зонда намотан на
барабан зондовой лебедки. С валом лебедки связан датчик угла поворота, соединен-
ный со вторичным прибором на щите печи.
Сельсин — датчик частоты вращения барабана лебедки, т. е. скорости опуска-
ния шихты, соединен с сельсин-приемником на щите печи. Вращение стрелки сель-
син-приемника наглядно показывает скорость схода шихты.
В зондовой лебедке используют двигатель постоянного тока, который работает
в режиме противовключения. При этом вращающий момент двигателя по величине
меньше веса зонда и трос зонда находится в натянутом состоянии, так что зонд сле-
дует за шихтой по мере ее опускания. На время открывания большого конуса зонды
поднимаются в крайнее верхнее положение. Когда уровень шихты Н превышает
предельный (0,8—2,0 м), контакты путевого выключателя зондовой лебедки запре-
щают загрузку печи.
Зонды иногда затягиваются шихтой и дают неверные показания уровня. В этом
отношении радиометрический бесконтактный метод контроля уровня шихты имеет
определенные преимущества перед методом контроля зондами, так как отличается
высокой чувствительностью и точностью.
8 глинков г. м. н др. 225
Разрешение на открытие большого конуса Дается цепью автоматического управ-
ления замыканием трех контактов (рис. 83, а). Контакт Р1 замыкается по схеме,
изображенной на рис. 83, б, т. е. уровнемер выдает разрешение на открытие конуса
при достижении заданного уровня, по крайней мере, в двух противоположных точ-
ках (север С и юг Ю, восток В и запад 3).
Для контроля состояния механизмов загрузки применяют сигнальные свето-
форы с мнемосхемой системы загрузки.
Р1 Р2 PJ
О .............. «•*''**- о
Вход Выход
о . о
. ° ~220В .
6
Рис. 83. Цепи управления открытием большого ко-
нуса ,
Работу засыпного аппарата контролирует комплект аппаратуры РЗА (регистра-
тор работы засыпного аппарата), который представляет собой самопишущий прибор,
предназначенный для регистрации во времени работы основных механизмов засып-
ного аппарата доменной печи.
Контроль и автоматическое управление
основными параметрами доменной печи
и воздухонагревателей
На доменной печи и ее воздухонагревателях осуществляют автоматический кон-
троль и регулирование ряда технологических и теплотехнических параметров —
давления, температуры, расхода, уровня, состава и др. Большинство этих пара-
метров контролируют и регулируют с помощью серийных контрольно-измеритель-
ных приборов, но некоторые системы контроля и регулирования имеют свои особен-
ности.
Для контроля радиального распределения газового потока в столбе шихты из-
меряют температуру и состав газа по радиусу колошника, для чего применяют газо-
отборную трубу, передвигающуюся с помощью лебедки (комбинированный зонд).
Используя такую установку, можно измерять содержания СО, СО2 и Н2 в газе и тем-
пературы газа и шихты. Водоохлаждаемые зонды периодически вводят в печь по че-
тырем взаимно перпендикулярным радиусам поперечного сечения шахты, на 1 м ниже
защитных сегментов колошника. Измерение температуры газа малоинерционной тер-
мопарой обычно совмещают с отбором проб для химического анализа в восьми точках
каждого радиуса. Цикл измерения температуры и отбора проб составляет 3 мин.
По окончании цикла и возвращении зонда в исходное положение в течение 12 мин
производится последовательный анализ проб газа на содержание СО, СО2 и Н2
двумя оптико-акустическими и термокондуктометрическим Газоанализаторами.
Если измеряется только температура газа, то зонд движется безостановочно и цикл
измерения составляет 1 мин. Температуру шихты измеряют с помощью зонда, в ко-
тором установлен радиационный пирометр.
Для контроля теплового состояния низа печи с помощью термопар погружения
на чугунном и шлаковом желобах измеряют температуру чугуна и шлака. Механизи-
рованные термопары погружения имеют дистанционное или автоматическое управле-
ние. Термоэлектроды термопары погружения выполнены из тугоплавких металлов:
W — Мо + 0,5 % А1 и имеют защитный наконечник из силицироваииого графита
(композиция SiC, С, Si). Рабочий конец термопары выдерживает до 100 кратковре-
менных (до 2 мин) измерений или 5 ч длительных измерений.
Алгоритмы управления тепловым состоянием печи обычно основаны на показа-
ниях газоанализаторов колошникового газа, поэтому эти показания должны быть
22в
максимально достоверны. В таких условиях требуются автоматический контроль и
коррекция показаний газоанализаторов.
Технологическая схема контроля и коррекции показаний газоанализаторов
приведена на рис. 84. Схема работает следующим образом; для проверки газоанализа-
торов по контрольному газу схема подает на вход датчиков газоанализаторов кон-
трольный газ из баллона через электромагнитный клапан ЭМКЗ. Для корректировки
нуля газоанализаторов в датчики газоанализаторов подается сжатый воздух через
Рис. 84. Схема автоматического контроля и коррекции газоанализаторов:
1 — чистый колошниковый газ; 2 — получистый газ; 3 — вода; 4 — дренаж; 5 — в атмо-
сферу; 6 — сжатый воздух; 7 — в корпуса датчиков; 8 — к схеме анализа газа по радиусу
лечн; BJ—B4 — запорные вентили; X — холодильники; Ф — фильтры; Р — редукторы;
ВП — водопоглотители; Д — дроссели; БФ — блок регулировки и фильтрации; РР — регу-
ляторы расхода; РД1, РД2 — редукторы давления; ЭМК! —ЭМК6 — электромагнитные
клапаны; РТ — ротаметры; ВР — вентили регулировочные; Б — баллон с контрольным
газом; ДГ — датчики газоанализаторов
клапан ЭМК2. В рабочем режиме1 анализируемый колошниковый газ поступает иа
вход датчиков через клапаны ЭМК.1 и ЭМ.К.6. При этом два комплекта газоанализа-
торов включены параллельно. В режиме проверки комплекты газоанализаторов
соединяются последовательно путем закрытия клапана ЭМК4 и открытия клапана
ЭМК5. Запуск схемы для проверки по контрольному газу осуществляется замыка-
нием тумблера (ручная проверка) или контакта от УВМ (автоматический режим).
При этом промежуточное реле замыкает цепи питания клапанов ЭМК.З и ЭМК5
и отключает клапаны ЭМК2, ЭМК4 и ЭМК6. Происходит отсечка колошникового
газа (ЭМК1, ЭМК$), переключение в последовательную цепь всех датчиков (ЭМК4,
ЭМК5) и подача на вход датчиков контрольного газа (ЭМК.З). Если ошибка измере-
ния превосходит максимально допустимую, то осуществляется проверка нуля газо-
анализаторов: закрываются клапаны ЭМК.2, отсекается контрольный газ и подается
сжатый воздух. Установка нуля осуществляется двигателями.
8* 227
Назначение локальных систем управления заключается в обеспечении стабиль-
ных значений следующих параметров: давления газа на колошнике печи; давления
топлива — заменителя (природного газа или мазута); отношения расхода топлива —
заменителя к расходу горячего дутья в целом на печь и для отдельных фурм; расхо-
дов воды по отдельным агрегатам газоочистки; уровня воды в барабанах-сепараторах
отдельных секций испарительного охлаждения шахты доменной печи и шиберов го-
рячего дутья воздухонагревателей; давления воздуха в коллекторе перед воздухо-
нагревателями (в случае централизованной подачи воздуха); температуры куполов
воздухонагревателей; соотношения топливо—воздух в горелках воздухонагревате-
лей; температуры горячего дутья при последовательной или попарно-параллельной
Рис. 85. Схема системы автоматического распределения дутья по фурмам доменной печн:
1 — сужающее устройство; 2 — дифманометры; 3 — регуляторы расхода по фурмам; 4 —
исполнительные механизмы; 5 — регулирующие заслонки; 6 — манометр; 7 — задатчик;
8 — корректирующий регулятор
работе воздухонагревателей; влажности дутья. Отдельный узел составляет система
автоматической перекидки клапанов и шиберов воздухонагревателей.
Эффективным средством воздействия на ход печи снизу является автоматическое
распределение дутья и природного газа по фурмам. При равномерном распределе-
нии дутья по фурмам ход печи становится более ровным, повышается ее производи-
тельность и сокращается расход кокса, так как возрастает степень использования
Химической энергии газов (содержание СО2 в колошниковом газе увеличивается при-
мерно на 0,5 % по сравнению с работой печи без автоматического распределения
Дутья).
На рис. 85 изображена схема системы автоматического распределения дутья по
фурмам доменной печи. Расход дутья по фурмам измеряют диафрагмами или другими
датчиками переменного перепада и регулируют дроссельной заслонкой в фурменном
рукаве. Регуляторы расхода получают задания, пропорциональные общему расходу
дутья на печь или давлению горячего дутья. Дополнительный корректирующий ре-
гулятор по положению заслонок обеспечивает минимальное сопротивление системы
распределения дутья.
Нагрев воздухонагревателей обычно осуществляется при постоянном расходе
газа, а температуру купола регулируют, изменяя расход воздуха (путем разбавле-
ния продуктов сгорания избыточным количеством воздуха). Опытным путем на каж-
дом воздухонагревателе определяют степень открытия органа, регулирующего подачу
вентиляторного воздуха, при котором достигается максимальная скорость подъема
температуры купола при заданном расходе газа. В таком режиме горелка воздухо-
нагревателя работает в начале периода нагрева. После достижения температурой ку-
пола заданного значения регулятор нагрева воздухонагревателя увеличивает рас-
ход воздуха.
На рис. 86 приведена схема управления температурой горячего дутья при раз-
личных режимах работы воздухонагревателей. В период нагрева клапаны горячего 4
и холодного 5 дутья закрыты, а дымовые клапаны 7 и отделительные клапаны газа и
228
горелки 6 открыты. Смешанный (доменный + природный) газ (г) и вентиляторный
воздух (в. в) поступают в горелку, перемешиваются и попадают в шахту горения,
где газ воспламеняется. Продукты сгорания под куполом поворачивают в насадку
и проходят через нее, попадая затем в поднасадочное пространство. Оттуда продукты
сгорания уходят через дымовые клапаны 7 в боров и в дымовую трубу д.
В период охлаждения дымовые и отделительные клапаны газа и горелки закрыты,
а клапаны горячего и холодного дутья открыты. Холодное дутье (х. в) поступает в под-
насадочное пространство, проходит насадку, нагревается, поворачивает под куполом
в шахту горения, опускается и через клапан горячего дутья попадает в воздухопро-
вод горячего дутья (г. в).
г.6
Рис. 86. Схема управления температурой горячего дутья
Температура горячего дутья, поступающего в печь, поддерживается регулятором
температуры 1 путем смешения с холодным дутьем при помощи смесительного кла-
пана 2 или перераспределением дутья между воздухонагревателями при попарно-
параллельном режиме работы с помощью клапанов 3.
При последовательном режиме работы один воздухонагреватель всегда находится
на дутье, а остальные на нагреве. На рис. 86 воздухонагреватель ВН1 находится на
дутье (открыты клапаны 4 и 5), а воздухонагреватели ВН2, ВНЗ и ВН4 греются
(открыты клапаны 6 и 7).
При попарио-параллельном режиме два воздухонагревателя всегда находятся
на дутье и два — на нагреве. Расходы воздуха через воздухонагреватели непостоянны.
Сначала, когда воздухонагреватель включается на дутье, расход воздуха через него
минимальный, а затем по мере охлаждения предыдущего воздухонагревателя дутье
между ними перераспределяется с помощью клапанов 3 так, чтобы поддерживать
постоянную температуру горячего дутья. Как только расход дутья через остывший
воздухонагреватель уменьшается до нуля, он отключается, ставится на нагрев и под-
ключается последующий воздухонагреватель. Далее цикл повторяется. Возможен
также такой попарно-параллельный режим, при котором температура горячего дутья
поддерживается с помощью смесительного клапана 2, а клапаны 3 полностью от-
крыты.
При работе с перекрытием (смешанный или комбинированный режим) сначала
ставятся на дутье два воздухонагревателя, затем полностью остывший переключается
на нагрев, а на дутье остается один, более горячий, воздухонагреватель. При доста-
точном охлаждении второго воздухонагревателя к нему параллельно подключается
горячий, третий, воздухонагреватель, и они работают совместно на дутье, пока вто-
рой полностью не остынет и не отключится. После этого третий работает один, затем
к нему параллельно подключается четвертый и т. д. При режиме работы с перекрытием
температура горячего дутья может поддерживаться с помощью смесительного кла-
пана 2 при открытых клапанах 3 или с помощью клапанов 3 при параллельной работе
и клапана 2 при последовательной работе воздухонагревателей иа дутье.
220
УВК
л
Перепады давления
Скорость
схода
шихты
Анализ колаи/никодоео
газа ла радиусу лечи
Темпера-
тура
газа
середина середина Й
шахты- горячее P?!cpL...
колошник дутое кшшшк
§ I
аг
Рис. 87. Функциональная схема АСУ ТП доменной печи:
1 —зондовая лебедка; 2 — к уровнемеру на перпендикулярном диаметре; 3 — в схему
торов; 5 — в схему управления клапанами газового тракта системы анализа газа по радиусу
зироваиием шихтовых материалов; 8, 9 — из системы загрузки; 10 — нз схемы электрообо
тромагдитные клапаны; Б У — блок управления; ЛШ — летка для шлака; ЛЧ — летки для
230
управления клапанами газового тракта; 4 — в схему автоматической коррекции газоанализа-
печи; 6 — к отбору давления горячего дутья; 7 — в схему автоматического управления до-
рудования; Св — свеча; И — инициативный сигнал; Ф — циклонные фильтры; ЭК — элек-
чугуна; ВВКП, BBKJJ — весовые воронки кокса (правая и левая)
231
Рис. 88. Функциональная схема АСУ ТП воздухонагревателей (ВН) доменной печи:
J — к регулятору; 2 — из электрической схемы перекидки клапанов; 3 — к сиг
охлаждения; 5 — иа увлажнение дутья; 6 — сигнализация; 7 — печать
232
иальным табло окончания периода нагрева; 4 —то же, периода
233
АСУ ТП доменного производства
В системе управления доменным процессом, в частности, тепловым режимом плавки,
целесообразно использовать управляющие электронные вычислительные машины
(УВМ). На первом этапе внедрения вычислительной техники в доменное производство
в ее функции должны входить: централизованный контроль, обработка и представ-
ление в удобном для оператора виде всей необходимой для управления процессом ин-
формации. На втором этапе внедряются автоматизированные системы управления,
функционирующие в режиме «Советчика мастера» с использованием математических
моделей и алгоритмов управления доменным производством. В дальнейшем преду-
сматривается возможность замкнутого автоматического управления процессом до-
менной плавки с применением вычислительных машин.
Необходимыми условиями экономически целесообразного применения АСУ ТП
доменного производства являются: высокая степень подготовки шихтовых материа-
лов, обеспечивающая кусковатость агломерата в пределах 10—25 мм, окатышей 10—
15 мм и содержание фракции менее 5 мм — не более 5 %, колебания железа в шихте
не должно превышать 0,3 %, влажности кокса 0,5 %; обеспечение печи необходимым
количеством шихтовых материалов, энергоносителей, вспомогательных материалов
и запасных узлов; обеспечение заданных графиков планово-предупредительных и
профилактических ремонтов оборудования.
Функции УВМ в рамках АСУ ТП доменного производства заключается в сле-
дующем.
Для системы подачи и загрузки шихты УВМ осуществляет расчет соотношения
масс шихтовых материалов в подаче, управление набором и взвешиванием шихтовых
материалов с учетом их физических свойств и химического состава, управление ме-
ханизмами тракта шихтоподачи и загрузки печи по заданной программе, контроль
и сигнализацию работы оборудования. Для собственно доменного процесса УВМ
реализует алгоритмы управления: тепловым состоянием доменной печи, ходом до-
менной печи с постоянной скоростью схода шихты; распределением газового потока
по сечению шахты, шихтовкой доменной плавки.
На рис. 87 изображена функциональная схема АСУ ТП собственно доменной
печи. В схеме основное внимание уделено регулированию теплового режима доменной
плавки. Для этой цели приняты меры к обеспечению точности и достоверности ис-
пользуемой информации. Это в первую очередь относится к составу колошнико-
вого газа, влажности кокса, скорости схода шихты, содержанию железа в агломерате,
влажности и расходу горячего дутья, рудной нагрузке.
Для анализа колошникового газа установлены оптико-акустические и кондукто-
метрические газоанализаторы (на схеме не показаны), оснащенные схемой их автома-
тической проверки и градуировки. Для контроля влажности установлены влагомеры
кокса. Скорость схода шихты контролируется зондовыми лебедками и радиоактив-
ными уровнемерами. В химической лаборатории агломерационной фабрики, снаб-
жающей доменный цех агломератом, установлены пульты ввода цифровой информа-
ции для быстрой передачи в доменный цех химического состава агломерата. Так же
нз химической лаборатории доменного цеха с помощью пульта ввода цифровой ин-
формации в УВМ передаются данные о составе чугуна и шлака. Выходной информа-
цией АСУ ТП при управлении тепловым режимом плавки являются рекомендации по
изменению рудной нагрузки и расхода пара на увлажнение дутья. Эти рекомендации
выдаются с периодичностью один раз в два часа на станцию индикации данных
в виде текста, например, «Прибавить 100 кг кокса». УВМ также управляет работой
схем газового анализа, выдавая релейные сигналы в схему управления газовыми трас-
сами. Вся выдаваемая на СИД информация фиксируется печатающей машинкой в по-
мещении управления печью. Результаты расчета технико-экономических показате-
лей, учет рекомендаций, показатели функционирования системы печатаются в поме-
щении УВМ.
Для воздухонагревателей УВМ обеспечивает максимальный к. п. д., при этом
насадка аккумулирует заданное количество тепла за заданное время с минимальным
расходом топлива. Схема АСУ ТП воздухонагревателей приведена на рис. 88. АСУ ТП
решает три задачи: 1) определение оптимальной длительности составляющих цикла
работы воздухонагревателей (длительности периода нагрева или дутья); 2) выбор
оптимальных параметров — температуры купола, расхода газа и закона их измене-
ния в период нагрева воздухонагревателей; 3) поиск оптимального режима работы
блока — последовательного, попарио-параллельного или смешанного.
234
Целью управления доменными воздухонагревателями при ограничениях на их
тепловую мощность служит достижение максимальной температуры горячего дутья
или максимального среднего теплоусвоення воздухонагревателя (блока воздухонагре-
вателей).
§ 3. Сталеплавильное производство
Миксерное отделение
Автоматизация в миксерном отделении сводится к автоматическому взвешиванию
и учету чугуна, поступающего из доменного цеха и подаваемого в мартеновскую печь
или конвертер; определению состава чугуна, сливаемого из миксера; измерению тем-
пературы чугуна при сливе из миксера (для конвертерных цехов), а также к автома-
тизации теплового режима миксера.
Для определения состава чугуна в экспресс-лаборатории цеха широко применяют
спектральный анализ в вакуумных квантометрах. Температуру чугуна измеряют
термопарой погружения, автоматически опускающейся в чугун при остановке ковша
на пути из миксерного отделения в конвертерный цех.
Функциональная схема автоматизации теплового режима миксера, отапливае-
мого природным газом, показана на рис. 89. В этом случае контролируют расход и
давление природного газа и воздуха, теМпературу жидкого чугуна, кожуха миксера
и свода миксера. Регулируют только заданный расход природного газа. Значения
контролируемых и регулируемых параметров указаны на схеме.
Мартеновские печи
При выплавке стали в мартеновских печах происходит выжигание из чугуна крем-
ния, марганца, фосфора, серы и углерода. Крупные современные мартеновские печи
работают скрап-рудным процессом, при котором металлическая часть шихты состоит
из 50—60 % жидкого чугуна и 40—50 % железного лома.
Источниками кислорода для окисления примесей чугуна служат железная руда,
технический кислород, применяемый для продувки ванны через специальные сво-
довые фурмы; кислород атмосферы печи, поступающий в ванну через шлак.
С точки зрения автоматизации мартеновская печь и процесс имеют следующие
особенности:
а) периодичность действия, т. е. процесс циклически повторяется от завалки
до выпуска плавки;
б) питание теплом (тепловая мощность) и температура различных частей печи
изменяется по ходу плавки, от плавки к плавке н по ходу кампании печи;
в) технологические процессы, протекающие в печи, очень сложны, идут с погло-
щением и выделением тепла и выделением горючих газов (СО из ванны);
г) режим работы печи подвержен резким возмущениям, связанным с периодиче-
ским реверсированием факела;
д) отсутствуют многие датчики, необходимые для автоматического управления
мартеновской плавкой (датчики состава металла, шлака и др.).
Функциональная схема управления тепловым режимом мартеновской печи по-
казана на рис. 90. Некоторые динамические характеристики мартеновских печей
приведены в приложении. Перечень основных автоматически контролируемых
параметров мартеновской плавки дан в табл. 51.
Температура свода рабочего пространства измеряется радиационными пиро-
метрами, установленными в водоохлаждаемой арматуре и свизированными на свод
через амбразуры в задней стенке. Более точные значения температуры свода позво-
ляет получить шомпольный термозонд (рис. 91). Через водоохлаждаемую фурму
в своде в рабочее пространство периодически с помощью пневмоцилиндра вводится
водоохлаждаемый цилиндрический шомпол, конец которого является чувствитель-
ным элементом (собственно термозондом /). Замеры производятся один раз в 1—2 мин,
продолжительность пребывания шомпола в печи около 30 с. В стенке термозонда 1
возникает перепад температур, измеряемый батареями термопар, помещенных в от-
верстиях 2 на разной глубине по толщине стенки. Измеряемая разность температур
характеризует тепловой ноток, величина которого зависит от температуры окружаю-
щего участка свода.
235
а»
Внеир/тодые
технические
средства
Щит
миксера
Кантрало
Контроль
Что
измеряется
давления
воздуха
давления
природная
газа
Сиенализоиия
отсечки еаза
Контроль
расхода
воздуха
Регулирование
расхода
природного газа
массы
тловаемогд\сливоемого
чуеуно
массы
чугуна-
‘ие/траи/я
жидкого
чуеуно
температуры
кожуха
миксера
температуры
свода миксера
Рис« 89. Функциональная схема автоматизации теплового режима миксера
Таблица 51. Автоматически контролируемые параметры мартеновской
печи
Параметры Прибор (устройство) для контроля параметра Пределы йзмерения
Температура свода рабочего Пространства Температура Верха насадок ре- генераторов Температура жидкого металла Температура в общем борове Расход газа, мазута, кислоро- да, вентиляторного воздуха и ДР- Давление под сводом рабочего пространства Разрежение в общем борове Содержание кислорода в про- дуктах сгорания Радиационный пирометр, Шом- польный термозонд Радиационный пирометр Термопара погружения, термо- пара непрерывного действия Термопара хромельалюмелевая Устройства сужения в трубо- проводах и дифманометры Колокольный дифманометр Тягометр Автоматический газоанализа- тор, анализатор ТЕФЛОКС 1400—1800 °C 1000—1400 °C 1500—1750 °C 400—700 °C В зависимости от размеров печи 30—60 Па 400—1000 Па До 5 %
Анализ продуктов сгорания, производится с помощью автоматических газоанали-
заторов или анализатора избыточного кислорода (рис. 92). Проба газа отбирается из
вертикального канала газопаровым эжектором (рис. 92, а) и после очистки поступает
в чувствительный элемент анализатора (рис. 92, б), помещенный в электропечь с тем-
пературой 500 °C. Продукты сгорания и дополнительные компоненты О2 и Н2 прини-
мают температуру печи п поступают в измерительную камеру, по оси которой распо-
ложена дифференциальная термопара 7. Ее участок между спаями 8 и 9 сделан из
платины и является катализатором. Спай 8 разогревается, если в продуктах сгорания
есть горючие компоненты, а спай 9, если в продуктах сгорания присутствует избыточ-
ный кислород. Э. д. с. термопары пропорциональна коэффициенту расхода воздуха
в продуктах сгорания. . /
Дальнейшим усовершенствованием рассмотренного устройства является анали-
затор ТЕФЛОКС со сменными чувствительными термоэлементами. Вторичными при-
борами ТЕФЛОКС служат потенциометры, отградуированные на содержание
(СО + Н2) и О2 от 0 до 6 %.
Автоматические системы управления тепловым режимом мартеновской печи
включают четыре локальных узла:
а) управления тепловой мощностью;
б) управления сжиганием топлива;
в) регулирования давления под сводом рабочего пространства;
г) автоматической перекидки клапанов.
Управление тепловой мощностью. Способы управления тепловой мощностью
можно разделить на две группы: статическое программное и динамическое управле-
ние.
При статическом программном управлении на основании предварительных ис-
следований разрабатывают тепловую инструкцию, в которой заданы тепловая мощ-
ность и расходы различных видов топлива для каждого периода плавки. На осно-
вании инструкции сталевар устанавливает задание отдельным регуляторам расхода
топлива (рис. 90), корректируя их на основании собственного опыта. Функцию управ-
ления выполняет сталевар, а локальные системы автоматики только поддерживают
заданные расходы топлива.
В связи с интенсификацией процессов плавки путем подачи кислорода в факел
и в ванну статическое управление все меиее удовлетворяет требованиям обеспечения
экономичной работы печей. При увеличении интенсивности продувки ванны кисло-
родом и сокращении периодов завалки—прогрева шихты повысились колебания тем-
пературы свода от 1300—1400 до 1800—1900 °C. Так же значительны колебания со-
держания кислорода и горючих компонентов в продуктах сгорания.
237
Указанной НёСтацйднарноСть ^епловогО Процесса обусловила прймёнёние Ди-
намического управления, использующего текущую информацию и оказывающего
управляющие воздействия по ходу плавки.
К динамическим системам управления тепловой мощностью можно отнести си-
стемы управления по ограничивающим факторам, в которых тепловая мощность под-
держивается на максимальном уровне до тех пор, пока хотя бы один из ограничиваю-
щих факторов (температура свода, температура, насадок, содержание О2 в продуктах
сгорания и т. д.) не выйдет за допустимые значения. После чего тепловая мощность
начинает дискретно или непрерывно снижаться до тех пор, пока параметр не войдет
в допустимые пределы.
238
Из динамических систем управления наибольшее распространение получила
система АВТЕР (рис. 93). В схеме применен принцип раздельного регулирования
параметров теплового режима. Основными в системе АВТЕР являются, узлы регу-
лирования температуры свода изменением расхода топлива н коэффициента расхода
воздуха изменением расхода кислорода в факел. Датчиком температуры свода слу-
жит шомпольный термозонд, а коэффициент расхода воздуха контролируется анали-
затором ТЕФЛОКС.
Если тепловую мощность не удается поднять до уровня, обеспечивающего зна-
чение /св из-за недожога топлива, то в системе АВТЕР предусмотрен переход на свя-
занное регулирование /св и а изменением только одного параметра — расхода топ-
ВОВСКОв печи
290
Рис. 91. Шомпольный термозонд
Рис. 92. Анализатор избыточного кислорода:
1 — водоохлаждаемая фурма; 2 — сопло эжектора; 3 — приемное отверстие; 4 — охлажда-
ющая вода; 5 — вода в эжектор; 6 — отвод смеси продуктов сгорания и воды; 7 — дифферен-
циальная термопара; 8, 9 — спаи термопары
Рис. 93. Структурная схема системы АВТЕР:
/св, /н, а, Ар— датчики температуры свода, температуры насадок, коэффициента расхода
воздуха и давления в рабочем пространстве; А — автоматические регуляторы; 3 — задатчик
температуры свода
340
лива. Величина а и расход топлива связаны через контур регулирования /св: если
увеличить расход кислорода невозможно и величина а падает ниже допустимого
уровня, то автоматически, пропорционально отклонению а от заданного значения,
снижается заданное значение ^св. В системе АВТЕР сталевар задает не расход топ-
лива по периодам плавки, а необходимую температуру свода. Расход топлива может
изменяться в любых пределах от нуля до максимума. Применение системы АВТЕР
превращает мартеновскую печь из агрегата с относительно постоянной мощностью
(в пределах периода плавки) и переменным температурным режимом свода в агрегат
с переменной тепловой мощностью и относительно постоянным температурным
режимом.
Управление сжиганием топлива. Задача регулирования горения в мартеновской
печи — полное сжигание топлива всех видов, включая и СО из ванны, в пределах
рабочего пространства печи. Контролировать качество сжигания топлива можно
по анализу продуктов сгорания на О2 или, используя анализатор ТЕФЛОКС. При
проектировании схем регулирования горения можно рекомендовать использовать
регулирование горения по соотношению топлива всех видов и кислородоносителей
и схему регулирования с коррекцией по анализу продуктов сгорания.
Регулирование горения по соотношению всех видов топлива и всех видов кисло-
родоносителей применено в схеме автоматизации мартеновской печи, показанной
на рис. 90. Ведущими параметрами являются расходы топлива (природного газа и
мазута), ведомым — расход вентиляторного ноздуха, независимыми — расход кис-
лорода, подаваемого в факел, и сжатого воздуха. Задание регулятору соотно-
шения устанавливает сталевар, используя для этого дистанционный задатчик.
Регулирование горения с коррекцией по анализу продуктов сгорания обеспе-
чивает более полное сжигание топлива, позволяет учитывать СО, выделяющийся
из ванны. В. этом случае применяют специальный корректирующий регулятор, за-
меняющий задатчик соотношения. Соотношение задается автоматически в зависи-
мости от отклонения содержания кислорода в продуктах сгорания от заданного.
Коррекцию можно вводить также по показаниям анализатора ТЕФЛОКС.
Регулирование давления. Давление в рабочем пространстве мартеновской печи
регулируют таким образом, чтобы на уровне гляделок рабочих окон избыточное дав-
ление было равно нулю. При этом под сводом давление составляет 30—60 Па..
Давление регулируют шибером, установленным в общем борове перед дымовой
трубой, или направляющим аппаратом дымососа котла-утилизатора.
Автоматическая перекидка клапанов. Система автоматической перекидки клапа-
нов в мартеновской печи служит для предохранения насадок регенераторов от пере-
грева и обеспечения оптимального режима работы регенераторов, позволяет умень-
шить время между перекидками клапанов по мере разогрева печи в ходе плавки.
Команда на перекидку клапанов может формироваться различными способами.
Наиболее простой системой автоматической перекидки клапанов является пере-
кидка по времени с использованием моторного реле времени. Задание устанавливает
сталевар отдельно для каждой стороны печи и изменяет вручную по ходу плавки.
Такая система не гарантирует от перегрева насадки и не обеспечивает оптимальной
продолжительности между перекидками.
Более распространена и лучше отвечает предъявленным требованиям перекидка
по разности температур верха насадок с контролем по времени. Во избежание изме-
нения частоты нерекидки при случайных кратковременных колебаниях темпера-
туры насадки систему блокируют с реле времени, которое не пропускает командный
сигнал до истечения установленного на реле минимального значения времени.
Примениется также перекидка клапанов с помощью интегрального реле времени,
которое представляет собой моторное реле времени с частотой вращения двигателя
пропорциональной температуре греющейся насадки. Перекидка клапанов происхо-
дит после каждого полуоборота выходного вала реле, при этом интервал между пере-
кидками обратно пропорционален средней температуре насадки за период нагрева.
Двухванные печи
Двухванная печь состоит из двух рабочих пространств (двух ванн), в одном из которых
производится продувка металла кислородом, в другом — завалка и прогрев твердой
шихты. Выделяющийся при продувке металла СО из первой ванны поступает во вто-
рую, дожигается там и отдает тепло холодной шихте. Двухванная печь — кислород-
ная печь и поэтому дожигание СО и сжигание дополнительного топлива произво-
241
дится в техническом кислороде. Дополнительным топливом служит природный газ,
который подается на стационарные горелки и иногда на подвижные фурмы. Двух-
ванные печи не имеют регенераторов.
Функциональная схема управления тепловым режимом двухванной печи приве-
дена на рис. 94. На этой схема показаны локальные системы регулирования для пра-
вой ванны; аналогичные системы существуют и для левой ванны.
Группа приборов 1 дает информацию о состоянии жидкой ванны (температуре
металла, окисленнрсти металла, содержании углерода). Приборы и регуляторы 2
предназначены для регулирования положения продувочных фурм относительно
границы шлак—металл. Регулятор 3 поддерживает заданный сталеваром расход
кислорода на продувочные фурмы. Иногда кислород через поднятые продувочные
фурмы подают и в холодную ванну, тогда регулятор 3 поддерживает заданный расход
кислорода и при работе ванны на завалке и прогреве. В комплект приборов 3 может
входить сумматор, определяющий количество поступившего в ванну кислорода с мо-
мента начала продувки, по которому возможно оценить время прекращения продувки.
Наиболее важная в мартеновской печи задача управления тепловой мощностью
в двухванной печи имеет вспомогательное значение. В продувочной ванне тепловая
мощность (за счет подачи топлива) обычно равна нулю, так как тепла, выделяющегося
при частичном дожигании СО, достаточно для поддерживания высокой температуры
рабочего пространства. В холодной ванне тепла от дожигания СО может не хватить
и тогда через сводовые горелки и фурмы подается топливо, количество которого ста-
билизируется регулятором 4. Задание регулятору устанавливает сталевар. При
применении системы АВТЕР регулятор 4 служит для поддержания заданной тем-
пературы свода в «холодной» ванне, измеряемой шомпольным термозондом.
Регулятор 5 поддерживает заданный расход кислорода через стационарные го-
релки в количестве, достаточном для сжигания природного газа и дожигания СО,
поступившего из продувочной ванны. В системе АВТЕР регулятор 5 поддерживает
в продуктах сгорания заданный коэффициент расхода воздуха, определяемый анали-
затором избыточного кислорода.
Приборы 6 осуществляют контроль давления в рабочем пространстве, а 7 —
регулирование разрежения перед котлом-утилизатором с помощью направляющего
аппарата дымососа. Иногда предусматривают прямое регулирование давления под
сводом «холодной» ванны. Регулятор 8 ограничивает температуру продуктов сгора-
ния перед котлом-утилизатором для защиты последнего путем подачи воды в шлако-
вик.
Двухванная печь не имеет автоматической системы перекидки клапанов. Пере-
кидка клапанов производится один раз за плавку и осуществляется по команде стале-
вара перекидными устройствами V.
Для управления процессом плавки в двухванных печах, особенно периодом до-
водки, создаются автоматизированные системы управления (АСУ ТП): например
система «Процесс», разработанная ЦИНИКА.
Дуговые сталеплавильные печи (ДСП)
ДСП предназначены для выплавки легированных сталей, но в ряде случаев крупные
печи сверхвысокой мощности могут применяться и для выплавки стали рядовых
марок. Тепло, необходимое для протекания процесса, поступает от электрических
дуг, возникающих между ванной и тремя графитовыми электродами, опущенными
через свод печи.
Основные параметры, автоматически контролируемые при плавке в ДСП приве-
дены в табл. 52.
Одной из основных задач управления в ДСП является регулирование электриче-
ской мощности. Наиболее широко применяются дифференциальные регуляторы мощ-
ности, поддерживающие постоянство отношения напряжения к силе тока, т. е. со-
противление фазы. Для данных регуляторов параметр регулирования имеет вид:
А = al — bU — Ы (г0 — г),
где I и U — сила тока и напряжение; виг — постоянные коэффициенты, зависящие
от коэффициентов трансформаторов тока и напряжения и требуемого соотношения
тока и напряжения; гй = а!Ь и г — заданное и текущее значения полного сопротив-
ления печи.
Стационарные горелы
левой ванны
Рис. 94. Функциональная схема управления тепловым режимом двухваниой печи:
I — продувочные фурмы; 11 — сводовые горелки; 111 — шлаковики; /V — отсечные шиберы; V — перекидные устройства; VI — котел—
утилизатор
Таблица 52. Автоматически контролируемые параметры при плавке в ДСП
Параметры Приборы для контроля контроля Пределы измерения
Температура футеровки Радиационный пирометр 1100—1900 °C
Температура металла Термопара погружения или термопара непрерывного замера 1500—1750 °C
Давление в рабочем простран- стве Дифманометр До 50 Па
Состав газовой фазы в рабочем пространстве (СОа, СО, О2) Автоматический газоанализатор До 10 % СО,, 15 % СО, 10 % О»
Расход кислорода для продув- Диафрагмы в трубопроводе, ^2 В зависимости
ки ванны дифманометры от размера печи
Параметры электроснабжения (напряжение, токи фаз, актив- ная мощность, количество элек- троэнергии) Электроизмерительные приборы То же г ,
Функциональная схема одной фазы регулятора мощности на тиристорах
(СТУ-022), реализующего указанный способ регулирования мощности, приведена
на рис. 95. Регулятор состоит из следующих блоков: измерительного ИБ, управле-
ния БУ, фазосдвигающего устройства ФСУ, тиристоров БТ. Перемещение элект-
трода Э осуществляется с помощью двигателя постоянного тока с редуктором Р.
Сигнал, пропорциональный силе тока дуги, поступает на дроссель подмагничивания
ТА, сигнал, пропорциональный напряжению, — на согласующий трансформа-
тор TV. На другую обмотку дросселя подается напряжение U3, пропорциональное
заданной силе тока. После выпрямления и сравнения на резисторах Л?г и Р2 разность
напряжений поступает на вход устройства регулировки чувствительности РЧ, где
устанавливаются величины зоны нечувствительности и быстродействия системы.
Далее сигнал поступает в блок управления БУ, где он усиливается (усилители У1
и УМ) и разделяется в зависимости от знака разбаланса на два канала управления.
Рис. 95. Функциональная схема регулятора мощности дуги на тиристорах
244
Ёлок ФСУ..'предназначен ДЛЯ управления трехфазным нулевым реверсивный
тиристорным преобразователем н состоит из шести однотипных плат Ф, объединенных
по три в катодную (Ф1, Ф2, Ф8) и анодную (Ф4, Ф8, Ф8) группы.
Блок тиристоров БТ представляет собой усилитель мощности и содержит шесть
управляемых вентилей ES (две группы — анодную и катодную) и два датчика тока
В1 и В2. К выходу тиристорного преобразователя подключается тахометрический
мост, состоящий из резисторов R3—Rt, и дросселя L. Напряжение, пропорциональное
частоте вращения двигателя, подается в узел токового ограничения ТО и через ре*
гулируемые резисторы R6 и R7 — на вход усилителя Уг (обратная связь по частоте
вращения двигателя).
ИнещцтМые
итмсме
cpedcmto
на ни
Щит
усреднения
HU HL2
Чет
измеряется
Упродление
заддижкой
Контроль
Мнения расхода
Мы Мы
Отсеоко
кислорода
Измерение расхода
кислорода
контроль
Мления ошютия
кислорода рурны
Уарадлеиие
фурмод
Рис. 96. Функциональная схема регулирования подачи кислорода в ДСП
В связи с широким применением кислорода для продувки ванны ДСП разрабо-
таны и применяются схемы автоматического управления продувкой (рис. 96). В схеме
может быть использован сумматор, который будет давать команду на прекращение
продувки и подъем фурмы после подачи в ванну заданного количества кислорода.
Сигнал на прекращение продувки и извлечение фурмы поступает при падении дав-
ления кислорода и охлаждающей воды. Фурма может быть опущена и поднята при
дистанционном управлении. В схеме не предусмотрен регулятор расхода кислорода,
но в случае необходимости его можно установить.
К локальным системам управления в ДСП относится также система регулиро-
вания давления в рабочем пространстве. Газы отсасываются дымососом через отвер-
стие в своде. Тяга изменяется воздействием на направляющий аппарат дымососа.
Для уплотнения сводового отверстия и окна применяются специальные пневматиче-
ские устройства.
245
Для управления всей работой ДСП создаются АСУ ТП, обеспечйвающие опти-
мальное ведение электрического и технологического режимов. В том числе приме-
няется принцип программного управления мощностью.
Кислородные конвертеры
Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой заключается в продувке
жидкого чугуна кислородом, подводимым к металлу сверху через сопла водоохлаж-
даемой фурмы. При этом выгорают примеси чугуна — углерод, кремний, марганец,
сера, фосфор, а продукты реакций переходят в шлак или в газовую фазу. При экзо-
термических окислительных реакциях тепла выделяется больше, чем нужно для на-
грева стали до температуры выпуска, поэтому вводят охладители (стальной лом
или железную руду).
Конвертерный процесс протекает очень быстро, что является его основным
преимуществом с точки зрения достижения высокой производительности агрегата,
но и создает значительные трудности, усложняющие управление плавкой. В ходе
плавки отсутствует непрерывная информация о составе металла, и поэтому основной
трудностью является прекращение продувки при заданном содержании углерода.
Скорость выгорания углерода настолько велика, что 1 мин продувки соответствует
переходу к стали другой марки. Дополнительная трудность заключается в том, что
к моменту прекращения продувки температура металла также должна быть в задан-
ных пределах.
В табл. 53 приведены основные параметры, контролируемые в кислородном
процессе, а на рис. 97 показаны локальные системы управления. Без применения
ЭВМ автоматическое регулирование сводится к поддержанию заданного расхода
кислорода, регулированию положения кислородной фурмы и (в конвертерах без до-
жигания) давления в кессоне на выходе из конвертера (на схеме не показано).
Таблица 53. Основные контролируемые параметры конвертерного процесса
Параметры Прибор для контроля (способ контроля) Пределы измерения
Положение корпуса конвертера Положение кислородной фурмы Продолжительность продувки Расход кислорода Расход охлаждающей воды на фурму Давление кислорода Давление охлаждающей воды Температура охлаждающей во- ды после фурмы Содержание углерода в металле Сельсин-датчик, сельсин-прй- емник То же Секундомер Диафрагма и дифманометр Дифманометр Зависят от ем- кости конвер- тера То же
Манометр » Термометр сопротивления Анализ пробы в экспресс-лабо- ратории; расчет по балансу угле- . рода Активометр Термопара погружения, термо- пара непрерывного замера, пи- рометр Термопара ХА Термометр сопротивления Автоматические газоанализато- ры Колокольный дифманометр 1,5 МПа 1—1,2 МПа 10—60 °C 0,05—0,5 %
Окисленность металла Температура металла До 1800 °C
Температура перед газоочист- кой Температура после очистки Анализ конвертерных газов из вертикального газохода Давление в кессоне 800—1200 °C 50—80 °C До 79 % СО, 15% СО,, 5 % О2, 1 % Н2 ±30 Па
246
В схеме применен сумматор, дающий информацию о количестве поступившего
в конвертер кислорода с начала продувки, которую можно использовать для опреде-
ления момента прекращения продувки.
Предусмотрено также автоматическое устройство обеспечения безопасности —
оно дает команду на прекращение подачи кислорода и извлечение фурмы из конвер-
тера при падении давления кислорода, падении давления или расхода охлаждающей
фурму воды, а также при увеличении температуры воды на сливе из фурмы выше оп-
ределенного уровня (свидетельство прогара фурмы).
Полная автоматизация конвертерного процесса невозможна без применения
ЭВМ, т. е. вне пределов АСУ ТП. В АСУ ТП конвертерного производства стали можно
рассматривать два основных принципа управления: статическое и динамическое.
Статическое управление заключается в выборе (на основании использования ста-
тических моделей процесса) некоторых разовых начальных или интегральных управ-
ляющих воздействий и реализации их в процессе плавки. К начальным управляющим
воздействиям возможно отнести расходы лома, чугуна, руды, извести, которые рас-
считываются ЭВМ по балансным уравнениям и используются при шихтовке плавки.
К интегральным управляющим воздействиям относится суммарное количество
кислорода, которые необходимо подать в конвертер для выжигания всех примесей
и получения нужного содержания в металле углерода. Это количество кислорода
возможно получить, например, по уравнению
VK = Мч (9,ЗЗС0 + 8,0Si0 + 2,04Мпо 4- 9,63Р0 + 2,0AFe) —
- (Мст — Мл) (9.33С + 2,04Мп 4- 9,03Р) — Мр (2,lFe2O8 4- l,55FeO) 4- L,
где 7ИЧ, Л4л, Л4р, Л4СГ — масса чугуна, лома, руды и готовой стали; Со, Si0, Мп0,
Ро — содержание указанных элементов в чугуне; С, Мп, Р — содержание элементов
в стали; AFe — количество окислившегося за плавку железа, отнесенное к массе чу-
гуна; Fe2O3, FeO — содержание окислов в руде; L — величина, учитывающая расход
кислорода на окисление железа, дожигание СО в СО2 и т. д.;К — чистота кислорода.
Величину L можно найти по уравнению регрессии, полученному на основании
статистической обработки плавок текущего производства
L = ai -g- 4- а^Н + а3№ф 4- 4- п8Л4из я3Л4рЛ4из 4- п7№с 4-
где Ад — а7 — коэффициенты регрессии; Н — положение фурмы; №с — номер плавки
по соплу фурмы; Л4ИЗ — масса извести; №ф — номер плавки по футеровке.
По аналогичному уравнению определяют AFe.
Статическое управление используется во всех АСУ ТП, во всяком случае, для
расчета шихтовки плавки,но значительно лучшие результаты полу чаются, если допол-
нительно к статическому применить и динамическое управление.
Динамическое управление заключается в выработке на основании динамических
моделей процесса или, наиболее часто, на основании динамической информации и
реализации некоторых управляющих воздействий, распределенных во времени по
ходу плавки. Такими воздействиями является расход кислорода, высота кислородных
фурм, количество и продолжительность присадки сыпучих материалов.
Динамическую информацию получают, как правило, для косвенных параметров
процесса: количества, температуры и состава конвертерных газов, скорости выгора-
ния углерода, определяемой по составу конвертерных газов, излучения пламени над
горловиной конвертера (в конвертерах с дожиганием), шума конвертера. Динамиче-
ское управление строится таким образом, чтобы добиться определенного характера
этой информации, например заданной кривой измерения скорости выгорания углерода
или температуры конвертерных газов по ходу плавки.
В последние годы динамическое управление стало строиться на информации
о фактическом составе и температуре металла, определяемой с помощью водоох-
лаждаемых погружных зондов, опускаемых в конвертер два или один раз в конце
продувки. С помощью зондов определяется температура и окисленность металла и
берется проба металла для экспресс-анализатора. По результатам работы зонда
определяется время прекращения продувки, уточняется количество охлаждающих
или экзотермических добавок и принимаются другие меры, обеспечивающие получе-
ние стали заданного состава и температуры.
?47
Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)
МНЛЗ вертикального, радиального или криволинейного типов предназначены
для получения заготовок (блюмов, слябов) без обжимных станов при разливке стали,
выплавленной в конвертере, мартеновской или электросталеплавильной печи.
Жидкая сталь из разливочного ковша поступает в промежуточный ковш, а из
него в кристаллизатор, где формируется непрерывный слиток, который постепенно
вытягивается из кристаллизатора и режется на мерные длины газо-кислородными
горелками
На МНЛЗ автоматически контролируются следующие параметры, уровень
металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе; расход воды на кристалли-
затор и вторичное охлаждение слитка; температура охлаждающей воды; темпера-
Рис. 97. Функциональная схема автоматического регулирования работы кислородного
/—от схемы управления фурмами; 2—температура чугуна; 3—температура жидкой стали;
248
тура стенки промежуточного ковша при разогреве перед разливкой, скорость дви-
жения слитка; длина слитка; расход газа и кислорода на газорезку. Подаются си-
гналы о падении давления воды, газа и кислорода, о повышении и понижении уровня
металла в промежуточном ковше и кристаллизаторе.
Функциональная схема системы управления МНЛЗ показана на рис.' 98.
Автоматически регулируется уровень металла в промежуточном ковше, оце-
ниваемый по массе металла в ковше, определяемой с помощью тензодатчиков, на
которых установлен промежуточный ковш. Регулятор воздействует на стопор или
шиберный затвор сталеразливочного ковша. Кроме автоматического предусматри-
вается также дистанционное управление стопором сталеразливочного ковша. Уро-
вень металла в кристаллизаторе является очень важным параметром с точки зрения
получения достаточно прочной корочки слитка на выходе из кристаллизатора и
Контроль давления кислорода Анализ кислорода Контроль Сиеномиция и контрам блокировка подъема фурм управление отключающими {Юдвихкками на киолородо- и водопроводах
состава отходящих газов Н1 § температурь/ Воды от рурм расхода водь/ к /рурмам давления Воды к фурмам
конвертера:
4 — от газоанализаторов; 5 — от котла-утилнзатора; 6 — в Схему управления фурмой
249
должен поддерживаться в довольно узких пределах. Измерение уровня наиболее
часто осуществляется радиоактивным уровнемером. Регулятор изменяет приток
металла в кристаллизатор, воздействуя на стопор промежуточного ковша, или ско-
рость вытягивания слитка, воздействуя на привод тянущих роликов.
Тепловым режимом кристаллизатора управляют, поддерживая заданное зиа -
чение разности температур охлаждающей воды на выходе из кристаллизатора и
входе в него путем изменения ее расхода. Для улучшения качества регулирования
применяют коррекцию по температаре воды на входе.
Вторичное охлаждение в значительной степени определяет качество иепре-
рывиолитого слитка. Расход воды
на секции вторичного охлаждения изменяется
в зависимости от их расположения по дли-
не и по периметру слитка и обычно под-
держивается по определенным програм-
мам в определенном соотношении со ско-
ростью вытягивания слитка. Применяет-
ся также коррекция расхода воды по тем-
пературе поверхности слитка, определя-
емой специальным пирометром, нечувст-
вительным к поглощению излучения
парами воды.
2-----
Кислород
Природный
газ
Рис. 98. Функциональная схема управления процессом непрерывной разливки стали:
1 — сталеразливочный ковш; II — промежуточный ковш; III — кристаллизатор; IV — вода
на охлаждение кристаллизатора; V — вода на вторичное охлаждение; VI — вода на секции
вторичного охлаждения; VII — технологическая смазка в кристаллизатор; VIII — тяну-
щие клети; IX — газорезка; X — рольганг; 1 — регулирование уровня металла в промежу-
точном ковше; 2 — то же, в кристаллизаторе; 3 — регулирование теплового режима кри-
сталлизатора; 4 — управление тепловым режимом секций вторичного охлаждения; 5 — уп-
равление подачей смазки в кристаллизатор; 6,7 — регулирование расхода природного газа
и кислорода на газорезку
QQ
Газокислородные горелки для резки слитка на мерные длины перемещаются
со скоростью, равной скорости движения слитка. Точное соблюдение мерной длины
обеспечивается специальной аппаратурой, состоящей из датчика импульсов, уста-
новленного иа валу редуктора тянущей клети, и счетчика импульсов. По дости-
жении заданного значения длины слитка выдается сигнал иа начало резки.-
АСУ ТП выплавки и непрерывной разливки стали
АСУ ТП создаются во всех сталеплавильных производствах, особенно в электро-
сталеплавильных и конвертерных. АСУ ТП в кислородно-конвертерном цехе со-
стоит из двух подсистем: управления процессом выплавки стали и управления про-
цессом непрерывной разливки стали. Основные функции АСУ ТП выплавки и не-
прерывной разливки стали могут быть сформулированы следующим образом.
I. Информационные и информационно-вычислительные функции.
250
1. Контроль параметров:
измерение температуры чугуна;
контроль количества сыпучих материалов;
контроль положения конвертера;
измерение расхода и контроль параметров кислорода;
измерение расхода и контроль параметров воды на охлаждение фурм;
измерение температуры металла в конвертере;
определение окисленности металла;
определение содержания углерода в металле;
фиксация времени продувки с сигнализацией истечения заданного времени;
контроль состава и температуры отходящий газов;
измерение температуры жидкой стали в сталеразливочном и промежуточном
ковшах:
измерение массы стали в сталеразливочном ковше;
измерение уровня металла в промежуточном ковше;
измерение уровня металла в кристаллизаторе;
определение скорости вытягивания слитка;
измерение усилия вытягивания слитка из кристаллизатора;
измерение расхода и параметров воды, подаваемой на кристаллизатор;
измерение расхода и параметров воды, подаваемой на вторичное охлаждение;
измерение температуры поверхности слитка;
измерение расхода технологической смазки;
измерение усилий на опорные валки на участке правки слитка;
определение общей и мерной длины слитка;
аварийная сигнализация основных технологических параметров.
2. Расчетные функции:
расчет металлической части шихты и выдача рекомендаций по расходу чугуна
и лома;
расчет расхода сыпучих материалов и выдача рекомендаций;
расчет расхода ферросплавов и выдача рекомендаций;
расчет общего количества кислорода на плавку;
расчет скорости выгорания углерода;
расчет текущего содержания углерода ~в металле;
расчет основных параметров режима разливки (скорости разливки, расхода
смазки, расходов охлаждающей воды на кристаллизатор и вторичное охла-
ждение);
расчет теплового состояния и толщины корочки слитка в зоне вторичного охла-
ждения;
расчет технико-экономических показателей.
II. Управляющие функции.
1. Управление параметрами:
расход кислорода на продувку;
положение продувочной фурмы;
давление газов на выходе из конвертера (в конвертерах без дожигания);
уровень металла в промежуточном ковше;
уровень металла в кристаллизаторе;
расход воды на кристаллизатор;
расход воды по секциям вторичного охлаждения;
расход технологической смазки.
2. Управление процессами:
дозирования и загрузки сыпучих материалов;
динамическое управление процессом продувки; -
додувки плавки;
пусковым режимом МНЛЗ;
режимом вторичного охлаждения слитка;
порезом слитка на мерные длины;
оптимальным раскроем слитка с целью уменьшения отходов;
режимом разливки «плавка иа плавку» путем расчета и выдачи рекомендаций
по поддержанию нужного контактного графика;
вытяжки слитка (приводом тянущих клетей).
251
В целом АСУ ТП обеспечивает:
1) слежение за технологическими процессами, положением и состоянием обо-
рудования;
2) автоматизированный и централизованный контроль и учет;
3) выдачу управляющих сигналов в локальные системы автоматичиского уп-
равления;
4) выдачу текущей технологической информации оператором;
5) печатание паспортов плавки и других документов.
Общая структурная схема вычислительного комплекса АСУ конвертерным
цехом представлена на рис. 99. Система управления включает три подсистемы:
АСУ ТП выплавки стали I, АСУ ТП непрерывной разливки стали III и АСУ произ-
водством в цехе II.
Рис. 99. Структурная схема вычислительного комплекса АСУ конвертерного цеха:
Пр]—Прб — процессоры; АПД — адаптеры передачи данных; РС — расширители сопря-
жения; УСО — устройства связи с объектом; СИД — станции индикации данных; ВВУ —
вводио-выводное устройство (телетайп); I — АСУ ТП выплавки стали; II — АСУ произ-
водством; III — АСУ ТП непрерывной разливки стали
Во всей системе УВК применяется шесть процессоров, связанных между собой.
В АСУ ТП выплавки стали используется три процессора, в АСУ ТП непрерывной
разливки стали — два процессора. Двух- и трехпроцессорные комплексы обеспе-
чивают высокую надежность функционирования, поскольку при отказе одного
процессора весь или почти весь комплект программ обрабатывается другим про-
цессором. Другим преимуществом такой системы является то, что процессоры имеют
общие каналы прямого доступа в память и общие периферийные устройства.
Для выполнения перечисленных выше функций в соответствии с принятыми
принципами управления (в том числе и оптимального управления) разрабатывается
специальное внешнее математическое обеспечение, которое для рассматриваемого
случая содержит около двухсот различных алгоритмов.
§ 4. Нагревательные устройства прокатных цехов
Общая характеристика нагревательных устройств
Для иагрева слитков перед прокаткой на обжимных станах применяют регенератив-
ные и рекуперативные нагревательные колодцы. Топливом обычно служит сме-
шанный (теплота сгорания QP = 5500—8500 кДж/м3) или природный газ. Воздух
подогревают в керамических рекуператорах до 800—900 °C, смешанный газ — в ме-
таллических рекуператорах до 250—300 °C. На колодцах с одной верхней горелкой
отсутствуют дутьевые вентиляторы, а воздух для горения просасывается через ре-
куператор при помощи инжектирующего сжатого воздуха, который подогревают
в металлических рекуператорах до 150—300 °C.
252
Сортовые заготовки обычно нагревают в методических нагревательных печах,
отапливаемых природным газом, мазутом или смесью газов. Воздух для горения
нагревают до 500—600 °C в керамических рекуператорах. Рабочее пространство
печей разбито на зоны с автономным отоплением: первой со стороны выдачи распо-
ложена томильная зона, затем 2—3 сварочные зоны (верхние и нижние) и, наконец,
неотапливаемая методическая зона.
Для нагрева круглых заготовок, а также различных фигурных изделий иногда
применяют многозонные кольцевые печи.
Автоматизация нагрева металла облегчается при использовании секционных
печей скоростного нагрева. Эти печи состоят из установленных в одну линию сек-
ций, которые объединены в автоматически регулируемые зоны. Трубы или круг-
лые заготовки транспортируют через пеЧь в 1—3 ручья, применяя водоохлаждае-
мые ролики. В качестве топлива используют мазут или газ; воздух подогревают
в металлургических рекуператорах до 200—400 °C.
Для термической обработки изделий металлургического производства приме-
няют башенные, колпаковые, роликовые проходные, протяжные и другие печи.
Термическую обработку углеродистых и малолегированных сталей ведут при тем-
пературе не выше 900—950 °C, нержавеющих аустенитных сталей — при 1150—
1200 °C. Отжиг жести и трансформаторной стали в башенных печах проводят при
720—900 °C. .
Контроль и автоматическое регулирование
теплового режима нагревательных колодцев
На рис. 100 изображена структурная схема контроля и автоматического регули-
рования работы рекуперативного колодца с одной верхней горелкой. Параметры
теплового режима такого колодца приведены в табл. 54, где перечислены контроли-
руемые и регулируемые величины.
Колодцы оснащают автоматикой безопасности: срабатывает сигнализация
и отсечка газа при падении давления газа*5, воздуха и разрежения перед регули-
ровочным дымовым шибером 7. Системы 5, 6 и 7 объединены с технологической от-
сечкой 8, срабатывающей при подъеме крышки колодца.
Основной технологический параметр в нагревательном колодце — темпера-
тура нагреваемых слитков (поверхности, внутренних точек и средней по сечеиию),
ио вследствие технических трудностей ее обычно не измеряют, а судят о ней по тем-
пературе рабочего пространства. Среднюю интегральную температуру слитков
/ср (т) можно рассчитать по температуре рабочего пространства ?с(т), решая диф-
ференциальное уравнение
г +/cp(T) = Zc(T), (127)
где т — время; Т — постоянная времени нагрева (100—200 мин), возрастающая
с увеличением садки и размеров слитков.
Уравнение (127) можно решать иа ЭВМ в рамках АСУ ТП (см. ниже).
Автоматизация нагревательных печей
непрерывного действия
Отдельные зоны многозонных нагревательных печей — методических, кольцевых,
— обычно характеризуются определенной автономностью в отношении подачи топ-
лива и воздуху и (иногда) отбора продуктов сгорания. Поэтому системы контроля
и регулирования таких печей содержат узлы, предназначенные для регулирования
температуры рабочего пространства, соотношения топливо—воздух и давления в са-
мостоятельных зонах. Если продукты сгорания отводят одним общим потоком,
то устанавливают один регулятор давления, сигнал к которому поступает из наи-
более ответственной точки рабочего пространства (обычно вблизи окна выдачи).
Для поддержания на заданном уровне температуры металла на выдаче необхо-
димо корректировать задания регуляторам температуры отдельных зон в зависи-
мости от температуры поверхности нагреваемого металла, его физических свойств,
размеров заготовки и производительности прокатного стана. Обычной является
коррекция задания регуляторам температуры зон при изменении параметров садки
263
Рис. 100. Структурная схема автоматизации нагревательного колодца
Таблица 54. Параметры контроля и регулирования нагревательного колодца
Параметр и его обозначе- ние иа схеме рис. 100 Место измерения Пределы измерения Допустимая погрешность из- мерения или от- клонения от за- данного значения
Температура рабочего Автоматическое регулир Торец рабочего про- ование 1360—1430 °C ±10 °C
пространства в наиболее горячих точках (/) Соотношение топливо— странства против го- релки Диафрагмы в трубо- В период подъ- ±2,5 %
инжектирующий воздух (2, 3) Давление в рабочем про- проводах топлива и воздуха Под Ярышкой рабо- ема температу- ры 6—7, в кон- це периода том- ления 6,5—8,5 10—30 Па ±2,5 %
странстве (4) Расход топлива (2) _чего пространства Контроль Диафрагма в газо- 2000 м3/ч ±1,5%
Расход сжатого воздуха проводе Диафрагма в возду- 350 м3/ч ±1,5%
(3) Температура дыма перед хопроводе Дымоход перед реку- 700—900 °C ±20 °C
металлическим рекупе- ратором (9) Температура после ме- ператором Дымоход после реку- 400—800 °C ±20 °C
таллического рекупера- тора (10) Температура подогрева ператора Трубопровод горячего 300—400 °C ±20 °C
газа (11) Температура подогрева газа Трубопровод горячего 150—300 °C ±20 °C
воздуха (12) Температура стенки тру- воздуха Первая трубка реку- 200—400 °C ±20 °C
бы металлического реку- пература (13) Состав продуктов crop а- ператора по ходу ды- ма Окно для отвода про- О2, СО до 5 % ±5 % отн.
Ния (14, 15) Разрежение в дымоходе дуктов сгорания из рабочего пространства Дымоход перед метал- 500 Па ±1,5%
до металлического реку- ператора (16) То же, после рекупера- тора (17) Расход топлива На отоп- лическим рекупера- тором Дымоход после реку- 500 Па ±1,5%
ператора Общий газопровод от- 20 000— ±1,5%
ление отделения колод- цев (18) деления колодцев 30 000 м3/ч
255
(марки стали и размеров заготовок) по температуре металла в методической зоне
(или зоне подогрева кольцевой печи) и средней частоте выдачи металла из печи.
Для регулирования соотношения топливо—воздух чаще всего используют
специальные регуляторы, но возможно регулировать соотношение и без них. В по-
следнем случае регулирующие органы на газо- и воздухопроводах соответствующих
зон устанавливают рядом и сочленяют с исполнительным механизмом регулятора
температуры, который одновременно в постоянном соотношении изменяет расход
газа и воздуха. При установке таких спаренных заслонок необходим регулятор
давления вентиляторного воздуха, так как при его отсутствии настройка соот-
ношения топливо—воздух изменяется при различной тепловой мощности печи.
Статические характеристики обеих заслонок должны быть подобны.
На рис. 101 приведена типовая структурная схема автоматизации методической
печи. В табл. 55 перечислены контролируемые и регулируемые параметры печи и
их ориентировочные значения.
Узел 1 с помощью пирометра измеряет температуру металла в зоне или с
помощью термопары температуру рабочего пространства. Узел 2 учитывает темпе-
ратуру металла в процессе прокатки. Устройства 3 и 4 вводят характеристики за-
готовок и готовых изделий после стана (ручной ввод). Узел 5 оценивает положение
заготовок в печи. Узел 6 с помощью радиационного пирометра измеряет темпера-
туру металла в начале печи. Узел 7 учитывает темп выдачи заготовок из печи. При
падении давления газа 11, воздуха 12 и разрежения в борове печи 13 срабатывает
автоматика безопасности — отсекается газ. Система слежения за заготовкой 5 и
система определения положения заготовки у торца выдачи 25 должны иметь по-
грешность не более ±50 мм для слябов и ±20 мм для сортовых заготовок.
Автоматизация термических печей
К термическим печам без защитного газа относятся печи с роликовым подом для
темной термической обработки горячекатаных листов, рельсов, прутков, мотков
проволоки, печи с шагающим подом того же назиачения и протяжные печи для тер-
мической обработки горячекатаной полосы и других изделий.
К печам с нейтральным газом относятся башенные печи для рекристаллизаци-
онного отжига жести, протяжные печи для светлого отжига полосы из нержавею-
щей стали и печи с роликовым подом для светлой термической обработки листов,
труб, прутков, мотков проволоки и т. п. В протяжных печах этого типа температура
металла корректируется по измеряемой в потоке твердости обработанной полосы
или иным показателем качества продукции в зависимости от режима обработки,
а в проходных печах — по периодическим измерениям этого показателя.
Химикотермическую обработку металла производят в протяжных печах агре-
гатов непрерывного горячего цинкования, протяжных печах вертикального и го-
ризонтального типов для обезуглероживающего отжига полосы из электротехни-
ческих сталей, печах с роликовым подом для восстановления обезуглероженного
слоя прутков и мотков проволоки из шарикоподшипниковых сталей и т. п. В про-
тяжных печах состав контролируемой атмосферы корректируется по измеряемому
в потоке содержанию углерода в обработанной полосе или иным показателем ка-
чества продукции. В зависимости от конкретного режима обработки регулируется
содержание одного—двух составляющих атмосферы.
На рис. 102 изображена структурная схема автоматизации проходной терми-
ческой печи без защитного газа. В табл. 56 приведен перечень контролируемых и
регулируемых параметров печи. Узлы схемы 5, 6, 7 входят в автоматику безопасно-
сти и отключает газ при падении давления газа, воздуха или разряжения в борове
печи.
АСУ ТП нагрева металла
В больших отделениях нагревательных колодцев (ОНК), прокатных цехах со
значительным числом нагревательных и термических печей экономически целесо-
образно использовать ЭВМ в рамках АСУ ТП.
Функции ЭВМ в АСУ ТП обжимного цеха:
обеспечение подачи в ОНК возможно большего числа горячих слитков с макси-
мальной возможной температурой;
выдача информации персоналу ОНК о размерах, числе и температуре посада
слитков;
256
Рис. 101. Структурная схема
•автоматизации методической
печи
Таблица 55. Параметры контроля и регулирования методической печи
Параметр н его обозначе- ние на схеме рнс. 101 Место измерения Пределы измерения Допустимая погрешность из- мерения нли от- клонения от за- данного значении
Температура рабочего Автоматическое регулир Рабочее пространство ювание 1300—1380 °C ±10 °C
пространства зоны печи (1—7) Соотношение топливо— каждой зоны печи Трубопроводы топли- Коэффициент ±2,5%
воздух в зонах печи (8-9) Давление в рабочем про- ва и воздуха каждой зоны Свод томильной зоны избытка воз- духа а — = 1,12—1,25 30—40 Па ±2,5 %
транстве (10) Температура дыма до Контроль Дымоход перед реку- 500—900 °C ±20 °C
металлического рекупе- ратора (14) То же, после рекупера- тора (15) Температура подогрева ператором Дымоход после реку- 300—700 °C ±20 °C
ператора Газопровод горячего 200—300 °C ±20°С
газа (16) То же, воздуха (17) газа Трубопровод горячего 400—600 °C ±20 °C
Температура стенки ме- Первая трубка реку- 300—700 °C ±20 °C
таллического рекупера- тора (18) Разрежение в дымоходе ператора по ходу ды- ма Дымоход 1000—1500 Па ±1,5%
до металлического реку- ператора (19) То же, после рекупера- тора (20) То же, перед регулиру- ющим шибером (21) Давление воды (22) » 1200—1800 Па ±1,5%
» 1500—2000 Па ±1,5%
Водопровод перед 0,3—0,6 МПа ±2,5 %
Расход воды на печь печью То же — ±2,5 %
Расход газа на печь (24) Общий газопровод — - ±1,5%
выдача рекомендаций по загрузке колодцев с учетом текущей и планируемой
производительности стана;
оптимальное управление нагревом слитков в колодцах;
сбор статистических данных и отчетность.
Рассмотрим структурную схему системы управления нагревом металла в на-
гревательных колодцах — АСУ ТП ОНК (см. рис. 103).
АСУ ТП информирует производственный персонал ОНК о ходе нагрева ме-
талла и выдает прогноз момента готовности слитков в прокатке; устанавливает
задание регуляторам температуры рабочего пространства колодцев для обеспече-
ния оптимального по быстродействию управления нагревом слитков; рассчитывает
технико-экономические показатели работы нагревательных колодцев. Производ-
258
Таблица 56. Параметры контроля и регулирования проходной
термической печи
Параметр и его обозначе- ние иа схеме рис. 1G2 Место измерения Пределы измерения Допустимая погрешность измерения нли отклонения от заданного значения
Температура металла (/) Автоматическое регулщ Рабочее пространство зование 1100—1150 °C ±5 °C
Соотношение газ—воздух каждой зоны печи Трубопроводы газа и — ±2,5 %
(2-3) Давление в рабочем про- воздуха каждой зоны Рабочее пространство 20—30 Па ±1,5%
странстве (4) Температура дыма перед в местах входа и вы- хода металла Контроль 800—1100 °C 1 ±20 °C
рекуператором (8) То же, после рекупера- тора (9) Температура подогрева » 300—600 °C ±20 °C
Трубопровод горячего 200—400 °C ±20 °C
газа (10) То же, воздуха (11) газа Трубопровод горячего 500—600 °C ±20 °C
Температура стенки тру- Первая трубка реку- 600—700 °C ±20 °C
бы металлического реку- ператора (12) Разрежение в дымоходе ператора по ходу ды- ма Дымоход 400—500 Па ' ±1,5%
до рекуператора (13) То же, после рекупера- тора (14) То же, перед регулиру- ющим шибером (15) Давление воды (16) 450—550 Па ±1,5%
» 500—600 Па ±1,5%
Трубопровод охла- 0,3—0,6 МПа ±2,5 %
Расход воды на печь ждающей воды перед печью То же — ±2,5 %
Расход топлива на печь Общий газопровод — ±1,5%
(18) печи
ствеиная информация для функционирования АСУ ТП ОНК передается в УВМ
как автоматически — с нормирующих преобразователей измерительных систем, так
и вручную — с поста ввода информации.
С нормирующих преобразователей поступает следующая информация: темпе-
ратура рабочего пространства колодца /0 (т), расход топлива, температура раската
после прокатного стана. Сигналы, поступившие от датчиков автоматического кон-
троля, подвергаются в УВМ первичной обработке: 1) проверяется «находится ли
поступившая величина в физически допустимых пределах» и «возможно ли за время,
прошедшее с момента предыдущего измерения, изменение величины до текущего
уровня (находится ли скорость изменения величины в физически допустимых пре-
делах)»; 2) прием сигнала повторяется несколько раз и величина усредняется.
260
Частота опроса измерительных приборов зависит от возможной скорости из-
менения соответствующих величии и составляет для температуры рабочего прост-
ранства один раз за 150 с, а для расхода газа — один раз за 60 с. Усреднение про-
водится за время Дт = 300 с (т — интервал дискретности основных расчетов),
т. е. температура рабочего пространства колодцев усредняется по двум точкам,
расход топлива — по пяти. Сигнал о температуре раската — инициативный и вос-
принимается вне очереди. Его усреднение осуществляется по всем слнткам данного
нагрева. Кроме аналоговой, в УВМ автоматически и вручную вводят иници-
ативную дискретную информацию.
От фотореле на прокатном стаие вводятся сигналы о прохождении раската
металла перед пирометром, измеряющим температуру раската. По этим сигналам
осуществляется регистрация температуры раската.
Рис. 103. Структурная схема
АСУ ТП ОНК:
ВДИ — ввод дискретной ин-
формации; ВК — вычислитель-
ный комплекс; ВАИ — ввод
аналоговой информации; ВИ —
вывод информации; СИД —
станция индикации данных;
ЦПУ — цнфропечатающее уст-
ройство; ПИТ — преобразова-
тель код — ток; РТ — регу-
лятор температуры рабочего
пространства колодца; ОУ —
объект управления (нагрева-
тельный колодец)
Для автоматического расчета температуры остывающих после разливки слит-
ков с поста ручного ввода в УВМ вводят сигналы:
1) шифр плавки; 2) время окончания разливки плавки; 3) время окончания
раздеваиня слнтков; 4) тип изложницы; 5) марка стали; 6) число слитков в плавке.
В памяти УВМ хранится информация о нескольких остывающих плавках од-
новременно. После окончания посадки плавки в колодцы с поста ручного ввода
подают об этом сигнал: «Плавка (шифр плавки) посажена полностью».
С поста ручного ввода в УВМ вводят сигналы о работе ячеек нагревательных
колодцев: 1) номер ячейки; 2) шифр плавки; 3) число слитков, посаженных в коло-
дец; 4) начало посадки; 5) окончание выдачи.
АСУ ТП ОНК рассчитывает технико-экономические показатели (ТЭП) по каж-
дому колодцу, группе колодцев и по ОНК в целом.
ТЭП отдельных колодцев: 1) тепло, израсходованное на нагрев одного всада
слитков; 2) полезное тепло нагрева; 3) к. п. д. колодца; 4) производительность по
массе металла; 5) производительность по полезному теплу; 6) удельных расход
условного топлива.
ТЭП группы колодцев, обслуживаемых одним сварщиком: 1) производитель-
ность по массе металла за смену, сутки, месяц; 2) производительность по полезному
теплу за смену, сутки, месяц.
ТЭП ОНК: 1) количество нагретого металла по маркам стали и типам изложниц
с начала смены, суток, месяца; 2) рабочее время колодцев.
АСУ ТП ОНК осуществляет расчетный автоматический контроль параметров,
не поддающихся прямому инструментальному контролю:
1. Расчет температуры слитков (поверхности и средней по сечению), остыв-
ших после разливки. Для этой цели используются эмпирические зависимости.
2. Расчет температуры слитков (поверхности/пов и средней по сечению /ср), на-
греваемых в колодцах. Среднюю температуру металла можно найти, как решение
дифференциального уравнения (127):
(Ч - <ер (* - 1) + Д,Дт Г 'c(t - I с (4 - 1) 1,
г+4-1 J
261
где k—1, k — порядковый номер расчета во временной последовательности О,
Дт, 2Дт, {k — 1) Дт, k Дт, ...
Температура поверхности слитков может быть вычислена по выражению
^пов (k) = [te (k) -J- Д^к] + kntcp (k),
kl -|- feg = 1 >
где klt k2 — коэффициенты веса; Д^к — поправка к показаниям датчика температуры
рабочего пространства колодца по контрольному пирометру.
3. Расчет ожидаемого момента окончания нагрева по критерию готовности
слитков к прокатке:
т — Т 1п ~~ ^ср W
tc (&) + Ык ^ср. 3
где То — ожидаемое время до окончания нагрева (прогноз); /ср. з — заданная рас-
четная средняя интегральная температура нагреваемых слитков.
Расчет величин tcp, tn0B и То производятся с интервалом дискретности Дт.
По состоянию металла в колодцах АСУ ТП ОНК непрерывно осуществляет про-
гноз работы ОНК на несколько часов вперед и информирует персонал ОНК о пер-
спективе работы стана с точки зрения наличия нагретых слитков. Для обеспечения
оптимального по быстродействию управления нагревом металла УВМ автоматически
изменяет задание регуляторам температуры рабочего пространства колодцев.
АСУ ТП ОНК. представляет собой самообучающуюся систему, так как сиги ah об-
ратной связи о температуре раската после стана используется для коррекции кон-
стант, участвующих в алгоритмах расчетного контроля температуры металла и
оптимального управления нагревом.
Функции ЭВМ для управления методическими печами большой мощности с рез-
кими и частыми изменениями сортамента нагреваемых заготовок и производитель-
ности, а также печами для нагрева заготовок из специальных сталей;
слежение за посадкой, движением через печь и выдачей заготовок;
управление тепловым режимом;
сбор статистических данных и отчетность.
Как и при управлении ОНК, АСУ ТП нагревательных печей в качестве основ-
ного элемента содержит информационно-вычислительную систему (ИВС) для рас-
четного контроля нагрева металла. МММ
ЭВМ в рамках АСУ ТП цеха холодной прокатки (с колпаковыми термическими
печамн) выполняет следующие функции:
формирование садок рулонов в колпаковых печах;
вывод и ввод в эксплуатацию стендов, нагревательных колпаков и устройств
для охлаждения рулонов на стенде;
управление тепловым режимом колпаковых печей;
сбор статистических данных и отчетность.
Глава VI
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«АСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ»
Курсовой проект может быть посвящен расчету локальных систем
управления традиционными методами (первый вариант).
Работа над курсовым проектом состоит из следующих частей:
1. Выбор регулятора по динамическим характеристикам ОУ
(кривые разгона из приложения или полученные экспериментально).
2. Расчет настроек регулятора на заданное качество переход-
ного процесса. Передаточную функцию рассчитывают по кривой
разгона методом площадей. Проверка системы на устойчивость.
262
3. Построение переходного процесса в системе методом трапеций
и анализ полученных результатов.
4. Моделирование на АВМ системы автоматического управления
и сравнение полученных результатов с расчетными.
5. Выполнение графической части: графиков для расчета регуля-
тора; построение переходного процесса; схемы моделирования на
АВМ.
Пример выполнения курсового проекта на тему: «Выбрать и
рассчитать регулятор температуры в ячейке нагревательного ко-
лодца».
По табл. VI приложения или по
данным производственной практики
выбирают допустимые параметры пере-
ходного процесса: ' х« = 35 °C;
х?т = Ю °C; /р = 900 с. Максимальное
скачкообразное возмущение Ду = 20 %
хода регулирующего органа.. Задаются
переходным процессом с 20 %-ным
перерегулированием (М = 1,3).
Для выбора регулятора по методи-
ке, изложенной в гл. II § 4, необхо-
Рис. 104. Кривая разгона темпера-
туры в ячейке нагревательного ко-
лодца
димо знать параметры объекта &Об,
реальный объект в виде статического
Тоб, %б, т- е- представить
объекта с запаздыванием (9):
Величины тоб и Тоб рассчитывают по формулам (10) и (11). По
кривой разгона (рис. 104), взятой из приложения, определяют время,
соответствующее
Дх (/х) = 0,1 Дх (оо) = 0,1 -2,4 °C = 0,24 °C,
равное /х = 82 с, и время, соответствующее
Дх (/2) = 0,8 Дх (оо) = 0,8-2,4 °C = 1,92 °C,
равное t2 = 250 с;
Y _ х (/х) — х (0) _ 0,24 _ п ..
1— Дх(оо) ~ 2,4 — ’ ’
_х(/2) —х(0) 1,92
Х*-----Дх (оо) - ТГ — и’в-
250 lg (1-0,1)-82 1g (1-0,8) ..
об~ 1g (1-0,1)-1g (1-0,8) ’
-г ___I____82 70____I___i, о
0(5 ~ I 2,3031g (1—0,1) | ’
тоб/Тоб = 0,62; выбирают регулятор непрерывного действия.
Для выбора закона регулирования рассчитывают Яд по формуле
(70)
Яд = 35/(2,4-20) = 0,73.
263
Таблица 57. Расчет кривой разгона температуры по методу площадей
Время, с и <1 о а до 1 — а (< Аг) II ф <х> |‘ (1-а) (1-6) + ф см 1 — l) (*> — I)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 0 0 1 0 1,0 1,0 1,0 1,0
25 0,15 0,0625 0,938 0,239 0,761 0,714 0,550 0,516
50 0,40 0,167 0,833 0,478 0,522 0,435 0,158 0,132
75 0,70 0,292 0,708 0,717 0,283 0,200 —0,177 —0,125
100 1,05 0,438 0,562 0,956 0,044 0,025 —0,454 —0,255
125 1,30 0,542 0,458 1,195 —0,195 —0,089 —0,673 —0,308
150 1,52 0,634 0,366 1,434 —0,434 —0,158 —0,813 —0,297
175 1,72 0,718 0,282 1,673 —0,673 —0,190 —0,944 —0,266
200 1,90 0,792 0,208 1,912 —0,912 —0,190 —0,994 —0,206
225 2,05 0,855 0,145 2,151 —1,151 —0,167 —0,992 —0,143
250 2,17 0,905 0,095 2,390 —1,390 —0,132 —0,920 —0,087
275 2,27 0,946 0,054 2,629 —1,629 —0,088 —0,788 -4-0,043
300 2,33 0,971 0,029 2,868 —1,868 —0,054 —0,606 —0,017
325 2,37 0,989 0,011 3,107 —2,107 —0,022 —0,374 —0,004
350 2,40 1,0 0,0 3,346 —2,346 0,0 —0,072 0,0
По графику, приведенному на рис. 23, б, определяют, что =
= 0,73, могут обеспечить П-, ПИ- и ПИД-регуляторы.
Простейшим является П-регулятор. По рис. 35 для хоб/То6 =
— 0,62 находят
xci:/(koS Ay) = 0,48,
хст = 0,48&об Ау = 0,48-2,4 °C/ % хода-20 % хода = 23 °C.
Так как допустимое значение х?т = 10 °C, то П-регулятор при-
менен быть не может. По рис. 34 находят для ПИ-регулятора
/р/тоб = 12 и величину /р = 840 с, что меньше допустимого времени
регулирования. Окончательно выбираем ПИ-регулятор.
Для получения точной передаточной функции объекта по кривой
разгона используют метод площадей (см. гл. II § 4):
1. Так как объект имеет чистое запаздывание т = 50 с, то раз-
бивку оси времени начинают с момента времени, равного 50 с (см.
рис. 104). Принимают At = 25 с, при этом на каждом участке At кри-
вая близка к прямой. Заносят значения Ах в конце каждого отрезка
At во вторую графу табл. 57. Находят безразмерное значение вы-
ходной величины a (i At), разделив Ах в конце каждого интервала
At на Ах (оо) = 2,4 °C и заносят результат в третью графу табл. 57.
2. Вычисляют 1 — ст (t At), вписывают в четвертую графу.
3. Подсчитывают сумму чисел графы 4:
2 =[1 -ст (г ДО] = 4,689.
204
4. По формуле (17) определяют площадь
Fx = 25 {4,689 — 0,5 [1 — 0]} = 25-4,189 = 104,725 с.
5. Находят время в новом масштабе и записывают в графу 5:
0 = tlFr.
6. Подсчитывают данные графы 6 как 1 — 0.
7. Определяют (1 — о) (1 — 0).
8. Находят сумму чисел графы 7:
£ [1 — ст (7 Д0] [1 — 0 (7 Д0] — 1,284.
1=0
9. По формуле (18) определяют площадь F2
F2 = 104,725-25 {1,284 — 0,5 (1 — 0)} = 2050 с2.
10. Рассчитывают и заносят в графу 8 величину 1 — 20 + 02/2.
11. Подсчитывают сумму чисел графы 9:
£ [1 - а (7 ДО] Г1 — 20 (7 Д7) + 1 = — 0,103.
i=o L i J
12. Определяют площадь F3 по формуле (19): F3 — (104,725)2 х
X 25 {—0,103 — 0,5 [1 — 0]} = —158 000 с».
13. Определяют вид безразмерной передаточной функции объекта
(без учета запаздывания). В случае отрицательной F3 величину
ТГ*б (р) определяют по формуле (21):
№об (р) = (&iP + 1 )/(а2р2 + flip + 1).
Коэффициенты аъ а2 находят из системы уравнений (22):
ах = 104,725 + а2 = 2050 + 104,725; 0 = —158 000 +
+ &х-2050;
= 77 с; = 182 с; а2 = 10 НО с2;
Усб (р) = (77р + 1)/(10 1 Юр2 + 182р + 1).
14. Размерная передаточная функция объекта с учетом времени
запаздывания т = 50 с будет иметь вид
Wo6(p)~ko6 10 ПОр2 + 182р + j е 5°р С/% хода.
Для расчета настроек регулятора графическим способом необхо-
димо найти АФХ объекта, которую получают подстановкой р = /со
в передаточную функцию Ц70б (р):
W я 7/и) = k к_____77/(0 + 1_____е-50/<о
об^ 7 «об ю 1Ю(/сй)2 + 182/сй + 1
Проведя соответствующие преобразования, получают выражения
для АФХ:
W . _ *об/5930т2+ 1 с/ (arctgZTw-arctgJ^- -50а>)
4 7 /(1 - 10 110m2)2 + 33 200 m2
265
Таблица 58. Расчет АФХ объекта
а>, рад/с ^Об((0)’ °С/% хода arctg77io град 1821 а> — 50(0, град фоб(«)- град
arCt£ 1 - 10110(о« ’ град
0 24 0 0 0 0
0,0025 2,33 10,9 —25,8 —7,2 —22,1
0,005 2,18 21,0 —50,4 —14,3 —43,7
0,0075 1,93 30,0 —72,5 —21,5 —64,0
0,01 1,66 37,6 —90,3 —28,7 —81,4
0,015 1,22 49,1 — 115,8 —43,0 —109,1
0,02 0,927 57,0 — 129,9 —57,4 — 129,4
0,025 0,745 62,5 —139,5 —71,7 —147,7
0,03 0,620 66,6 — 146,0 —86,0 —165,4
0,035 0,528 69,6 — 151,0 —100,0 —181,4
0,04 0,462 72,0 — 154,5 — 114,8 —197,3
0,05 0,368 75,5 —159,5 — 143,3 —227,3
0,06 0,305 77,7 —162,8 — 172,0 —257,1
0,08 0,227 80,8 —167,2 —229,5 •i- 315,9
0,10 0,183 82,6 — 169,7 —287 —374,1
0,12 0,153 83,2 —171,5 —346 —434,3
0,14 0,13 84,7 — 172,5 —401 —498,8
0,16 0,114 85,4 — 173,4 —458 —576
Придавая частоте и значения от 0 до 0,16 рад/с (для расчета на-
строек достаточно получить АФХ в пределах двух—трех четвертей,
но для построения переходного процесса понадобится АФХ в пре-
делах 5—6 четвертей), находят соответствующие значения:
л I \ 2,4 /5930<в2 + 1
АОб(ю)= г--------- ==- С/% хода;
v /(1—10 ИОсо2)2 + 33 200со2
Фоб (®) = arctg 77<о - arctg t - 50to
и результаты расчетов сводятся в табл. 58.
Расчет оптимальных настроек на заданное значение М = 1,3 при
получении минимального (для данного М) значения квадратичного
интегрального критерия качества проводят по методике, изложенной
в § 4 гл. II.
Графический расчет (рис. 105) начинают с построения на комп-
лексной плоскости АФХ объекта (см. табл. 58). Затем строят АФХ
разомкнутой системы при kv = 1 и различных значениях времени
изодрома: ТИ1 = 75 с, Тм = 100 с, Тиз = 125 с и Ти4 = 150 с.
Для этого к каждому вектору АФХ объекта прибавляют вектор с мо-
дулем ДА = Аоб/Тисо (табл. 59), повернутый на угол 90° по часо-
вой стрелке.
Из начала координат проводят луч под углом [уравнение (73)]
Р — arcsin - arcsin 0,77 = 55,5°
266
Таблица 59. Значения ДА для построения АФХ разомкнутой системы
Частота со, рад/с &А (со) при значении времени изодрома (интегрирования)
ги1= 75 с Ги2— 100с Ги3= 125 с 7*— 150 с
0,01 2,21 1,66 1,33 1,11
0,015 1,08 0,82 0,65 0,54
0,020 0,62 0,46 0,37 0,31
0,025 0,40 0,30 0,24 0,20
0,030 0,28 0,21 0,17 0,14
0,035 0,20 0,15 0,12 0,10
Рис. 105. Построение АФХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором для раз-
личных значений времени интегрирования (изодрома)
к отрицательной вещественной полуоси, строят окружности с цен-
трами на отрицательной вещественной полуоси, касающиеся одно-
временно луча и АФХ разомкнутой системы при различных значе-
ниях времени изодрома. Измеряют в соответствующем масштабе ра-
диусы полученных окружностей и по формуле (72) рассчитывают kp
та, с.............................. 75 100 125 150
г, °С/% хода....................... 5,23 3,51 2,92 2,57
kp, % хода/°С......'............... 0,360 0,536 0,645 0,734
На плоскости настроек регулятора строят зависимость kp от Ти
(рис. 106) и находят точку с наибольшим отношением kpITa (точка
касания прямой, выходящей из начала координат). Настройки,
соответствующие этой точке kp. опт = 0,535 % хода/°С и Ти. опт =
= 100 с, обеспечивают минимальное значение квадратичного интег-
рального критерия качества при М = 1.3.
267
После расчёта наёт()оёк рёгуЛяТора обычно проверяют устойчи-
вость и находят запас устойчивости системы по модулю и по фазе,
используя частотный критерий Найквиста.
Рис. 106. Определение оптимальных
настроек ПИ-регулятора
Рнс. 107. Определение запаса устойчивости си-
стемы по частотному критерию Найквиста н полу-
чение 1 + W (/©)
Для этого сначала рассчитывают АФХ регулятора:
UZp (/со) = Ар(со)е/<рр(и) = kv (1 + =
Ар (со) &р м2у,2 4" 1 >
<Рр (со) = arctg соТи -
При kv = 0,535 % хода/ °C и Ти = 100 с величины Ар (со) и срр (со)
имеют значения, приведенные в табл. 60. АФХ разомкнутой системы
регулирования получают как произведение АФХ объекта и регуля-
тора:
W (/со) = WoS (/со) Гр(/со) = А (со^ф(и) = Аоб (со) Ар (со) е1I W°>1;
А (со) = Аоб (со) Ар (со); ср (со) = сроб (со) + <рр (со).
Для рассматриваемого примера значения А (со) и ср (со) сведены
в табл. 60.
АФХ разомкнутой системы строят на комплексной плоскости
(рис. 107) и определяют запас устойчивости по модулю С = 0,64
и по фазе у — 47°. Система автоматического регулирования с ПИ-
регулятором устойчива, так как АФХ разомкнутой системы не охва-
тывает на комплексной плоскости точку с координатами (—1; / 0)
268
Таблица 60. Амплитудно-фазовые характеристики объекта, регулятора
и разомкнутой системы регулирования
ш, рад/с К'об и'р </«) W (fa)= Wo6 (/<о) UZp (/со)
А об ’С/% хода (Роб град лр <а». % хода/’С фр (со), град А (со) Ф (ф), град
0 2,4 0 —90 —90
0,0025 2,33 —22,1 2,200 —76 5,12 —98,1
0,005 2,18 —43,7 1,115 —63,4 2,43 — 107,1
0,0075 1,93 —64,0 0,894 —53,1 1,72 — 117,1
0,01 1,66 —81,5 0,756 —45,0 1,255, — 126,5
0,015 1,22 — 109,1 0,644 —33,7 0,786 —142,8
0,02 0,927 —129,4 0,598 —26,3 0,554 — 155,7
0,025 0,745 —147,7 0,577 —21,8 0,430 —169,5
0,03 0,620 — 165,4 0,564 — 18,5 0,350 — 183,9
0,035 0,528 — 181,4 0,558 — 16,0 0,295 — 197,4
0,04 0,462 — 197,3 0,552 — 14,0 0,255 —211,3
0,05 0,368 —227,3 0,546 — 11,4 0,201 —238,7
0,06 0,305 —257,1 0,542 —9,4 0,165 —266,5
0,08 0,227 —315,9 0,539 —7,1 0,122 —323,0
0,10 0,183 —374,1 0,537 —5,7 0,098 —379,8
0,12 0,153 —424,3 0,535 -4,8 0,082 —429,1
0,14 0,130 —488,8 0,535 —4,1 0,070 —492,9
0,16 0,114 —576 0,535 —3,6 0,061 —579,6
и имеет значительный запас устойчивости как по модулю, так и по
фазе.
Для окончательной оценки правильности выбора настроек регу-
лятора строят переходный процесс в системе при возмущении со
стороны регулирующего органа (по нагрузке) или по заданию.
При возмущении со стороны регулирующего органа АФХ зам-
кнутой системы равна
W9 (/со) Ая (и) j + Wo6°5^ (/t0) i + А (ш) е/Ф(ш) •
Знаменатель полученного выражения представляют в показа*
тельной форме (наиболее удобно это сделать графически на рис. 107,
для этого к каждому вектору АФХ разомкнутой системы прибав-
ляют 1, это означает сдвиг графика АФХ на единицу вправо, или, что
то же самое, — перенос начала координат на единицу влево (не из-
меняя положение АФХ). При этом вектором 1 + №об (/®) (/®)
будет являться вектор, идущий из точки (—1, i 0), как из центра
в данную точку АФХ разомкнутой системы.
По рис. 107 определяют модуль Азн (со) и фазовый угол <рзн (со)
знаменателя АФХ замкнутой системы, и полученные значения зано-
сят в табл. 61. После этого рассчитывают и заносят в табл. 61 вели-
чины
А3 (и) = Аоб (со)/Азн (и); <р3 (®) = фоб (со) — фзн (“)•
269
Таблица 61. Амплитудно-фазовые характеристики объекта и замкнутой системы
регулировании при возмущении со стороны регулирующего органа
to, рад/с ^об </ и) l + Wo6<.j«>)Wp(lv) 1+Го ^об </“>
5 Wp (/®)
об Фоб <“). ^ЗН 4>зи А3(®), ф (о),
°С/% хода град °С/% хода град °C/% хода "рад
0 2,4 0 —90 0 1-90
0,0025 2,33 —22,1 5,15 —87,1 0,452 (-65,0
0,005 2,18 —43,7 2,35 -82,9 0,928 1-39,2
0,0075 1,93 —64,0 1,35 —77,0 1,430 1-13,0
0,01 1,66 —81,5 1,04 —76,5 1,595 +5,0
0,015 1,22 — 109,1 0,60 —52,0 2,035 -57,1
0,020 0,927 —129,4 0,54 —33,7 1,720 -95,7
0,025 0,745 — 147,7 0,59 —7,7 1,263 140,0
0,03 0,620 —165,4 0,65 4-2,3 0,954 167,7
0,035 0,528 —181,4 0,73 +6,6 0,724 188,0
0,04 0,462 — 197,3 0,80 +9,7 0,578 207,0
0,05 0,368 —227,3 0,92 + Ю,2 0,400 237,2
0,06 0,305 —257,1 1,01 +9,1 0,302 266,2
0,08 0,227 —315,9 1,105 +3,5 0,205 319,4
0,10 0,183 —374,1 1,10 —1,5 0,166 372,6
0,12 0,153 —434,3 1,04 —4,6 0,159 429,7
0,14 0,130 —488,8 0,96 —3,2 0,125 485,6
0,16 0,114 —546 0,95 + 1,7 0,108 547,8
Рассчитывают вещественную частотную характеристику замкну-
той системы Р (со) — А3 (со) cos <р3 (со):
to, рад/с Р (©), <>С/% хода to, рад/с Р (to), °С/% хода to, рад/с Р «о), °С/% хода
0 0 0,02 —0,435 0,06 —0,02
0,0025 0,196 0,025 —0,965 0,08 0,156
0,005 0,720 0,03 —0,932 0,1 0,162
0,0075 1,39 0,035 —0,718 1,12 0,82
0,01 1,595 0,04 —0,515 0,14 —0,073
0,015 1,10 0,05 —0,217 0,16 —0,084
Строят вещественную частотную характеристику замкнутой си-
стемы (рис. 108). Заменяют кривую ломаной линией и через точки
перегиба проводят горизонтальные линии. В результате получают
восемь трапеций с соответствующими значениями параметров г0)
cod> со„, х (рис. 108, б). При разбивке на трапеции пренебрегают зна-
чениями Р (со) < 5 % Р (со)тах при больших частотах. Параметры
трапеций приведены в табл. 62. При правильной замене трапециями
в случае возмущения со стороны регулирующего органа 2 r0, i = 0.
Для каждой трапеции выбирают интервал времени А/, так чтобы
Ат = со„ А/ был кратен 0,5 (для удобства пользования таблицами
Лх-функций). По табл. 28 ft-функций находят значения ftx, умножают
270
21- Р(а),°С/ 7> хода
Рис. 108. График вещественной частотной характеристики замкнутой системы
(а) и замена его трапециями (б) '
Таблица 62. Параметры трапеций, заменяющих вещественную частотную
характеристику
№ трапеции (рис. 108, б) г„, «с/% хода a>d, рад/с а>п, рад/с
1 1,54 0,015 0,02 0,75
2 0,50 0,0115 0,015 0,77
3 —1,60 0,0026 0,008 0,325
4 0,54 0,02 0,024 0,835
5 —0,64 0,029 0,0435 0,670
6 —0,34 0,0435 0,06 0,725
7 —0,16 0,06 0,08 0,75
8 0,16 0,099 0,1335 0,74
271
Таблица 63. Расчет hi для трапеций
/, с "% Лг= г0Лх f, с т Ч Л4= голх
Трапеция № 1 707 6,0 1,067 —1,706
756 6,5 1,050 —1,680
50 1 0,534 0,822 815 7,0 1,035 —1,655
100 2 0,938 1,442 874 7,5 1,022 —1,635
150 3 1,142 1,760 943 8,0 1,016 —1,623
200 4 1,161 1,786 1002 8,5 1,012 —1,620
250 5 1,069 1,642
300 6 0,956 1,475 Трапеция № 4
350 7 0,917 1,415
400 8 0,936 1,442 62,5 1,5 0,789 0,426
450 9 0,990 1,528 125 3,0 1,161 0,627
500 10 1,036 1,595 187,5 4,5 1,103 0,597
550 11 1,047 1,610 250 6,0 0,939 0,506
600 12 1,025 1,580 312,5 7,5 0,925 0,499
650 13 0,993 1,530 375 9,0 1,018 0,549
700 14 0,974 1,500 437,5 10,5 1,057 0,570
750 15 0,976 1,503 500 12,0 1,005 0,542
800 16 0,993 1,530 562,5 13,5 0,961 0,519
850 17 1,008 1,550 625 15,0 0,984 0,531
900 18 1,014 1,568 687,5 16,5 1,023 0,563
950 19 1,009 1,551 750 18,0 1,019 0,562
1000 20 1,001 1,541 812,5 19,5 0,988 0,533
875 21,0 0,977 0,527
Трапеция Л® 2 937,5 22,5 1,005 0,542
1000 24,0 1,014 0,548
67 1 0,539 0,270
133 2 0,945 0,472 Трапеция № 5
200 3 1,147 0,573
267 4 1,159 0,579 46 2 0,907 —0,591
333 5 1,064 0,533 92 4 1,159 —0,742
400 6 0,953 0,476 138 6 0,996 —0,638
467 7 0,915 0,457 184 8 0,934 —0,597
533 8 0,939 0,469 230 10 1,012 —0,648
600 9 0,996 0,498 276 12 1,026 —0,656
667 10 1,041 0,521 322 14 0,994 —0,636
733 И 1,047 0,524 368 16 0,992 —0,635
800 12 1,021 0,511 414 18 1,000 —0,640
867 13 0,988 0,494 460 20 0,988 —0,639
933 14 0,971 0,486 506 22 0,997 —0,639
1000 15 0,977 0,489 552 24 1,001 —0,641
598 26 1,001 —0,641
Трапеция № 3
Трапеция № 6
59 0,5 0,211 —0,338
118 1,0 0,409 —0,655 33 2 0,024 —0,314
176 1,5 0,598 —0,956 67 4 1,160 —0,395
236 2,0 0,721 —1,154 100 6 0,970 —0,330
294 2,5 0,865 —1,383 133 8 0,934 —0,318
353 3,0 0,972 —1,555 167 10 1,028 —0,360
412 3,5 1,037 —1,660 200 12 1,026 —0,359
471 4,0 1,075 — 1,720 243 14 0,981 —0,334
530 4,5 1,090 —1,742 267 16 0,991 —0,337
589 5,0 1,095 —1,750 .tCmJ 18 1,009 —0,343
548 5,5 1,088 —1,740 333 20 1,002 —0,341
272
Продолжение табл. 63
t, с т ftX hi = гоЛх t, с т "х hi = 'Л
367 22 0,994 —0,338 350 26 1,004 —0,161
400 24 1,000 —0,340
433 26 1,003 —0,341 Трапеция № 8
Трапеция № 7 15 2 0,934 0,149
35 50 75 100 125 150 175 200 225 250 300 325 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0,938 1,161 0,956 0,936 1,036 1,025 0,974 0,993 1,014 1,001 0,991 1,000 —0,150 —0,186 —0,153 —0,150 —0,166 —0,164 —0,156 —0,159 —0,162 —0,160 1 —0,159 —0,160 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 1,161 0,962 0,935 1,031 1,025 0,977 0,992 1,012 1,001 0,992 1,000 1,004 0,186 0,154 0,149 0,165 0,164 0,157 0,159 0,162 0,160 0,159 0,160 0,161
их на r0 t и получают hi. Если коэффициенты наклона трапеции от-
личаются от табличных, то /гх определяют интерполированием. Ре-
зультаты расчетов сводят в табл. 63.
Строят зависимости hi от времени (рис. 109) и, складывая их,
получают
X (t) = £ hi (0 °C/ % хода.
С=1
Определяют параметры переходного процесса:
х± = = 0,96 °C/% хода-20 % хода = 19,2 °C;
величина перерегулирования
П = А 100 = 4Й" 100- 18,8%;
х± и»уо
статическая ошибка хст = 0; время регулирования tp — 800 с (до
момента, когда выходная величина становится отличной от нулевого
значения на 3—5 % xj.
Все параметры переходного процесса находятся в заданных пре-
делах, выбор и расчет настроек регулятора проведены правильно.
Курсовой проект может быть посвящен расчету локальной авто-
матической системы управления с использованием ЭВМ (второй ва-
риант).
В этом случае работа над курсовым проектом состоит из следую-
щих частей:
1. Экспериментальное снятие кривой разгона (выполняют на
практике).
273
2. Расчет на ЭВМ коэффициентов дифференциального уравнения
объекта управления.
3. Выбор критерия оптимальности работы автоматической си-
стемы управления.
4. Расчет на ЭВМ оптимальных настроек регулятора.
5. Расчет на ЭВМ и построение переходного процесса.
Пример выполнения курсового проекта на тему: «Рассчитать на
ЭВМ оптимальные настройки регулятора температуры по экспери-
ментальной кривой разгона».
Рис. 109. Построение переходного процесса в системе автоматического регули-
рования
Экспериментально полученная кривая разгона представлена на
рис. ПО.
Расчет на ЭВМ коэффициентов дифференциального уравнения
объекта управления производится следующим образом. Исходя из
кривой разгона объект управления описывают дифференциальным
уравнением второго порядка с запаздыванием
(цхп + ахх' + айх = by (t — тоб).
Величину а0 принимают без потери общности равной единице, а ве-
личину времени запаздывания тоб определяют из рис. 110: тоб = 2с.
Тогда необходимо . определить коэффициенты Оа, alt b таким обра-
зом, чтобы экспериментально полученные и рассчитанные по уравне-
274
Нйю кривые разгона были близки. Мерой близости выбирают инте-
гральный квадратичный критерий,
со
Е = j (хэ (0 — х (О)2 dt -> min{a2, ai, ь}
о
или, проведя дискретизацию экспериментальной кривой разгона,
п
Е = Е (хэ(1) — x(i))2->min{a2> а„ ь}-
1=1
Структурная схема алгоритма решения задачи представлена на
рис. 111. Здесь дифференциальное уравнение объекта управления
юнец
Рис. 110. Экспериментальная кривая раз-
гона 1 и рассчитанная по уравнению объекта
после нахождения коэффициентов уравне-
ния 2
Рис. 111. Структурная схема алгоритма
определения коэффициентов уравнения ОУ
решается методом Рунге—Кутта, определение коэффициентов as,
alt Ъ производится методом Розенброка (см. § 3 гл. II). Программы,
написанные на алгоритмическом языке Фортран IV и реализующие
эти два метода, и управляющая программа представлены ниже.
Управляющая программа (программа 1)
DIMENSION Y(4),A(7),F(4),YO(4),TK(200),GE(200)
P,GR(200),NN(200),Yl(4),X(7)
DIMENSION L4(10),Xl(500,10)
READ(1,3),M2,M3,L4(1),L4(2)
3 FORMAT(4A1)
READ(1,1) NT,N,N2
1 FORMAT(313)
READ(1,2)(A(I),I = 1 ,N2),(Y1 (I),I = 1 ,N),
P(TK(I),GE(I),I = 1,NT)
275
2 FORMAT(5F4.2)
M=0
MM=10
Н=.О5
DO 8 J = 1,NT
8 NN(J)=TK(J)/H
12 DO 6 J = 1,N
Y(J)=Y1(J)
6 YO(J)=Y1(J)
Ml=0
T=0.
L = 1
LI = 1
21 CALL MOD(A,Y,F,T)
CALL RK(NN,N,F,M1 ,YO,Y,H,T,GR,L,L1,X1 ,NT)
IF(M1) 22, 21, 21
22 Fl=0.
DO 10 1 = 1, NT
10 F1=F1+(GE(I)—GR(I)) **2
DO 17 J = l, N2
17 X(J)=A(J)
IF(MM.NE.IO) GOTO 33
MM=0
CALL GRAF(X1,L2,M2,M3,L4)
33 MM=MM+1
CALL FIND(X,M,N2,10E— 04,Fl)
DO 18 J = 1,N2 ;
18 A(J)=X(J)
IF(M.NE.2) GO TO 12
WRITE(3,11) F1,(A(I),I = 1,N2)
11 FORMATf СУММА КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=
P’,E12.5/’ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ А=’
Р.6Е12.5)
STOP
END
Программа определения коэффициентов уравнения
методом Роэенброка (программа II)
SUBROUTINE FIND(X,M,N,SO,F1)
DIMENSION X(50),JA(50),D(50),E(50),
* V(50,50),Ml (50),C(50,50),B(50)
IF(M) 53, 53, 12
53 DO 14 1 = 1, N
S=ABS(X(I))*0.1
IF(S— SO) 13, 20, 20
13 s=so/o.i
20 E(I)=S
14 Ml(I)=0
DO 15 J = 1,N
276
L DO 15 1 = 1,N
F IF(I—J) 16, 17, 16
I7V(I,J) = 1.0
GOTO 15
; 16 V(I,J)=0.0
15 CONTINUE
FO=F1
M=1
M2=0
7 J = 1
DO 18 1 = 1,N
JA(I)=2
18 D(I)=0.0
12 S=E(J)
IF(M2)26, 26, 19
26 DO 21 1 = 1,N
21 X(I)=X(I)+S*V(J,I)
IF(J—1)27, 28, 27
28 K=0
27 M2=l
GOTO 22
19 IJ=M1(J)
IF(F1—FO)1, 29, 29
29 DO 23 1 = 1,N
23 X(I)=X(I)—S*V(J,I)
IF(ABS(S)—SO)34, 34, 24
34 K=K+1
25 IF(S)36, 37, 37'
36 S=—SO
GOTO 28
37 s=sq
38 IF(J—N)30, 39, 39
39 IF(K—N)30, 40, 40
40 M=2
F1=FO
GOTO 22
24 IF(I1)41, 41, 3
41 S=—S/2.0
GOTO 4
3 S=—S/6.0
11 11=0
4 IF(ABS(S)~SO)25, 25, 30
30 IF(JA(J)—1)43 , 43, 2
43 JA(J)=0
GOTO 2
1 D(J)=D(J)+S
11 = 1
S=3.0*S
FO=F1
277
IF(JA(J)— 2)2, 9, 9
9 JA(J)=1
2 M2=0
E(J)=S
M1(J) = I1
DO 57 1 = 1,N
IF(ABS(D(I))— SO)60, 57, 57
60 JA(I)=2
57 CONTINUE
11=0
DO 31 I = 1,N
31 I1 = I1+JA(I)
IF(I1)35, 35, 8
8 IF(J— N)32, 33, 33
32 J=J + 1
GOTO 12
33 J = 1
GOTO 12
35 DO 44 J = 1,N
DO 44 1 = 1,N
44 C(J,I)=0.0
DO 45 K=1,N
DO 45 J = 1,N
DO 45 I = K,N
45;C(K,J)=C(K,J)+D(I) * V(I ,J)
DO 46 K=1,N
DO 47 J = 1,N
47 B(J)=C(K,J)
IF(K—N)61, 58, 58
61 S=0.0
DO 59J = 1,N
59 S=S+(B(J)—C(K+1,J))* *2
S=SQRT(S)
IF(S— SO)46, 58, 58
58 IF (K—1)5, 6, 5
5 N1 = K—1
DO 48 1 = 1,N1
S=0.0
DO 49 J = 1,N
49 S=S+B(J)*V(I,J)
DO 50 J = 1,N
50 B(J)=B(J)—S*V(I,J)
48 CONTINUE
6 S=0.0
DO 51 J = 1,N
51 S=S+B(J)**2
S=SQRT(S)
IF(S)54, 54, 55
54 DO 56 J = 1,N
278
56 B(J)=B(J)* 100.0
GOTO 6
55 DO 52 J = 1,N
52 V(K,J)=B(J)/S
46 CONTINUE
GOTO 7
22 RETURN
END
Программа решения дифференциального уравнения
методом Рунге—Кутта (программа III)
SUBROUTINE RK(NN,N,F,MI,YO,Y,H,T,GR,L,L1,X1,NT)
DIMENSION F(4),Y(4),YO(4),P(4,4),NN(200),
PGR(200),Xl(500,10)
IF(M1)2, 1, 2
1 1 = 1
Ml = l ,
2 DO 5 J = 1,N
P(J,I)=H*F(J)
IF(1—3), 3, 4, 5
3 Y(J)=YO(J)+P(J,I)*0.5
GOTO 5
4 Y(J)=YO(J)+P(J,I)
5 CONTINUE
GOTO (6,7,6,8),I
6 T=T+H/2.
7 1 = 1 + 1
GOTO 12
8 X1(L,1)=YO(1)
X1(L,2)=YO(2)
DO 9 J = 1,N
YO(J)=YO(J)+(P(J,l)+2.*(P(J,2)+P(J,3))+P(J,4))/6.
9 Y(J)=YO(J)
IF(L—NN(Ll))10, 16, 16
16 GR(L1)=YO(1)
IF(L1—NT)17, 11, 11
17 L1 = L1 + 1
10 Ml=0
L=L+1
GOTO 12
11 Ml = —1
12 RETURN
END
В этих программах введены следующие обозначения: NT —
число точек по времени, в которых определены значения эксперимен-
тальной кривой разгона; NN — число шагов интегрирования; ТК —
моменты времени, в которые производится сравнение расчетных и
экспериментальных значений; GE — значения х3 (/); GR = Y (I) —
279
Таблица 64. Результаты расчетов коэффициентов уравнения
а2 а. ь Е °2 ак ь Е
32 10,5 1,1 85,6552 33,3 10,5 1,1 83,2024
31,5 10,5 1,1 87,7020 33,4 10,5 1,1 83,1849
31,6 10,5 1,1 87,2435 33,5 10,5 1,1 83,1919
31,8 10,5 1,1 86,4002 33,4 10 1,1 24,8838
31,9 10,5 1,1 86,0154 33,4 9,5 1,1 58,0541
32,1 10,5 1,1 85,3195 33,4 9,6 1,1 43,5283
32,3 10,5 1,1 84,7220 33,4 9,8 1,1 26,5152
32,5 10,5 1,1 84,2220 33,5 9,9 1,1 23,7131
32,7 10,5 1,1 83,8203 33,7 9,9 1,1 23,6217
32,9 10,5 1,1 83,5166 33,8 9,9 1,1 23,6065
33,1 10,5 1,1 83,3107 33,8 9,9 1,1 23,6089
расчетные значения выходной величины; N — порядок дифферен-
циального уравнения и; Y1 — начальное значение х; Н — шаг ин- ,
тегрирования; А — матрица коэффициентов at и bt; XI — входной
сигнал.
Кривая разгона, представленная на рис. ПО, вводится в вычис-
лительную машину в виде дискретной последовательности значений
координат х, взятых в моменты времени i Д/, где Д/ = 1 с.
В табл. 64 представлены результаты расчета коэффициентов мо-
дели а2, alt b и соответствующие значения критериев Е.
Минимальное значение критерия равно 23,6065, а соответствую-
щие ему значения коэффициентов равны а2 = 33,8, аг = 9,9, b = 1,1.
В табл. 65 приведены значения кривой разгона х3, рассчитанные по
уравнению объекта величины х и абсолютные значения отклонений
в различные моменты времени переходного процесса. Максимальное
Таблица 65. Результаты расчета кривой разгона по уравнению объекта
X х9 Моменты времени Абсолютное отклонение X х9 Моменты времени Абсолютное отклонение
0 0 0 0 64,5052 64 17 —0,5052
1,0037 3 1 1,9963 66,3971 65 18 —1,3971
3,6405 5 2 1,3595 68,0237 67 19 —1,0237
7,4283 8 3 0,5717 69,4106 68 20 — 1,4106
11,978 11 4 —0,978 70,5832 70 21 —0,5832
16,9798 17 5 0,0202 71,5660 71 22 —0,5660
22,1909 22 6 —0,1909 72,3820 73 23 +0,6180
27,4248 27 7 —0,4248 73,0527 74 24 0,9473
32,5418 32 8 —0,5418 73,5978 75 25 1,4022
42,0516 43 9 0,9484 74,0352 75 26 0,9648
46,3296 48 10 1,6704 74,3812 75 27 0,6188
50,2497 51 11 0,7503 74,6500 65 28 0,3500
53,8026 54 12 0,1974 74,8437 75 29 0,1457
56,9906 57 14 0,0094 75,0055 75 30 —0,0055
59,8248 59 15 —0,8248 75,1123 75 31 —0,1123
62,3225 62 16 —0,3225 75,1852 75 32 —0,1852
280
абсолютное отклонение составляет 1,996 и равно ~2,7 % от макси-
мального значения хэ. На рис. ПО вместе с экспериментальной
приведена расчетная кривая разгона 2, построенная по уравнению
объекта.
Таким образом, объект управления описывается следующим диф-
ференциальным уравнением: 33,8х" + 9,9/ + х = l.lz/ (t — 2).
Выбор критерия оптимальности работы автоматической системы
управления осуществляют, исходя из технологических требований.
Если для технологического процесса, температуру которого должна
регулировать разрабатываемая автоматическая система управления,
не допустимо большое динамическое отклонение, так как это может
привести к изменению физических свойств обрабатываемого мате-
риала, и необходимо как можно быстрее ликвидировать отклонение
регулируемой величины от заданного значения, то критерий опти-
мальности можно записать в виде следующего функционала
I = min max е (/) + с2/р},
где Сх и с2 — весовые коэффициенты, учитывающие значимость
каждого слагаемого; 8 (/) — отклонение регулируемой величины от
заданного значения; /р — время регулирования. Выбирают сх = 0,7
и с2 = 0,3, т. е. придают большую значимость величине динамиче-
ского отклонения.
В качестве регулятора выбирают наиболее общий линейный ре-
гулятор с ПИД-законом управления.
Настройками регулятора являются коэффициент усиления &р, по-
стоянная времени интегрирования Ти и постоянная времени диффе-
ренцирования Тл. Считают оптимальными такие значения kv, Ти и
Тд, которые дают минимальное значение выбранного выше критерия
оптимальности.
Поскольку объект управления описывается линейным дифферен-
циальным уравнением с запаздыванием, то необходимо при выборе
значений параметров регулятора учитывать условия устойчивости
(см. § 4 гл. II). Для получения условий устойчивости используют
критерий Гурвица. Поэтому величину е~рх°5 разлагают в ряд Пада
и ограничиваются первыми двумя членами
= (1 _ 0,5ртоб)/(1 + 0,5ртоб).
Тогда передаточная функция разомкнутой системы примет вид
b / 1 — 0,5ртпб \
W (о) ~ 1 + °’5рТ°б > \h J_!___L Т „1
a2p2 + aiP + ao L р+ Ткр +
а характеристическое уравнение замкнутой системы.
Q (р) = 1 + W(p) = b(l- 0,5ртоб) [*р+ + Тяр] +
+ (1 + 0,5ртоб) (а2р2 + агр + а0) = 0.
281
Подставив численные значения тоб = 2; b = 1,1; а2 = 33,8; а± —
= 9,9; а0 = 1 и раскрывая скобки, получают следующее выражение
характеристического уравнения
33,8р4-|-(43,7 — 1,1Тд)р3 + (1,1Тд + 10,9- 1,1£р)р2 +
+ ^,lkv+i + lA^-)p + i,l/Ta = O.
Согласно критерию Гурвица автоматическая система управления,
описываемая уравнением 4-го порядка, будет устойчива, если вы-
полняются следующие условия:
d4 = 33,8>0; d3 = 43,7 — 1,1ТД > 0;
d2= 1,1ТД Ч- 10,9 — 1,1/гр>0; = 1,1£р+ 1 +1,1/Ти>0;
d0== 1 > 1/Ги 0; d± (4/3^3 ^1^4) d3d0d3 О,
где d4 — dQ — коэффициенты характеристического уравнения.
Структурная схема алгоритма определения оптимальных , на-
строек регулятора представлена на рис. 112. Здесь дифференциальное
уравнение (ДУ) объекта управления решается методом Рунге—Кутта
(блок /), в блоке 2 вычисляется значение управления у (t — т),
в блоке 4 методом Розенброка определяются параметры регулятора,
Рис. 112. Структурная схема алгоритма определения оптимальных на-
строек регулятора
282
С
в блоке 3 вычисляются значения критерия оптимальности, в блоке 5
проверяются условия устойчивости.
Программы решения дифференциального уравнения методом
Рунге—Кутта (программа III) и расчета коэффициентов регулятора,
совпадающая с расчетом коэффициентов уравнения методом Розен-
брока (программа II) рассмотрены ранее, а управляющая программа
для реализации схемы, приведенной на рис. 112, и программа по-
строения графика переходного процесса, написанные на алгоритми-
ческом языке Фортран IV, представлены ниже.
Управляющая программа (см. рис. 112)
REAL КР
DIMENSION Y(10),A(10),F(10),YO(10),TK(200)
P,GE(200),GR(200),NN(200),Yl(10),X(20),L4(5),
PXl(300,5),ZP(5,400)
READ(1,3)M2,M3,L4(1)
3 FORMAT(3A1)
READ(1,1)NT,N,N2 »
1 FORMAT(313)
READ(1,2)(A(I),I = 1 ,N2),(Y1(I),I = 1 ,N),
P(TK(I),GE(I),I = 1,NT)
, 2 FORMAT(5F4.2)
M=0
MM=10
H=0.25
TA=1.4
IF(TA.GT.H) GOTQ 4
H=TA
IK=4
GOTO 5
4 IP=TA/H
AN=IP*H
H1 = H—(TA—AN)
H=H+H1/IP
IZ=1
IK=IP*4
5 DO 19 J = 1,NT
19 NN(J) = TK(J)/H
NN(1)=NN(1)+1
DO 23 J = 1,N
Yl(J)=0.0
Y(J)=Y1(J)
23 YO(J) = Y1(J)
DO 55 1 = 1,IK
55 ZP(5,I) = Y1(5)
Ml=0
T=0.
L=1
LI = 1
283
21 CALL MOD(A,Y,F,T,IZ,ZP,Y1,IK,KP,TD,TI)
CALL RK(NN,N,F,M1 ,YO,Y,H,T,GR,L,L1 ,X1 ,NT)
IF(M1)22, 21, 21
22 F1=O.
DO 24 1 = 1,NT
24 F1=F1+(GE(I)—GR(I))**2
DO 25 J = 1,N2
25 X(J)=A(J)
IF(MM.NE.1O) GOTO 33
MM=0
CALL GRAF(X1,L,1,M2,M3,L4)
33 MM=MM+1
CALL FIND(X,M,N2,10E—04,Fl)
DO 26 J = 1,N2
26 A(J)=X(J)
WRITE(3,27)F1 ,(A(I),I = 1 ,N2)
27 FORMATfCYMMA КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=’Е12.5/’
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ А=’6Е12.5)
STOP
END
Программа построения переходного процесса
SUBROUTINE GRAF (X,N1,M1,M2,M3,L4)
DIMENSION X(300,5),XMAX(5),
PXMIN(5),XD(5),XDI(5),L1(1O1),L4(5)
WRITE(3,1O),M1,N1
10 FORMAT(10X,’ПОСТРОЕНИЕ’,12,ТРАФИКОВ’,
P6X,’КОЛИЧЕСТВО ТОЧЕК—’,13/)
NP=10
DO 5 J = 1,M1
XMIN(J)=X(1,J)
XMAX(J)=X(1,J)
DO 5 1=2,N1
IF(XMIN(J)— X(I,J))3, 3, 2
2 XMIN(J) = X(I,J)
GOTO 5
3 IF(XMAX(J)-X(1,J))4, 5, 5
4 XMAX(J)=X(I,J)
5 CONTINUE
DO 7 J = 1,M1
XD(J) = XMAX(J)— XMIN(J)
XDI(l)=0.02
WRITE(3,12)L4(J),XD(J),XDI(J)
12 FORMAT(4X,’ВАРИАНТ’,Al,3X,’MAX—MIN=’
P,G12.6,’HEHA ДЕЛЕНИЯ = ’,О12.6)
WRITE(3,15)XMIN(J),XMAX(J)
15 FORMAT(4X,’MIN=’G12.6,66X,’MAX = ’,G12.6)
7 WRITE(3,13)
284
Таблица 66. Результаты расчета оптимальных настроек регулятора
*р т» гд I *р гд /
1,8 11,7 2 74,176 1,8 11,65 2,05 69,893
1,8 11,65 2 70,032 1,8 11,65 2,1 69,614
1,8 11,7 2 74,176 1,8 11,65 7,55 58,778
1,8 11,65 1,95 74,672 1,8 11,65 7,6 58,797
13 FORMAT(2X,T,10(’...........Г)//)
WRITE(3,14)
14 FORMAT(2X,T,10(’...........r),3X,’N’)
DO 25 1 = 1,N1
DO 66 K=l,101
L1(K)=M3
66 CONTINUE
L1(NP)=M2
DO 37 J = 1,M1
L2=X(I,J)/XDI(J)+NP
IF(L2.GE.101.OR.L2.LE.O) GOTO 37
L1(L2)=L4(J)
37 CONTINUE
WRITE(3,18)(L1(L),L = 1,1O1),I
18 FORMAT(2X,’—’,101AI,’~’,13)
25 CONTINUE
RETURN
END
В этих программах дополнительно введены следующие обозна-
чения: ТА = т — время запаздывания; KP — kv — коэффициент
усиления регулятора; TI = Ти — постоянная интегрирования ре-
гулятора; TD = Тя — постоянная дифференцирования.
В табл. 66 представлены результаты расчетов параметров регу-
лятора и значения критерия оптимальности. Минимальное значение
критерия оптимальности I = 58,778 получается при следующих
значениях параметров регулятора: kv = 1,8; Ти — 11,65; Тд = 7,55,
которые и являются оптимальными настройками регулятора.
Построение переходного процесса в системе при оптимальных
настройках регулятора представлено на рис. 113. Как видно, при
возмущении по заданию перерегулирование отсутствует, а время
регулирования составляет 26 с (время до момента когда выходная
величина входит в зону ±2;5 °C от заданного значения).
Курсовой проект может быть также посвящен расчету локальных
автоматических систем управления с использованием ЭВМ, но в от-
личие от второго варианта определение параметров ОУ произво-
дится на основании статистических данных нормальной эксплуатации
ОУ (третий вариант).
Работа над курсовым проектом состоит из следующих частей:
1. Сбор данных нормальной эксплуатации ОУ.
285
2. Расчет на ЭВМ авто- и взаимнокорреляционной функций и
определение коэффициентов аппроксимирующих выражений.
3. Расчет на ЭВМ коэффициентов дифференциального уравнения
объекта управления.
4. Расчет на ЭВМ оптимальных настроек регулятора.
5. Расчет на ЭВМ и построение переходного процесса.
Пример выполнения курсового проекта на тему: «Рассчитать на
ЭВМ оптимальные настройки регулятора температуры, используя
данные нормальной эксплуата-
ции объекта управления».
Данные нормальной экс-
плуатации ОУ собираются во
время практики в виде записей
показаний приборов и сводятся
в массивы дискретных значе-
ний выходной . величины х
(в рассматриваемом примере
температура) и управляющего
воздействия у (мощность на-
о 4 В 12 16 20 2k Z,C
Рис. 114. Автокорреляционная (/> 3) и
взанмнокорреляциоиная (2, 4) функции:
1, 2 — экспериментальные значения; 3,
4 — аппроксимированные значения
Рис. 113. Переходный процесс в системе
с оптимальными настройками регулятора
при возмущении по заданию
гревателя), которые затем вводятся в ЭВМ для расчета авто- и
взаимнокорреляционной функций.
Для вычисления этих функций используют формулы (63) и (64).
Результаты расчета представлены на рис. 114 (кривые 1 и 2). Учиты-
вая вид корреляционных функций, в качестве аппроксимирующих
выражений выбирают по табл. 24 следующие:
'»W = ('+ Л,)е-«М-Л,; (128)
(г) = (1 + В.) + - В.. (129)
1 Мерой близости аппроксимирующих выражений выбирают квадра-
тичную форму:
k k
El~ yy (Ti) ryy (Ti))2 И ^2 — Zj (?xy (Ti) rxy (Ti))2‘
i=l i=l
286
Структурная схема решения этой задачи с использованием метода
Розенброка представлена на рис. 115.
Результаты расчета представлены на рис. 114 (кривые 3 и 4).
При этом значения коэффициентов аппроксимирующих выражений
равны: Вх = 0,6739; В2 = 0,5401; В3 = —0,912; Аг = 0,3403;
а = 0,24684, а критерием меры близости равны Ег — 0,0621 и Е2 =
= 0,115.
Программа поиска коэффициентов аппроксимирующих выраже-
ний (128) и (129) методом Розенброка совпадает с программой II
(см. выше). Программа вычислений авто- и взаимнокорреляционной
функций на языке Фортран IV приведена ниже.
Программа вычисления авто-
и взаимнокорреляционных функций
и их аппроксимаций
REAL МА, МВ, КА, КВ
DIMENSION MA(200),MB(200),DA(200),DB(200),
PAB(20,200),B(20,200),SA(200),SB(200),KA(200)
Р, КВ (200), L4( 10), X1 (500,10), Т А (200), R (3), Z (2)
DATA R(l),R(2),R(3),Z(l),Z(2)/5.0,2.0,
Р0.0,1. 0,0.0/
DATA М2/1 HI/.M3/1 H/,L4(1)/1 HB/,L4(2)/1 HA/,L4(3),/1 HI/,
PL4(4)/1 H2/I = 1,12),(TA(J), J = 1,25)
1 FORMAT(12F3.2)
Kl = 12
K5=25
WRITE(3,4),(TA(I),(AB(J,I),J = 1, К1) ,1 = 1 ,K5)
287
4 FORMAT(1X,13F7.3)
DO 7 J=1,K5
MA(J)=0.
DA(J)=0.
DO 5 1 = 1,KI
5 MA(J)=MA(J)+AB(I,J)
MA(J)=MA(J)/K1
DO 6 1 = 1,KI
6 DA(J)=DA(J)+(AB(I,J)—MA(J))**2
DA(J) = DA(J)/(K1—1)
7 SA(J)=SQRT(DA(J))
MB(1)=O.
DB(1)=O.
DO 8 1 = 1,KI
8 MB(1)=MB(1)+B(I,1)
MB(1)=MB(1)/K1
DO 9 1 = 1,KI
9 DB(1)=DB(1)+(B(I,1)— MB(1))* *2
DB(1)=DB(1)/(K1—1)
SB(1)=SQRT(DB(1))
DO 11 J = 1,K5
KA(J)=0.
kb(J)=o.
DO 10 1 = 1,KI
KA(J)=KA(J)+(AB(I,1)—MA(1))*(AB(I,J)—MA(J))
10 KB(J)=KB(J)+(B(I,1)—MB(1))*(AB(I,J)—MA(J))
KA(J)=KA(J)/((K1 —1) * SA(1) ♦ SA(J))
11 KB(J)=KB(J)/((K1—1)*SB(1)*SA(J))
M=0
12 Fl=0.
DO 13 J = 1,K5
13 F1=F1 + (KA(J)— ((l.+Z(2))*(2.71828* * (— Z(l)* ABS(TA(J)
P)))—Z(2)))* *2
CALL FIND(Z,M,2,.0001,Fl)
IF(M.NE.2)GO TO 12
WRITE(3,17)Z(1),Z(2),F1
17 FORMAT(1X,’Z1 = ’,E12.5,’Z2=’,E12.5
*’СУММА КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=’,Е12.5/)
M=0.
14 Fl=0.
DO 15 J = 1,K5
15 Fl =F1+(KB(J)-((1 -+R(3))* (R(1)/(R(1)+(TA(J)-R(2)
P)* *2))—R(3)))* *2
CALL FIND(R,M,3,.0001,Fl)
IF(M.NE.2)GO TO 14
WRITE(3,18)R(1),R(2),R(3),F1
18 FORMAT(1X,’R1 = ’,E12.5,’R2=’,E12.5,’R3=’,
PE12.5,’ СУММА КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=’,Е12.5/)
DO 16 J = 1,K5
288
X1(J,1)=KB(J)
X1(J,2)=KA(J)
X1 (J ,3)=(1.+Z(2)) * 2.71828 * * (— Z(l) * ABS)TA(J)))—Z(2)
16 X1(J,4)=(1.+R(3))*(R(1)/(R(1)+(TA(J)—R(2))* *2))-R(3)
CALL GRAF(X1,K6,4,M2,M3,L4)
STOP
END
В этих программах введены дополнительно следующие обозна-
чения: АВ (I, J) — матрица X; i = 1 -4-Х1, j = 1 4-Х5; В (I, 1) —
вектор У, i= 1-гК1; XI—число строк; Х5— число столбцов;
ТА (J) — моменты времени t0 — tKb\ КА — автокорреляционная
функция; КВ — взаимнокорреляционная функция; R (п) — значе-
ния коэффициентов аппроксимирующего выражения взаимнокорре-
ляционной функции, R (1) = Blt R (2) = В2, R (3) = В3 — значе-
ния коэффициентов аппроксимирующего выражения автокорреля-
ционной функции Z (2) = Ai и Z (1) = а.
Принимают, что объект управления описывается дифферен-
циальным уравнением второго порядка с запаздыванием
а2х" + агх' ^aox = by(t — т^).
Используя уравнение (50), переписывают это уравнение в виде
WXy + сьг'ху + аогху = brxy (t — тоб).
Величину а0 без потери общности принимают равной единице. Тогда
необходимо определить коэффициенты ar, b и время запаздывания
Тоб- Мерой близости выбирают интегральный критерий
оо
Е = j (Гед(т) - rXj/(T))2d/->min,
о
где гху — аппроксимированное значение взаимнокорреляционной
функции (кривая 4, см. рис. 114); гху — расчетное значение взаимно-
корреляционной функции.
В дальнейшем определение коэффициентов а2, ar, b и то6 идет
в соответствии со структурной схемой алгоритма (см. рис. 111).
Однако управляющая программа, представленная ниже, имеет
другой вид, поскольку приходится обращаться к алгоритму вычис-
ления корреляционных функций. Программы решения уравнения
методом Рунге—Кутта и поиска коэффициентов уравнения методом
Розенброка те же самые, что были рассмотрены ранее (программы
III и II).
Управляющая программа
REAL МА,МВ,КА,КВ
DIMENSION MA(200),MB(200),DA(200),DB(200),
PAB(20,200),B(20,200),SA(200),SB(200),KA(200)
Р, KB(200),L4(10), X1 (500,10), ТА(200), R(3),Z(2)
P,Y(10),A(10),F(10),YO(10),TK(200),GE(200),GR(200),
10 Главков Г. М. и др. 289
PNN(200),Y1(10),X(10)
DATA R(l),R(2),R(3),Z(l),Z(2)/5,0,2.0,
PO.O,1.0,0.0/
DATA M2/1HI/,M3/1H/,L4(1)/1HB/,L4(2)/1HA/,L4(3)/1H1/,
PL4(4)/1H2/
READ(1,1)NT,N,N2,K1,K5
1 FORMAT(513)
READ(1,2)((AB(I,J),I = 1,K1),J = 1,K5),(B(I,J),
PI = 1 ,K1),(TA(J),J = 1 ,K5),(A(I),I = 1 ,N2),(Y1 (I),
PI = 1,N),(TK(I),GE(I),I = 1,NT)
2 FORMAT(10F4.2)
DO 7 J = 1,K5
MA(J)=0.
DA(J)=0.
DO 5 1 = 1,KI
5 MA(J)=MA(J)+AB(I,J)
MA(J)=MA(J)/K1
DO 6 1 = 1,KI
6 DA(J) = DA(J)+(AB(I,J)—MA(J))* *2
DA(J)=DA(J)/(K1 — 1)
7 SA(J)=SQRT(DA(J))
MB(l)=0.
DB(l)=0.
DO 8 1 = 1,Ki
8 MB(1)=MB(1)+B(I,1)
mb(1)=mb(1)/ki
DO 9 1 = 1,KI
9 DB(1)=DB(1)+(B(I,1)—MB(1))**2
DB(1)=DB(1)/(K1— 1)
SB(1)=SQRT(DB(1))
DO 11 J = 1,K5
KA(J)=0.
KB(J)=0.
DO 10 1 = 1,KI
KA(J)=KA(J)+(AB(I,1)—MA(1))*(AB(I,J)—MA(J))
10 KW(J)=KB(J)+(B(I,1)—MB(1))*(AB(I,J)—MA(J))
KA(J) = KA(J)/((KI — 1) * SA(1) * S A(J)
11 KB(J) = KB(J)/((K1 — 1) *SB(1) *SA(J))
M=0
12 Fl=0.
DO 13 J = 1,K5
13 F1=F1 + (KA(J)—((1.+Z(2))*(2.71828* *(—Z(l)*ABS(TA(J)
P)))-Z(2)))* *2
CALL FIND(Z,M,2,.0001,Fl)
IF(M.NE.2)GO TO 12
WRITE(3,17)Z(1),Z(2),F1
17 FORMAT(1X,’Z1 = ’,E12.5,’Z2=’,E12.5,
♦ ’СУММА КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=’,Е12.5/)
M=0.
290
14 F1=O.
DO 15 J = 1,K5
15 Fl =F1 + (KB(J)—((1 .+R(3)) * (R(1)/(R(1)+(TA(J)-R(2)
P)* *2))— R(3)))* *2
CALL FIND(R,M,3,-0001,Fl)
IF(M.NE.2)GO TO 14
WRITE(3,18)R(1),R(2),R(3),F1
18 FORMAT(1X,’R1 = ’,E12.5,’R2=’,E12.5,’R3=’,
PE 12.5, ’ СУММА KB АДР АТОВ^ОТКЛ ОН EH ИЙ=’, E12.5/)
DO 16 J = I,K5
X1(J,1)=KB(J)
X1(J,2)=KA(J)
X1 (J,3)=(1 .+Z(2))*2.71828* * (—Z(l) * ABS(TA(J)))—Z(2)
16 X1(J,4) = (1. + R(3))*(R(1)/(R(1)+(TA(J)-R(2))* *2))-R(3)
CALL GRAF(X1,K5,4,M2,M3,L4)
M=0
H=0.07 ’
DO 19 J = 1,NT
19 NN(J)=TK(J)/H
20 DO 23 J = 1,N
Y(J) = Y1(J)
23 YO(J)=Y1(J)
Ml=0
T=0.
L = 1
Ll = l
21 CALL MOD(A,Y,F,T,R,Z)
CALL RK(NN,N,F,M1,YO,Y,H,T,GR,L,L1,NT)
IF(M1)22, 21, 21
22 Fl=0. ГИ
DO 24 1 = 1,NT в-
24 F1=F1+(GE(I)— GR(I))* *2
I DO 25 J = 1,N2
25 X(J)=A(J)
CALL FIND(X,M,N2,10E—04,Fl)
DO 26 J=1,N2
26 A(J)=X(J)
IF(M.NE.2)GO TO 20
WRITE(3,27)F1,(A(I),I = 1,N2)
27 FORMATfCYMMA КВАДРАТОВ ОТКЛОНЕНИЙ=
P’E12.5/’ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ A=’
P.6E12.5)
STOP
END
Минимальное значение критерия E равно 24,0123, а соответ-
ствующие ему значения коэффициентов: а« = 33,95; = 10,1; Ь =
= 1,07 и Ф0о — 1»93.
10* 291
Таким образом, объект управления описывается следующим диф-
ференциальным уравнением
33,95х" + 10,1V + х = 1,07г/ (/ — 1,93).
Значения коэффициентов этого уравнения очень близки коэффи-
циентам уравнения из второго варианта курсового проекта.
Дальнейшее выполнение курсового проекта полностью идентично
предыдущему примеру.
Глава VII
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ»
Задание на проектирование
Разработать функциональную схему контроля и автоматического
регулирования теплового режима одной зоны многозонной секцион-
ной печи для термической обработки труб.
Печь отапливают природным газом, давление газа 20 кПа, макси-
мальный расход на печь 1500 м3/ч, максимальный расход на зону
400 м3/ч. Воздух на горение подают под давлением 15 кПа, макси-
мальный расход на зону 4000 м3/ч. Для эвакуации продуктов сгора-
ния используют эксгаустер, разрежение перед эксгаустером 2,8 кПа.
Давление в рабочем пространстве печи 30 Па.
Температура в системе печи, °C
В зонах ................................1400
Перед рекуператором.....................1100
После рекуператора........................ 750
Первой секции рекуператора ............... 800
Горячего воздуха.......................... 300
Перед эксгаустером........................ 400
При проектировании предусмотреть:
1) автоматическую отсечку газа и воздуха к группе горелок зоны
при снижении расхода газа в зоне ниже заданного;
2) автоматический подсос атмосферного воздуха в дымовой боров
перед эксгаустером для снижения температуры продуктов сгорания.
Рассчитать:
1) диафрагму для измерения общего расхода газа на печь;
2) регулирующий орган на газопроводе зоны.
Начертить функциональную схему контроля и регулирования
одной зоны, включив в схему приборы, общие для всей печи.
Функциональная схема контроля
и автоматического регулирования
Gceua контроля я регулирования одной зоны печи изображена на
рис. 116. Основные узлы контроля и регулирования теплового режима
зоны: регулирование температуры рабочего пространства измене-
нием расхода газа на зону; регулирование соотношения газ—воздух
292
изменением расхода воздуха и регулирование давления в рабочем
пространстве изменением положения поворотных шиберов в дымовых
боровах зоны.
|В схему включены общие для всей печи приборы и регуляторы:
измерение расхода газа на печь, давления воздуха, температуры и
разрежения в дымовом борове перед эксгаустером; управление под-
сосом воздуха в боров и разрежением перед эксгаустером.
Аппаратура размещена в шкафах (первичные датчики и местные
приборы) и на щите автоматизации (щите термиста).
Расчет диафрагмы в общем газопроводе
Лист исходных данных
А. Общие данные:
Завод — металлургический.
Цех — трубопрокатный, термическое отделение.
Агрегат — секционная термическая печь.
Объект измерения — расход природного газа на печь.
Среднее барометрическое давление местности р^ — 101 325 Па.
Б. Трубопровод:
Внутренний диаметр О2о = 200 мм.
Материал — Ст 3.
Имеется прямой участок для установки сужающего устройства.
Длина участка + 12 = 4 м, в начале участка установлена пол-
ностью открытая задвижка.
В. Измеряемая среда:
Наименование — природный газ.
Часовой расход — максимальный QHmax = 1500 м3/ч; средний
Qh ср = 800 м3/ч; минимальный QH mln = 600 м3/ч.
Средняя температура t = 20 °C.
Среднее избыточное давление рн = 20 кПа.
Допустимая потеря давления р'П. д =2 кПа.
Средний состав газа —98 % СН4; 0,5 % СаНе; 1,5 % N3; ф = 0.
Расчетный лист
1. Данные для расчета.
А. Сужающее устройство:
Тип — стандартная камерная диафрагма.
Материал — сталь марки Х17.
Поправочный коэффициент на тепловое расширение k’t = 1,00.
Б. Трубопровод:
Поправочный коэффициент на тепловое расширение k’t = 1,00.
Внутренний диаметр D =200-1,00 =200 мм.
В. Измеряемая среда:
Наименование — природный газ.
Расчетный максимальный расход QH п = 1600 м3/ч.
Квадрат отношения расходов
л = (800/1600)2 = 0,25.
293
Рис. 116. Функциональная
схема автоматического кон-
троля и регулирования теп-
лового режима секционной
печи
S6Z
Что
измеряется
Щит
автоматизации
внеититодые
технические
средства
Расход №за
Ра печь
Давление
Температура воздуха после рекуператоров
Разряжение
Температура первой секции рекуператора
Отсечка газа и воздуха
Пмпература дыма
Регулирование температурь/
Расход газа
Температура дыма перед рекуператором
Регулирование давления
в секциях печи Температура
первав секции рекуператора
Регулирование соотношения газ - воздух
Температура напева мета/ма
Температура дыма подле рекуператоров
Регулирование температуры дыма перед эксгаустерам
Разряжение
Дистанционное
управление
дросселем
разряжения перед
эксгаустером
Lr^Bh'®
300'0
-2,8 кЛа
800°С
1100'0
1000'0
М0м3/Ч
1100'0
ЗОЛа
1000'0
800'0.
ОООО м3/ч
800'0
700'0
000'0
-2,8 кПа
1500м3/ч
19 к Ла
10 11 12 13 10 15 № 17 18 10 го
Средняя абсолютная температура
Т = 20 + 273 = 293 К.
Среднее абсолютное давление
р = 20 + 103,3 = 123,3 кПа.
Расчетная допустимая потеря давления
Л-»=2(тетУ=2'278 кПа-
Плотность газа в нормальном состоянии
рн =0,98 0,6679 + 0,005-1,263 + 0,015-1,66 =0,6788 кг/м3.
Коэффициент сжимаемости К = 1,00.
Промежуточная величина
Z = —£—
4 ТК
1,233.10-ь-1,02.10-ь =0>004208
293-1,00
Плотность газа в рабочем состоянии
р = 283,6-0,6788-0,004208 = 0,8100 кг/м3.
Показатель адиабаты х = 1,32.
Динамическая вязкость газа
(1 =1,09-10-8 Па-с.
Г. Дифманометр:
Тип — мембранный бесшкальный.
2. Выбор перепада давления и модуля диафрагму:
Промежуточная величина
r _ i6oo/o7ioo _ 9 4ПЯ
С — 3,553-200»-0,004208
Предварительное значение предельного номинального перепада диф-
манометра
Дрн = 2,5 кПа.
Предварительное значение модуля диафрагмы т" = 0,24.
Число Рейнольдса:
для расчетного расхода
Re = 0,354 =0,354 - 176 500;
для среднего расхода
Recp = 176 500^ = 88 250;
для минимального расхода
Remln= 176 500^ = 66 250;
граничное значение Rerp = 67000.
298
Заключение по числу Рейнольдса: расход во всем рабочем диапазоне
измеряют, не учитывая поправки на влияние вязкости (так как
R^mln Rerp).
Заключение по длине прямых участков: для установки диафрагмы
требуется прямой участок IJD = 13 и l2/D = 6,25, т. е. lr + 1а —
= 19.25D = 3,95 м, что не превышает имеющегося участка.
Окончательное значение предельного номинального перепада дифма-
нометра кри = 2,5 кПа.
Максимальный перепад на диафрагме Др = 2,5 кПа.
= 0,i2fe-^ = 0,005068;
предварительное значение множителя бсР = 0,9975.
, 3,13-2,408 Л 1СОО
та =—;-----т= =0,1523;
0,9975/2500
соответствующее значение модуля т' = 0,2434 и множителя еср =
= 0,9974. '
Уточненное значение
та = 0,1523 = 0,1523;
0,9974
окончательное значение модуля т = 0,2434 и поправочного множи-
теля на расширение еСр = 0,9974.
Потеря давления на диафрагме
рп = 2,5(1 -0,2434) (^)2= 1.685 кПа.
3. Диаметр отверстия диафрагмы:
d = 200 |/ 0,2434 = 98,70 мм;
dao = 98,70/1,00 = 98,70 ± 0,1 мм.
4. Проверка расчета:
Коэффициент расхода а = 0,6256.
Qh. п= 1,13-0,6256-0,9974 (98,70)2-0,004208 = 1599 м3/ч.
Погрешность расчета
б = -160i^o'599- •100 = °’06 % < °-2 % •
lOvU
Расчет поворотной регулирующей заслонки
на газопроводе зоны
Лист исходных данных
А. Общие данные:
Завод — металлургический.
Цех — трубопрокатных, термическое отделение.
Агрегат — секционная термическая речь.
297
Рабочая характеристика заслонки — близкая к линейной.
Б. Трубопровод:
Материал — Ст. 3.
Диаметр D = 100 мм [см. (1)1
Регулируемая среда:
Наименование — природный газ.
Максимальный расход в нормальных условиях Qmax = 400 м3/ч.
Температура t = 20 °C.
Избыточное давление в цеховом коллекторе ри. нач = 20 кПа.
Избыточное давление в рабочем пространстве печи ри. кон « 0.
Средний химический состав: 98 % СН4; 0,5 % С2Нв; 1,5 % Na.
Расчетный лист
1. Данные для расчета:
Расчетный максимальный расход в нормальных условиях
Qh max — 1,15 • 400 = 460 М3/ч.
Абсолютное давление в начале участка »
Риач = 101,325 + 20 = 121,325.кПа.
Абсолютная температура газа
Т = 20 + 273 = 293 К-
2. Передал давления на заслонке при максимальном расходе.
Принимаем, что на заслонке при максимальном расходе теряется
30 % напора
Дрр = 0,3 (20—0) = 6 кПа.
3. Выбор диаметра поворотной заслонки:
Максимальный расход в рабочих условиях
л лсл 101,325 о.
Qmax = 460 п^5 =410 М3/Ч.
Плотность газа в нормальных условиях рн = 0,6788 кг/м3.
Плотность газа в рабочих условиях
р = 0,6788 = 0,765 кг/м3.
Коэффициент расширения е 1.
Эффективное проходное сечение, соответствующее максимальному
расходу по формуле (118):
Принимаем, что максимальному расходу соответствует угол открытия
заслонки фр. 0 = 65°.
Углу открытия 65° соответствует aFIFK == 0,6 (по рис. 57).
Площадь проходного сечения
г,, 0,00091 ЛЛЛ1[-о 2
гу = —— = 0,00152 м .
' и,О
Dy = И 1,27-0,00152 = 0,044 м = 44 мм.
298
Таблица 67. Рабочая характеристика регулирующей заслонки
на газопроводе
Расход газа в нормальных условиях QHi- Перепад давления на заслонке *, Арр кПа Расход газа в рабочих условиях Qf. м’/с aFi 5095е Х X т/”, м« aFi ру Ф. град
0,02 19,7 0,0167 0,76-10-* 0,06 20
0,04 18,6 0,033 1,54-10—* 0,12 30
0,06 16,9 0,051 2,5- IO"* 0,20 39
0,08 14,5 0,067 3,52-Ю"* 0,28 48
0,10 11,6 0,086 5,0-10"* 0,40 56
0,12 7,7 0,105 7,42- IO'* 0,59 64
0,128 6 0,114 9,1-10-* 0,72 70
2
6Я.
Лр1~ри. нач <ри. нач Дрр) I п>
\^н max.
Принимаем/)у = 40 мм (литая регулирующая заслонка ЗМС).
Максимальная площадь проходного сечения
F = = 1260 мм2.
У 4
4. Рабочая характеристика заслонки:
Расчет рабочей характеристики заслонки представлен в табл. 67.
Расход газа, проходящего через неплотности закрытой заслонки
Qh. о = 3л. 0,002 (0.040)2 = 0,0067 м®/с.
Глава VIII
ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
«АВТОМАТИЗАЦИЯ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА»
§ 1. Задание на дипломное проектирование
и содержание дипломного проекта
Цели и задачи дипломного проектирования
Общей целью дипломного проектирования является систематиза-
ция, закрепление и расширение теоретических знаний студентов,
углубленное изучение одной из отраслей специальности в соответст-
вии с темой проекта, развитие навыков самостоятельного решения
инженерных, задач.
Дипломный проект является выпускной работой студентов, на
основе защиты которой Государственная экзаменационная комиссия
299
решает вопрос о присвоении квалификации инженера по автомати-
зации металлургического производства.
Конкретной целью дипломного проектирования является техно-
логическое обоснование и инженерная разработка систем автомати-
ческого управления технологическими процессами и агрегатами чер-
ной и цветной металлургии. При этом должны быть обобщены и ис-
пользованы знания, полученные студентом в процессе обучения.
В частности, знания по общеинженерным дисциплинам; обществен-
ным дисциплинам; технологии металлургического производства;
теплотехнике; электротехнике; специальным дисциплинам; эконо-
мике производства и охране труда и другим.
Общие требования к дипломному проекту должны соответство-
вать квалификационной характеристике специальности.
Задание на дипломное проектирование
Тема дипломного проекта выдается студенту до выезда на предди-
пломную практику.
Темы дипломных проектов должны быть актуальными, по возг
можности близкими к реальным нуждам предприятий, проектных
и исследовательских организаций, на которых студенты работают
(для вечерней формы обучения) или проходят преддипломную прак-
тику.
В состав дипломного проекта обязательно включается исследова-
тельская часть, которую студент самостоятельно выполняет на пред-
приятии, где он работает, или в лаборатории института. В ряде слу-
чаев возможно выполнение дипломной научно-исследовательской
работы.
Задание составляется руководителем проекта и утверждается за-
ведующим кафедрой. Задание на дипломное проектирование должно
ориентировать студента на разработку самых современных средств и
методов автоматического управления металлургическими процес-
сами и агрегатами, на разработку автоматизированных систем упра-
вления с использованием вычислительной (в том числе микропроцес-
сорной) техники.
Задание должно содержать расшифровку темы, объем работы по
разделам и срок окончания и защиты проекта.
Руководители дипломного проекта в соответствии с темой проекта
выдают студентам отдельное задание на практику, разработанное
совместно с преподавателями по экономике и организации производ-
ства и охране труда, по изучению производства и сбору материалов
к дипломному проекту.
Примерное задание на дипломное проектирование по специаль-
ности «Автоматизация металлургического производства» (квалифи-
кация — инженер по автоматизации металлургического производ-
ства):
1. Ф. и. о. студента.
2. Предприятие для прохождения преддипломной практики.
3. Руководитель дипломного проекта.
4. Тема проекта.
300
5. Общие данные для проектирования (мощность, производитель-
ность агрегата и т. д.).
6. Содержание пояснительной записки проекта:
а) общая часть;
б) технологическая часть;
в) исследовательская часть;
г) специальная часть;
д) экономическая часть;
е) охрана труда и окружающей среды.
7. Содержание графической части проекта.
Содержание и объем дипломного проекта
Пояснительная записка дипломного проекта должна содержать сле-
дующие разделы:
Аннотация (реферат). В аннотации кратко излагается
содержание дипломного проекта и подчеркивается наиболее инте-
ресные разработки и решения (аннотация составляется после выпол-
нения дипломного проекта). Желательно составление аннотации на
иностранном языке.
Введение. Во введении определяются цели и задачи диплом-
ного проекта. Приводятся данные о направлении развития отрасли,
освещаются успехи, достигнутые черной или цветной металлургией
и их роль в развитии народного хозяйства СССР и перспективы раз-
вития в свете решений партии и правительства. Во введении харак-
теризуется актуальность задач, поставленных указанными реше-
ниями перед металлургической промышленностью в области внедре-
ния новой техники, совершенствования организации производства,
повышение производительности труда, снижения себестоимости и
повышения качества продукции, охраны окружающей среды и т. д.
Общая часть. В общей части приводятся основные сведе-
ния о составе предприятия и технико-экономические показатели
металлургических процессов и агрегатов. Дается описание цеха и
технологического оборудования.
Технологическая часть. Подробно описывается и
анализируется технология того процесса, для которого осущест-
вляется проект. Дается технико-экономическое обоснование приме-
нения той или иной схемы технологического процесса, при этом долж-
но быть получено уменьшение вредных выбросов в атмосферу и ре-
шены другие вопросы защиты окружающей среды. Производятся
необходимые тепловые и технологические расчеты (тепловые и мате-
риальные балансы, расчет процессов теплопередачи, прочностные и
механические расчеты элементов технологического оборудования,
расчеты электропривода и т. д.). Даются технологические схемы
автоматизированных процессов. Описываются и анализируются аг-
регаты, в которых осуществляется технологический процесс (печи,
электролизеры, автоклавы, прокатные станы и пр.).
В технологической части дипломного проекта целесообразна тео-
ретическая разработка математической модели процесса или его от-
дельных элементов, отражающей физико-химические закономерности
301
технологического процесса. Возможно составление статистических
(стахостических) моделей на основе данных производства, собранных
на преддипломной практике.
На основании анализа требований к производительности агрегата,
качеству продукции и технико-экономическим показателям устанав-
ливаются основные требования к технологическому оборудованию и
системе автоматического управления, разрабатываемой в проекте.
Специальная часть. В начале специальной части
дается литературный обзор отечественных и зарубежных источников
по особенностям технологии и автоматизации данного процесса с ана-
лизом достигнутого уровня автоматизации. На основании анализа
технологических особенностей процесса и конструкции агрегата
разрабатывается общая схема системы автоматического управления
технологическим процессом.
Здесь целесообразно проработать возможность использования
математической модели процесса для целей управления; установить
критерии оптимизации и определить ограничения, налагаемые на
параметры объекта и управления. На основании полученных ре- (
зультатов разрабатываются структурная схема АСУ ТП с использо-
ванием ЭВМ, а также структурная схема алгоритмов расчета по мо-
дели и алгоритмов управления и оптимизации (см. ниже).
Выбор той или иной структуры АСУ ТП должен быть сделан на
основании сравнительного анализа технико-экономических показа-
телей различных систем.
В теоретической части проекта должны использоваться совре-
менные методы идентификации моделей и синтеза АСУ: математиче-
ская статистика, теория автоматического управления, теория опти-
мизации и т. д.
Инженерные расчеты могут включать: расчеты дроссельных ре-
гулирующих органов, измерительных устройств, настроек локаль-
ных регуляторов системы, проверку качества переходных процессов
при выбранных настройках регуляторов (использование критериев
устойчивости, построение переходного процесса), выбор исполни-
тельных механизмов, расчеты электрических схем контроля, управле-
ния и защиты.
В проекте могут быть разработаны некоторые механические узлы
АСУ, например: установка датчиков и исполнительных механизмов,
конструкции и монтажно-коммутационные схемы пультов и щитов,
установка средств охраны труда и защиты агрегатов.
Если возникает необходимость разработки нестандартного обо-
рудования или аппаратуры, то в состав дипломного проекта входит
раздел, посвященный самостоятельной разработке принципов работы
и конструкций этого оборудования, приборов или устройств с их
лабораторным или производственным исследованием.
В ряде случаев в специальную часть включается спецификация
приборов и средств автоматизации, используемых в проекте АСУ.
Инженерные расчеты, выбор оптимальных настроек регуляторов
и других параметров систем должны производиться с использованием
ЭВМ.
302
Исследовательская часть. В каждом дипломном
проекте обязательно выполняется исследовательская часть. В зави-
симости от содержания проекта исследовательская часть может
включать:
а) исследования технологического процесса в производственных
или лабораторных условиях: получение динамических характеристик
объекта управления активными методами или сбор данных нормаль-
ной эксплуатации объекта и получение по ним характеристик объекта
(см. § 3 гл. II);
б) исследования технологического процесса по математической
модели, составленной в технологической части проекта на АВМ или
ЦВМ;
в) исследование спроектированной схемы автоматического упра-
вления на АВМ или ЦВМ.
Исследовательская часть должна включать описание методики
исследования и применяемой аппаратуры.
В зависимости от содержания исследовательской части она мо-
жет располагаться перед специальной частью, в случае эксперимен-
тального исследования характеристик объекта, и после нее в случае
исследования модели технологического процесса или системы авто-
матического управления.
Экономика и организация производства.
Задача всемерного повышения эффективности общественного произ-
водства должна найти применение в каждом дипломном проекте.
В связи с этим в дипломном проекте поставленные вопросы разви-
ваются не только с технической, но и с экономической точки зрения.
Правильная оценка экономической эффективности автоматизации
позволяет наиболее рационально использовать ресурсы, выбрать
наиболее перспективные направления, определять очередность работ
по автоматизации.
При расчетах экономической эффективности капиталовложений
в автоматизацию и обосновании целесообразности их осуществления
обязателен народнохозяйственный подход. Должно быть показано,
что предлагаемое решение эффективно не только в пределах метал-
лургии, но и способствует повышению эффективности всего народ-
ного хозяйства.
Решая задачи, поставленные в дипломном проекте, студент дол-
жен выбрать и экономически обосновать способы и средства автома-
тизации производства и показать путем последовательного расчета,
что внедрение их обеспечивает относительную экономию затрат об-
щественного труда, т. е. что капитальные вложения, необходимые
для осуществления проекта, будут использованы с высокой экономи-
ческой эффективностью.
Для одного и того же объекта автоматического управления могут
быть использованы различные схемы управления, реализация кото-
рых потребует разных контрольно-измерительных приборов и средств
автоматизации, что отразится на стоимости вариантов и текущих
затратах по их обслуживанию. В связи с этим в дипломном проекте
должна найти отражение организация обслуживания металлургиче-
303
ских агрегатов, средств автоматизации в действующем производстве
и изменение численности работающих в результате внедрения разра-
батываемых средств автоматизации.
В свою очередь, автоматизация скажется на технико-экономиче-
ских показателях производственного процесса в целом. Методически
оценка экономической эффективности автоматизации базируется на
общих принципах определения эффективности капиталовложений,
новой техники и научно-исследовательских и проектных работ и
учета специфических особенностей, проявляющихся при функциони-
ровании систем автоматизации в металлургическом производстве.
К числу основных факторов, определяющих эффект от автоматизации,
относятся: улучшение и стабилизация качества продукции, экономия
средств производства, рост производительности агрегатов, повыше-
ние производительности труда и улучшение использования трудовых
ресурсов и др.
Охрана труда и окружающей среды. Преду-
сматривает выполнение в разрабатываемом проекте требований тех-
нических условий, правил и норм по охране труда и использование
новой техники для улучшения условий труда.
Включает инженерную разработку мер защиты от конкретной
опасности (вредности) или разработку технических средств обеспече-
ния безопасности одного из участков цеха-(агрегата) в соответствии
с заданием по специальной части проекта.
Приводятся показатели социального характера, связанные с охра-
ной труда и окружающей среды:
а) улучшение условий труда: степень механизации, степень авто-
матизации, степень безопасности и безвредности;
б) параметры производственной среды: микроклиматические ус-
ловия — температура, влажность, скорость движения воздуха, чи-
стота воздуха; уровни шума и вибрации; степень очистки сточных
вод и отходящих газов;
в) улучшение санитарно-бытового обеспечения;
г) степень озеленения территории предприятия (цеха) и уровень
технической эстетики;
д) параметры пожарной безопасности: категория пожарной опас-
ности производства, степень огнестойкости здания, наличие и тип
систем пожаротушения, система пожарного водоснабжения.
Графическая часть. Дипломный проект может со-
держать следующие чертежи и схемы:
а) общий вид агрегата — 1—2 листа;
б) функциональная схема контроля и управления — 1—2 листа;
в) принципиальные схемы контроля, сигнализации и управле-
ния — 1—2 листа;
г) электрические схемы питания — 1 лист;
д) монтажный чертеж расположения и установки оборудования,
чертеж кабельных и трубных проводок — 1 лист;
е) чертеж установки первичных датчиков — 1 лист;
ж) структурные схемы систем управления — 1 лист;
з) принципиальные схемы технологической защиты — 1 лист;
304
и) уравнения математической модели процесса — 1—2 листа;
к) структурные схемы алгоритмов расчета и управления — 1—2
листа;
л) структурные схемы моделирования системы управления на
АВМ — 1 лист.
м) графики к расчету локальных систем управления и проверке
качества переходных процессов — 1 лист;
н) таблица экономической эффективности разработанной системы
управления — 1 лист.
Оформление дипломного проекта
Примерное распределение материала по разделам:
Пояснитель-
ная записка,
Графическая
часть,
% стр. ЛИСТЫ
Аннотация 1 —.
Введение — 1—2 —-
Общая часть 10 8—10 —
Технологическая часть 20 15—20 2—3
Специальная часть 30 25—30 3—4
Исследовательская часть 15 10—15 1—2
Экономика и организация производства 15 10—15 1
Охрана труда и окружающей среды . . . 10 8—10 1
Всего
100 80—100 8—9
Общий объем расчетно-пояснительной записки не должен превы-
шать 100 страниц машинописного текста (через два интервала). При
перепечатке через 1,5 интервала количество страниц сокращается до
70—75. В пояснительную записку вставляются схемы, рисунки и диа-
граммы.
Рекомендуется следующее размещение материалов записки:
1. Титульный лист.
2. Дипломное задание.
3. Оглавление.
4. Аннотация.
5. Введение.
6. Разделы в приведенной выше последовательности.
7. Список литературных источников.
8. Приложения к проекту.
Титульный лист составляется в соответствии с формой, принятой
в институте, и подписывается автором проекта, руководителем и
консультантами проекта, заведующим кафедрой.
Оформление дипломных проектов должно соответствовать тре-
бованиям Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).
На страницах аннотации, введения и начале других разделов и
глав должны быть выполнены рамки штампы в соответствии с ЕСКД
305
7 10
23
15 10
Рис. П7. Образцы штампов к пояснительной записке (а) и чертежам (б) дипломного проекта:
ЛЛ4Ф — сокращенное название факультета автоматизации и механизации металлургического
производства; АО76 — индекс студенческой группы; ДЛ — дипломный проект; ИЗ — пояс*
нительная записка; ВО — вид общий; АМП — сокращенное. название кафедры автомати-
зации металлургических процессов
(рис. 117, а). На остальных страницах выполняются только
рамки.
Все чертежи выполняются в соответствии с ЕСКД с формой
штампов, приведенной на рис. 117, б.
§ 2. Сбор материалов для дипломного проектирования
Ниже приведен примерный перечень производственных материалов,
которые необходимо собрать во время преддипломной практики:
а) описание конструкции и чертежи общего вида агрегата;
б) описание технологии, для которой предназначен агрегат
(технологические инструкции);
в) описание тепловой работы агрегата (теплотехнические ин-
струкции);
г) статические и динамические характеристики агрегата (жела-
тельно получить экспериментальным путем), необходимые для
выбора и расчета регуляторов; статистические данные нормальной
эксплуатации объекта управления, в случае пассивных методов
определения динамических характеристик;
д) данные о расходе, давлении, температуре, составе жидких и
газообразных сред, подводимых к агрегату;
306
Положения инструкции
Выводы
Таблица 68. Порядок изучения й обработки «Технологической
инструкции по доменному производству»
1. Контроль качества поступающих шихто-
вых материалов необходим для обеспечения
ровного хода доменных печей:
В рудах нормируют: содержание железа (не
менее), нерастворимого остатка (не более),
кремнезема (не более), фосфора (не более),
содержание кусков размером выше 10 мм
(не менее), предельную крупность куска.
В агломерате нормируют: содержание железа
(не менее), допустимые отклонения от базис-
ной основности, содержание FeO (не менее),
MnO, MgO; прочность — барабанное число
(не более), содержание мелочи (не более).
В окатышах нормируют: содержание железа,
основность (СаО MgO)/SiO2 фракционный
состав, предел прочности на сжатие, кг/ока-
тыш (не менее).
В известняке нормируют: содержание СаО +
+ MgO (не менее), фосфора (не более), не-
растворимого остатка (не более), кускова-
тость.
В коксе нормируют: влажность (не более),
зольность (не более), содержание серы (не
более), выход летучих (не более), прочность,
фракционный состав (содержание кусков
<25 мм не более).
ОТК производит контрольные опробования
всех поступающих в цех материалов.
Опускание уровня материалов в шихтовых
бункерах ниже 1/2 их объема недопустимо.
2, За правильностью набора н взвешивания
кокса наблюдает машинист вагон-весов, ма-
стер печи и мастер загрузки.
Шихту в скипах поливают водой в течение
3—8 с. К°кс поливают при повышении тем-
пературы колошникового газа до 500 °C
3. Разность давлений под большим конусом
и в межконусном пространстве перед опуска-
нием большого конуса должна быть не более
15 кПа. Перед опусканием малого конуса
давление в межконусном пространстве долж-
но быть не более 20 кПа. Для выравнивания
давления применяют получистый газ н пар
1. Желателен автоматический кон-
троль:
а) содержания железа в руде, агло-
мерате и окатышах;
б) зольности и влажности кокса;
в) уровня шихты в бункерах (с
сигнализацией);
г) фракционного состава шихто-
вых материалов и др.
2. Необходимы: контроль н автома-
тическое управление набором н
взвешиванием кокса, контроль вре-
мени поливки и расхода воды, ав-
томатизации поливки кокса по сиг-
налу «температура колошника выше
заданной»
3. Необходим контроль разности
давлений на большом и малом ко-
нусах, в схемах управления лебед-
ками конусов необходимы сигна-
лизаторы разности давлений. Же-
лательно контролировать подачу
газа и пара в межконусное простран-
ство (как минимум — давление и
расход пара)
307
Продолжение табл. 68
Положения инструкции
Выводы
4. Регулирование теплового состояния печи
изменением рудной нагрузки осуществляют
изменением расхода кокса в подачу: при из-
менении температуры дутья на 100 К изме-
няют расход кокса на 2—3%; изменение
влажности дутья на 10 г/м3 требует измене-
ния расхода кокса на 2 % и т. д.
Изменение расхода природного газа должно
сопровождаться опережающим (на 3—4 ч)
изменением рудной нагрузки (1 м3 газа за-
меняет 0,6—0,7 кг кокса)
5. При увеличении расхода кислорода на
печь расход природного газа увеличивается
из расчета 0,5—0,6 м3 на 1 м3 О2. Расход
дутья необходимо сокращать на 1,1 % на 1 %
увеличения содержания О2 в дутье. Для по-
вышения содержания кислорода в дутье на
1 % требуется 13 м3 технического кислорода
(О2 = 96 %) на каждые 1000 м3 дутья
6. Давление газа на колошнике 0,12—
0,25 МПа. Температура колошникового газа
150—400 °C. Перепад давления между фур-
мами и колошником 0,12—0,16 МПа. Верх-
ний перепад давлений (шахта — колошник)
составляет 30—35 % от общего перепада
(фурмы — колошник). Температура 1450—
1550 °C
7. Наиболее экономичной является система
загрузки ААК.К, но вследствие недостаточ-
ной газопроницаемости столба шихты эту
систему применяют в цикле с системой КААК
(А — агломерат, окатыши; К — кокс). Для
ликвидации канального хода, перекоса по-
верхности засыпи, неравномерности распре-
деления газа по окружности печи изменяют
порядок работы вращающегося распредели-
теля
8. Давление горячего дутья может изменяться
не более, чем на 5 кПа. Температура дутья
может отклоняться от заданной не более, чем
на ±50 К во время перевода воздухонагре-
вателей. Температуры колошникового газа
по газоотводам могут отличаться на 50—
60 К. Температура периферийного газа, из-
меряемая термопарами под защитными сег-
ментами, не должна быть выше 800 °C, а раз-
ница между показаниями отдельных термо-
пар не должна быть более 100 К- Состав ко-
лошникового газа: 23—27 % СО, 16—20 %
СО2, 8-12 % Н2
4. Необходима гибкая система ди-
станционного управления количе-
ством кокса в подаче. Систему уп-
равления можно автоматизировать,
если в качестве командных сигна-
лов использовать температуру и
влажность горячего дутья, расход
природного газа на печь
5. Контроль расхода н содержания
кислорода в дутье может быт> ис-
пользован для автоматической! кор-
ректировки расходов дутья н при-
родного газа
6. Эти указания используют при
проектировании соответствующих
схем контроля для выбора прибо-
ров, сигнализаторов и другой аппа-
ратуры, пределов измерения н шкал
приборов ,
7. Указаны входные воздействия и
результаты их действия на ход пе-
чи. Этн указания могут быть ис-
пользованы при разработке системы
автоматизации загрузки материа-
лов (управление ходом печи «свер-
ху»).
8. Величины параметров и нх до-
пустимые отклонения следует ис-
пользовать при выборе аппаратуры
и расчете настроек регуляторов.
308
Продолжение табл. 6S
Положения инструкции
Выводы
9. Разогрев печи сопровождается следующн-
ми признаками: давление дутья возрастает
вместе с увеличением частных перепадов;
замедляется срабатывание подач, на зондо-
вых диафрагмах появляются подстои; тем-
пература колошниковых газов и периферии
повышается; увеличивается разброс точек
на диафрагме температуры колошникового
газа по газоотводам; физический нагрев про-
дуктов плавки повышается; фурмы светятся
ярка. Похолодание печи сопровождается об-
ратными явлениями.
При развитии нежелательного периферийно-
го хода резко снижается содержание СО2
в колошниковом газе и увеличивается кон-
центрация Н2. ।
Канальный ход печи характеризуется нерав-
номерным распределением температуры и со-
держания СО2 в газе в различных точках
сечения колошника, неравномерным распре-
делением дутья по фурмам и др.
9. Описаны признаки, по которым
обслуживающий персонал судит о
ходе печи и принимает меры в слу-
чае необходимости. Все эти приз-
наки должны являться объектами
автоматического контроля (темпе-
ратура фурм и чугуна, температура
и состав газа и др.). Обзор действий
персонала по ликвидации наруше-
ний хода печи может явиться осно-
вой при проектировании системы
автоматического управления ходом
печи (изменение количества кокса
в подаче, распределение дутья и
природного газа по фурмам и др.).
е) параметры трубопроводов (размеры, местные сопротивления
и др.), необходимые для расчета сужающих устройств и регулиру-
ющих органов;
ж) описание системы автоматического контроля и регулирования
агрегата;
з) функциональную схему контроля и регулирования агрегата,
принципиальные схемы узлов регулирования, чертежи установки
датчиков, регулирующих органов и другие чертежи, необходимые
для выполнения графической части проекта;
и) материалы по специальной части дипломного проекта;
к) технико-экономические показатели работы агрегата, необхо-
димые для расчета экономической эффективности системы автомати-
ческого регулирования;
л) структуру участка цеха КИП и автоматики; организацию
обслуживания и ремонта контрольно-измерительной и регулиру-
ющей аппаратуры;
м) данные по охране труда, связанные с безопасным обслужива-
нием системы контроля и регулирования.
Знакомство с особенностями теплового и технологического ре-
жимов автоматизируемого агрегата начинают с изучения соответ-
ствующих теплотехнических и технологических инструкций. При
изучении инструкций и знакомстве с агрегатом в производственных
условиях необходимо выявить основные параметры процесса, опре-
деляющие его производительность и экономичность, сохранность и
долговечность агрегата, безопасность труда обслуживающего персо-
309
нала. Контролю и автоматическому регулированию этих параметров
должно быть уделено основное внимание в дипломном проекте.
Порядок работы с инструкцией на примере «Технологической
инструкции по доменному производству» рассмотрен в табл. 68.
Инструкция содержит большой объем сведений, необходимых
при составлении технического задания на проектирование системы
контроля, сигнализации и автоматического регулирования домен-
ной печи.
Как показано в гл. II, расчету сужающих устройств для изме-
рения расхода и регулирующих органов предшествует заполнение
листов исходных данных. Эти исходные данные могут быть получены
частично из соответствующих инструкций, частично — путем на-
блюдений и измерений на агрегате (длины, диаметры, местные Со-
противления и конфигурация трубопроводов; максимальные, сред-
ние и минимальные расходы; параметры измеряемой и регулируемой
среды; допустимые потери давления и др.).
§ 3. Анализ технологического процесса
с целью выбора выходных переменных
и управляющих воздействий
При разработке автоматической системы управления металлурги-
ческим процессом одним из важнейших этапов процесса синтеза
системы является анализ металлургического процесса как объекта
управления, т. е. выявление структуры процесса, определение вход-
ных и выходных переменных, нахождение математических зависи-
мостей между входными и выходными переменными, описывающих
поведение металлургического процесса.
Заметим, что всякий металлургический процесс предназначен
для изменения физических или физико-химических свойств пода-
ваемого в металлургический агрегат материального потока с затра-
той на это определенного количества энергии, зависящего от кон-
структивных и технологических особенностей агрегата. Поэтому
для любого металлургического процесса можно определить вход-
ной материальный поток, свойства которого изменяются в данном
процессе, и выходной материальный поток — результат обработки
входного материального потока. Для осуществления металлургиче-
ского процесса в агрегат подводится энергия — входной энергети-
ческий поток. Выходной энергетический поток отождествляется
с отводимой из агрегата энергией выходных продуктов или физико-
химических изменений материальных потоков.
Состояние входных материальных н энергетических потоков
характеризуется некоторой совокупностью входных переменных,
например, величина потока (расходы вещества, энергии и т. д.),
содержание отдельных компонентов, давления, парциальные давле-
ния и т. д.
Входные переменные можно классифицировать следующим об-
разом:
310
Рис. II8. Структурная схема объ-
екта управления
управляющие входные переменные Ut (управляющие воздей-
ствия или просто управления) — те, которые можно изменять до-
биваясь определенной цели, например, заданных характеристик
металлургических продуктов;
неуправляемые входные переменные (возмущающие воздей-
ствия) — те, которые невозможно изменять каким-либо образом.
Неуправляемые входные переменные подразделяются на кон-
тролируемые Zi (это те, о численных значениях которых в любой
момент или в дискретные моменты времени может быть получена
информация с помощью тех или иных
приборов и методов) и неконтролиру-
емые ti (это те, информация о числен-
ных значениях которых недоступна).
Состояние выходных материалов и
энергетических потоков характеризует-
ся также некоторой совокупностью вы-
ходных переменных (управляемых вели-
чин) Xi зависящих от входных перемен-
ных, как управляющих Uit так и возмущающих гг и & воздействий.
К выходным переменным относятся такие, как количества выход-
ных материальных и энергетических потоков, содержание отдель-
ных компонентов, температура, давление в агрегате и т. д.
Часто в литературе употребляют понятие режимных переменных,
характеризующих режим протекания металлургического процесса
(температура, давление и т. д.). Режимные переменные, как и вы-
ходные, зависят от входных переменных. Поэтому они относятся
к группе выходных переменных.
Структура металлургического процесса как объекта управления
представлена на рис. 118. Стрелками обычно показывается взаимо-
связь выходных и входных переменных (управляющих и возмуща-
ющих воздействий).
При анализе металлургического процесса как объекта управле-
ния проводится классификация входных и выходных переменных и
выясняется качественно взаимосвязь между ними на основе априор-
ных сведений о процессе. После этого можно перейти к количествен-
ным характеристикам статических и динамических свойств объекта
управления. Для этого необходимо получить математическое описа-
ние объекта управления.
Поскольку металлургические процессы обычно являются много-
мерными (многосвязными) объектами управления, для которых
характерно то, что одна и та же входная переменная может влиять
одновременно на несколько входных переменных. Поэтому перед
разработчиком автоматической системы управления стоит задача
выбора управляющих воздействий соответственно для каждой вы-
ходной переменной. При этом могут возникать следующие случаи:
а) числа управляющих воздействий и выходных переменных
равны, т. е. для каждой выходной переменной можно выделить одно,
соответствующее ей, управляющее воздействие. Выбор управля-
ющего воздействия должен основываться на статической и динамиче-
311
ской характеристке рассматриваемого канала управления. Следует
стремиться выбрать такое управляющее воздействие, для которого
величина коэффициента усиления максимальна среди всех управля-
ющих воздействий, влияющих на рассматриваемую выходную пере-
менную, а отношение времени запаздывания к постоянной времени
минимально. В этом случае создаваемая автоматическая система
управления будет работать эффективно;
б) число управляющих воздействий больше числа выходных
переменных. В этом случае для каждой выходной переменной вы-
бираем соответствующее управляющее воздействие так же, как и
ранее. Неиспользованные управляющие воздействия целесообразно
стабилизировать на определенном оптимальном для всего процесса
уровне;
в) число управляющих воздействий меньше числа выходных
переменных. В этом случае для управления выбирают наиболее
важные для протекания технологического процесса выходные пере-
менные, для которых ставятся в соответствие управляющие воздей-
ствия с учетом статических и динамических свойств объекта управле-
ния. Оставшиеся выходные переменные используются для контроля
хода металлургического процесса и корректировки задающих
воздействий построенным автоматическим системам регулиро-
вания.
Следует отметить, что выбор управляющих воздействий на прак-
тике часто определяется физической природой входных и выходных
переменных. Например, для регулирования температуры целесо-
образно выбирать в качестве управляющего воздействия расход
топлива, а для регулирования концентрации отдельных компонен-
тов — расходы соответствующих материальных потоков и т. д.
Подчеркнем, что правильное определение структуры металлурги-
ческого процесса как объекта управления и оптимальный выбор
управляющих воздействий является основой успешного решения
задач синтеза математической модели процесса и оптимального управ-
ления им.
§ 4. Методы и примеры построения математических моделей
металлургических процессов
Под математической моделью будем понимать некоторую систему
уравнений, связывающую входные и выходные переменные метал-
лургического процесса (объекта управления), решения которых
аналогичны поведению объекта управления при одних и тех же
значениях входных переменных.
Математическое’моделирование основано на следующем посту-
лате: две системы, описывающиеся одними и теми же уравнениями
с одинаковыми коэффициентами и граничными и краевыми усло-
виями, подобны при условии единственности решения.
Рассмотрим несколько подробнее этот постулат. В нем утвер-
ждается, что модель, полученная исследователем, будет в том случае
моделью объекта, если структуры уравнений модели и моделируе-
312
мого объекта одинаковы и коэффициенты в них равны. Очевидно,
что из этого следуют две задачи, стоящие перед исследователем:
а) синтез структуры уравнений модели, наиболее близкой к
структуре моделируемого объекта управления;
б) определение коэффициентов (параметров) модели, обеспечи-
вающее минимизацию расхождений поведения модели и объекта
(эта задача рассматривалась в § 3 гл. II).
Ясно, что синтез структуры уравнений объекта определяется
уровнем априорной информации о физических и физико-химических
закономерностях моделируемого металлургического процесса. В за-
висимости от меры использования априорной информации различают
три типа методов построения математических моделей:
1) экспериментальные («черного ящика»);
2) аналитический («белого ящика»);
3) аналитико-экспериментальные («серого ящика»).
Рассмотрим подробнее характеристики и области применения
этих методов.
?
Экспериментальные методы построения
математических моделей
При применении этих методов используется минимальная информа-
ция о моделируемом объекте управления. Рассматривается только
структура объекта и входные и выходные переменные (нет необходи-
мости изучать физические и физико-химические закономерности
процесса).
При построении математических моделей регистрируются вход-
ные и выходные переменные на реальном металлургическом про-
цессе, а затем, используя полученную таким образом информацию,
выводят уравнения, связывающие входные и выходные переменные.
Достоинства экспериментальных методов:
I) возможность их применения при минимальной информации
о моделируемом металлургическом процессе;
2) возможность их использования при случайном характере
изменения входных и выходных переменных, когда их количествен-
ной мерой являются числовые характеристики случайных величин
(математические ожидания, дисперсии, корреляционные функции
и т. д.).
Основные недостатки этих методов:
1. Необходимость проведения достаточно большого числа экспе-
риментальных исследований на реальном процессе, что приводит
к большим затратам.
2. Полученные уравнения справедливы только в том диапазоне
значений входных и выходных переменных, которые рассматривались
(экспериментально получены) при получении этих уравнений. Полу-
ченные экспериментальными методами математические модели не
допускают экстраполяции за пределы исследованных областей
изменений входных и выходных переменных. А это резко сужает
возможность использования этих математических моделей для ре-
шения оптимизационных задач.
313
Экспериментальные методы можно разделить на две большие
группы:
1. Активные, когда регистрируются изменения выходных пере-
менных металлургического процесса как реакцию на типовые воз-
мущения по одному или нескольким каналам управления (см. § 3
гл. II).
2. Пассивные, когда регистрируются случайные колебания вход-
ных и выходных переменных металлургического процесса в окрест-
ности некоторого номинального режима (режим нормальной экс-
плуатации). Такие колебания носят случайный характер, поэтому
математическое описание процесса находится статическими мето-
дами.
Пассивные методы по сравнению с активными обладают тем
существенным преимуществом, что не связаны с выводом металлур-
гического процесса из режима нормальной эксплуатации и, следо-
вательно, с риском получить брак, потерять производительность,
создать аварийную ситуацию.
Среди пассивных методов можно выделить методы регрессионного'
анализа и статистической динамики. Методы статистической дина-
мики, основанные на известном уравнении Винера—Хинчина,
позволяют получить математическую модель процесса в виде ли-
нейных дифференциальных уравнений (см. § 3 гл. II).
Методы регрессионного анализа нашли широкое применение
при создании математических моделей металлургических процессов
вследствие относительной простоты используемого математического
аппарата.
Регрессионный анализ — это метод построения математической
модели объекта управления, наиболее соответствующий набору
экспериментальных данных, полученных в режиме нормальной
эксплуатации. Под наилучшим соответствием понимается, что функ-
ция ошибки, являющаяся показателем разности между результа-
тами модели и экспериментальными данными, минимизируется.
Такой функцией ошибки обычно служит сумма квадратов отклоне-
ний (разностей между экспериментальными данными и величинами,
предсказанными в модели). Это процесс называется синтезом экс-
периментальных формул по методу наименьших квадратов.
Рассмотрим построение линейной регрессионной модели. Пусть
имеем п выборок экспериментальных данных (xlt У1)(х2, у%) . . . (хп,
уп), где yi и Х[ — значения входных и выходных переменных в соот-
ветствующие моменты времени. Следует отметить, что моменты вре-
мени, в которые регистрируются значения входных yi и выходных
переменных xt не обязательно должны совпадать. Они могут отли-
чаться на время, так называемого, переходного запаздывания, опре-
деляемого величиной смещения максимума взаимно-корреляцион-
ной функции относительно начала координат. Допустим, что мате-
матическая модель может быть записана в виде уравнения прямой
(130)
где — оценки выходной переменной, даваемые уравнением (130).
314
Обратим внимание на то, что первый шаг в решении задачи заклю-
чается в выборе структуры математической модели (в данном слу-
чае— линейное алгебраическое уравнение). Определение коэффи-
циентов уравнения (130) становится следующей задачей. Но в экс-
периментальных методах выбор структуры не связан с физическими
и физико-химическими закономерностями моделируемого процесса.
Это и не позволяет использовать получаемую модель для экстра-
поляции выходных переменных за пределы использованных при
построении модели диапазонов изменения входных и выходных
переменных.
Требуется получить такие значения коэффициентов и alt при
которых сумма квадратов ошибок будет минимальной.
Обозначим х/ — Од -J- ад/.
Тогда величины ошибок равны — х, — а0 + aryi — х(,
а функция ошибки Е запишется как
п п
Е= Е е? = S (Оо + аху{ — хх)\
i=i 1=1 *
Условием минимума выражения (131) является
~ = 0, = 0,
da,, dat
ИЛИ
п п
S (а°+-х,)2=2 {а°+-Хг)2=
1=1 1=1
п / П П \
= У 2 (Оо + atyi - Xi) = 2 I /га0 + ахУ yt - У xt I = 0.
i=l \ i=\ /
Откуда имеем
(n \ n
E yt bi = E
4=1 / 4=1
Аналогично,
= E^ + 2atE^-2E^ = 0
aal i=l i=l £=1
ИЛИ
(n \ / n \ n
E^ao+E^«i = E xtyt.
ra / v-i / «-I
(131)
(132)
(133)
316
Решая систему уравнений (132) и (133) относительно коэффи-
циентов а0 и а1; получим
п п п п
S хс S у} - S Vi S ytxi
ъ = ------1~1п~ ; (134)
n S у21 - S
t=i 4=1 /
п п п
П U xlVi — S Xi S У1
- (135)
nt> у2 * * S &- S «и
i=l \z=i /
Обычно, мерой ошибки регрессионной модели служит стандарт-
ное (среднеквадратичное) отклонение о, определяемое- по формуле
(п \1/2 / п \ 1/2 1
S е? | / S («о + Я1У1 — xt)2 \
^у-1—п-2-------------J • (136>
Для случайных процессов, подчиненных нормальному закону
распределения приблизительно 66 % точек находится в пределах
одного стандартного отклонения от предсказываемых моделью зна-
чений и 95 % точек — в пределах двух стандартных отклонений.
Стандартное отклонение — весьма важный показатель достовер-
ности модели. Большое его значение означает, что модель не соот-
ветствует реальному процессу и необходимо переходить к модели
другого вида (полиномы более высокого порядка).
Очень важно установить достоверность полученной математиче-
ской модели, так как требуется установить является ли гипотеза
(структура уравнений), положенная в основу регрессионной модели,
достаточно правильной для предсказания выходных переменных
(но не выходя из рассмотренного диапазона их изменения) и какая
степень точности может придаваться оценкам по регрессионной мо-
дели. Методика проверки достоверности модели была разработана
Фишером. Метод позволяет отличать эффекты, которые могут быть
объяснены случайными факторами, от эффектов вызванных изме-
нением входных переменных. Регрессионная модель по методике
Фишера рассматривается как некоторая гипотеза, основанная на
некоторой совокупности экспериментальных данных. Методика Фи-
шера определяет правильность сопоставления данной гипотезы с вы-
боркой экспериментальных данных, что позволяет установить не-
приемлемость гипотезы, если она маловероятна.
Математическая модель множественной линейной регрессии за-
писывается в виде
& = ао + S а}У1- (137)
316
В этом случае необходимо найти такие значения коэффициентов
п
а0, аг . . . ат, при которых сумма квадратов ошибок Е = У, (£г —
— хг)г была бы минимальной.
В тех случаях, когда линейные модели непригодны, например
по критерию Фишера, необходимо переходить к более сложным мо-
делям, в частности полиномиальным более высокого порядка.
Однако следует иметь в виду, что целесообразно воздерживаться
от использования полиномов высоких степеней в качестве регрессион-
ных моделей (особенно выше третьей степени). Хотя использование
полиномов высоких степеней может дать модель процесса, хорошо
согласующуюся с экспериментальными данными, форма кривой
иногда может ввести в заблуждение, так как полиномы высоких
степеней имеют тенденцию описывать колебания кривой, т. е. да-
вать частные «провалы» и «выбросы».
Ниже рассмотрим некоторые типы регрессионных уравнений
более высокого порядка, которые легко преобразуются в линейные,
что позволяет использовать Стандартные матричные операции для
определения значений коэффициентов.
Полиномиальная модель второго порядка
т т т
* = S + S S о-аУгУ)
i=\ Z=1 j=\
сводится к линейной замене переменных yt = Zt и у,у} = zijt т. е.
т гп т
* = S + S S а«гц.
/=1 i=i /=1
Мультипликативная регрессионная модель вида
сводится к линейной, если ее прологарифмировать и ввести новые
переменные In х = u, In yt — ziy In a0 = a0:
k
tt = aQ + S UiZi-
1=1
Экспоненциальная регрессионная модель
& = exp (a0 + ainym)
путем логарифмирования также сводится к линейной модели
In * = а0 ад + . . . + атут.
Аналитические методы построения
математических моделей
Аналитические методы построения математических моделей метал-
лургических процессов основаны на теоретическом анализе протека-
ющих физических (физико-химических, гидродинамических, тепло-
массообменных и др.) процессов. При построении математических
317
моделей учитывают свойства веществ, конструктивные особенности
аппаратов, в которых протекают моделируемые металлургические
процессы.
Существенной особенностью аналитических методов построения
математических моделей является отсутствие необходимости прове-
дения экспериментальных исследований металлургического про-
цесса как объекта управления. Следовательно, при построении мате-
матической модели должна иметься полная априорная информация.
Аналитические методы включают два этапа: :-
1. Синтез основных математических соотношений (уравнения,
логические зависимости и т. д.).
2. Получение условий однозначности.
Синтез основных математических соотношений основан на зна-
нии фундаментальных законов сохранения массы и энергии, которые
в частных случаях принимают вид уравнений: материального и
энергетического балансов, гидро- (аэро-) динамики, химических
взаимодействий, теплообмена, массообмена. „
Общие уравнения, описывающие металлургические процессы, не
определяют конкретные свойства протекающего процесса. Мате-
матически это связано с неединственностью решения соответству-
ющих уравнений. Среди всего полученного множества решений не-
обходимо выбрать одно, соответствующее определенной конкретной
задаче. Для этого требуются дополнительные данные, которые не
содержатся в исходных функциональных уравнениях. Иначе говоря,
исходные дифференциальные уравнения необходимо дополнить не-
которыми условиями, гарантирующими единственность решения
задачи. К ним относятся:
геометрические условия, характеризующие форму и размер тела,
в котором протекает моделируемый процесс;
физико-химические условия, характеризующие физические и
химические свойства вещества;
коэффициенты, характеризующие свойства вещества (плотность,
вязкость, теплоемкость и т. д.);
коэффициенты, характеризующие протекание химических взаимо-
действий (константы скорости реакций, константы равновесий и т. д.);
коэффициенты, характеризующие тепло-массоперенос (коэффи-
циенты тепло-массообмена, диффузия и т. д.);
граничные условия, характеризующие особенности взаимодей-
ствия с окружающей средой;
начальные условия, характеризующие состояние объекта управле-
ния в начальный момент времени.
Аналитические методы построения математических моделей имеют
следующие достоинства:
1) позволяют изучить статические и динамические особенности
проектируемого (несуществующего) металлургического процесса на
основе проектной документации;
2) устанавливают связи между поведением объекта и его кон-
структивными параметрами, что позволяет получить оптимальную
конструкцию^аппарата;
318
3) отражают свойства объекта в широком диапазоне изменения
входных и выходных переменных, что делает возможным определить
оптимальные режимы и синтезировать систему оптимального управ-
ления еще на стадии проектирования.
При этом они имеют ряд недостатков, резко снижающих возмож-
ность их использования:
1) требуют большой, если не сказать полный, объем априорной
информации о физических и физико-химических закономерностях
протекания моделируемого процесса, что практически невозможно;
2) не существует общих формальных методов построения моделей.
Аналитико-экспериментальные методы построения
математических моделей
Аналитико-экспериментальные методы являются комбинацией ана-
литических и экспериментальных методов. Структура уравнений,
составляющих математическую модель объекта, создается анали-
тическими методами, а условия однозначности, иначе говоря коэф-
фициенты уравнений (параметры модели) определяются на основе
экспериментальных исследований.
Аналитико-экспериментальные методы содержат следующие
этапы:
1. Создание структуры уравнений математической модели объекта.
2. Проведение экспериментальных исследований объекта.
3. Обработка результатов экспериментальных исследований и
определение параметров математической модели объекта.
Аналитико-экспериментальные методы используют достоинства
аналитических и экспериментальных методов. Поскольку структура
уравнений математических моделей синтезируется на основе априор-
ной информации о физических и физико-химических закономерно-
стях протекания моделируемого процесса, а параметры модели опре-
деляются на основе экспериментальных исследований, то полученная
таким образом математическая модель процесса является адекват-
ной в широком диапазоне изменения входных и выходных перемен-
ных (и более точной) и поэтому она может быть использована для
решения оптимизационных задач.
Металлургические процессы с точки зрения их математического
описания можно разделить на объекты с сосредоточенными и распре-
деленными параметрами.
Процессы, у которых описывающие их поведение переменные
изменяются во времени и пространстве, относятся к объектам с рас-
пределенными параметрами и описываются дифференциальными
уравнениями в частных производных.
Процессы, у которых описывающие их поведение переменные
изменяются только во времени и не зависят от пространственных
координат, относятся к объектам с сосредоточенными параметрами и
описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Рассмотрим синтез структур математических моделей металлур-
гических процессов с сосредоточенными параметрами. Синтез ма-
тематических моделей основан на дифференциальных уравнениях
819
вается ограничений, то его оптимальное значение равно U*. Но
если управление U ограничено, например, с U < то как
видно из рис. 119, оптимальным будет граничное значение U2 и
критерий оптимальности не достигает своего минимального (экстре-
мального значения). Если U2 > U*, то оптимальное решение клас-
сической и неклассической задач совпадает.
Поэтому классические и неклассические задачи, в общем случае,
решаются разными методами.
Для задач статической оптимизации существует стандартная
форма задачи нелинейного программирования:
найти такие управления (Ult . . Un), дающие минимум кри-
Рис. 119. Зависимость критерия оп-
тимальности от управления
оптимизации, классической
терия оптимальности
G(U) = 0(1^ . . . Un) (173)
при ограничениях
ht (t/i... t7n) < 0; i = 1, (174)
hi (Ui... Un) = 0; i — mi -f- 1, ’ .., m;
m<n; (175)
U} 0; j = 1, . . . n.
Ограничения (175) обычно являют-
ся математической моделью объекта
управления. Эта неклассическая задача
она станет, если выражение (174) от-
сутствует.
Задача статической оптимизации (173)—(175) является задачей
нелинейного программирования и для ее решения можно исполь-
зовать методы, изложенные в гл. II, но теперь минимум функции
(173) ищется по управлению, а не по параметрам. В случае класси-
ческой задачи решение находится из необходимого условия опти-
мальности, задаваемого в виде уравнений Лагранжа:
0G(U) ,
dUi
д £ kihi
dU~!
dG(U) d^thi
dUn + dUn ~U
hi = 0 i — mt -f- 1, ..., m
(176)
где — множители Лагранжа.
Решая системы уравнений (176) находим оптимальные значения U*.
Однако, следует иметь в виду, что условия (176) удовлетворяют
также точки максимума, перегиба и седловые. Следовательно, выра-
жение (176) является только необходимым условием. Если решение
системы уравнений (176) дает минимум функционалу, то достаточно,
332
мгновенных балансов веществ, принимающих участие в процессе
и энергии (чаще всего тепловой).
4 = S ф;; (138)
С/4 £_|
(139)
где п — число исходных компонентов; G — количество вещества
в аппарате; Фг — входные и выходные потоки вещества; Q — коли-
чество энергии (тепла) в аппарате; (?г — входные и выходные потоки
энергии.
Для того, чтобы раскрыть вид Фг, Qit G и Q необходимо рассмо-
треть физические и физико-химические закономерности протекания
металлургических процессов, которые могут быть выделены при его
анализе (движения материальных потоков, химическое взаимодей-
ствие и т. д.).
В основе использования физико-химических закономернЬстей
при математическом описании металлургического процесса лежит
формальная кинетика. При этом принимается ряд допущений,
обоснованных не только характером протекания закономерностей
в конкретном металлургическом процессе, но и тем, что при составле-
нии математической модели проводится отсеивание менее значимых
факторов, т. е. мало влияющих на точность математической модели.
При создании математической модели очень важно учитывать
стехиометрические уравнения, которые являются естественными
ограничениями
п
(140)
1=1
где ац—стехиометрический коэффициент при t-том веществе ^Л,
в /-той реакции, ai; > 0, если t-тое вещество исходное, ai;- < 0,
если i-тое вещество является продуктом реакции.
В правую часть уравнения (138) входят поток вещества, посту-
пающий в аппарат Фвх, поток вещества, покидающий аппарат ФВЫх
и поток вещества, идущий на химическое взаимодействие Фхв. За-
дача заключается в том, чтобы потоки Фхв и Фвых выразить через
переменные, определяющие протекание процесса.
Для металлургических процессов характерны два вида химиче-
ских реакций: гомогенные и гетерогенные. Напомним, что реакции
называются гомогенными, если реагирующие вещества образуют
однородную среду одного агрегатного состояния. Реакции назы-
ваются гетерогенными, если реагирующие вещества находятся в раз-
личных фазах (агрегатных состояниях).
Рассмотрим случай гомогенных реакций. Скорость химического
взаимодействия в этом случае выразится как
п
о = КПС?, (141)
i
320
Для конечных веществ (продуктов реакции) величины входного
Потока равны нулю.
Дифференциальное уравнение теплового баланса (139) также
необходимо выразить через переменные процесса. Количество тепла
п
в объеме аппарата равно Q = V У, СсС^Т, где с? — теплоемкости
t=i
веществ; Т — температура в аппарате.
Тогда
,4=1'4Дс“:?7'- ('«)
Входной тепловой поток можно выразить как
п
Свх-ЕФвх^ + С0, (149)
i=l
п
где 2}ФВХ tCPiТ? — тепловой поток, связанный с количеством теп!ла,
<=1
вносимым исходными веществами; Q° — подаваемый в аппарат теп-
ловой поток от внешних источников; Т° — температура подаваемых
евществ.
Выходной тепловой поток
<2вых=£ь(Ос?С(Т + <7т.п, (150)
Г=1
п
где ^ФвхЩ^Т0 — тепловой поток, связанный с количеством тепла,
4=1
выносимым из аппарата веществами его покидающими; qT. п — теп-
ловые потери, зависящие от конструкции аппарата.
Количество тепла, выделяемое или поглощаемое в результате
химического взаимодействия
Qbx = qvj, (151)
где q — тепловой эффект реакции.
Подставив выражения (148)—(151) в уравнение (139), получим
окончательно уравнение теплового баланса
п
d Е С^Т
V ---------= Е Фвх + Q°— Е b (О tfCtT - qT. п ± qvh (152)
at 4=1 4=1
Уравнения (147) и (152) составляют математическую модель
металлургического процесса с гомогенными реакциями.
Более сложной получается математическая модель металлурги-
ческих процессов с гетерогенными химическими реакциями. Гетеро-
генные реакции протекают в несколько стадий:
1. Диффузия газообразных (жидких) реагентов к активной по-
верхности реакции.
322
2. Адсорбция исходных реагентов на активной поверхности и
частичная десорбция.
3. Поверхностная химическая реакция с образованием газо-
образных (жидких) продуктЬв реакции в адсорбированном состоя-
нии.
4. Десорбция продуктов реакции с активной поверхности.
5. Обратная диффузия газообразных (жидких) продуктов реак-
ции в объеме аппарата.
Активная поверхность — это поверхность границы раздела фаз,
на которой происходит химическое взаимодействие. От формы по-
верхности зависит вид выражений скорости химического взаимо-
действия и диффузионного потока. Можно выделить следующие
частные случаи формы поверхности:
реагирующие вещества образуют самостоятельные агрегатные
среды, а активная поверхность является плоской, например, штейн—
шлак;
реагирующие вещества одного агрегатного состояния пред-
ставляют собой частицы, находящиеся в реагирующем веществе
другого агрегатного состояния (аппараты кипящего слоя, капли
жидкости, распределенные в газе или другой жидкости, процессы
спекания и обжига во вращающихся печах, процессы выщелачива-
ния и т. д.).
В таких случаях обычно принимается допущение, что частицы
имеют шарообразную форму и активная поверхность симметрична
относительно, их центра.
Если при построении математических моделей металлургических
процессов с гетерогенными реакциями ограничиваются моделью
с сосредоточенными параметрами (пренебрегают распределением
переменных по пространственным координатам аппарата), то необ-
ходимо принимать ряд допущений, упрощающих кинетику.
Поскольку определение концентраций реагирующих веществ
на активной поверхности представляет собой сложную техническую
задачу и разграничение трех стадий, протекающих на этой поверх-
ности весьма условно (это адсорбция, десорбция и химическая по-
верхностная реакция), обычно принимают допущение о возможности
представления их одной стадией — некоторой эквивалентной хи-
мической реакцией, скорость которой определяется следующим
выражением
v = dg/dt = KC?lSo,
где dgldt — изменение количества вещества в единицу времени;
Ct — поверхностная концентрация жидких (газообразных) реаген-
тов; m.t — порядок реакции; So — общая поверхность раздела фаз
(активная поверхность).
При учете диффузионных стадий гетерогенного процесса прини-
мается допущение, что все диффузионное сопротивление сосредо-
точено в пограничном слое, величина которого определяется гидро-
или аэродинамикой аппарата, и поток вещества через внешние гра-
11* 323
ницы диффузионного слоя, определяется первым законом Фика
dMl/dt = pS(C^ -Ct). (153)
где р = D/6 — коэффициент массопереноса, равный отношению
коэффициента диффузии D к толщине пограничного (диффузион-
ного) слоя 6; Mi — масса продиффундировавшего внутри погра-
ничного слоя газа (жидкости) из объема аппарата; — концентра-
ция i-того газообразного (жидкого) вещества в объеме аппарата;
S — поверхность диффузионного слоя (она же — активная поверх-
ность) твердой частицы; Ct — средняя концентрация /-того вещества
в диффузионном слое.
При построении математической модели удобно использовать
величину диффузионного потока, приходящуюся на единицу объема
аппарата. Тогда считают
So = Sy, (154)
где So — общая поверхность твердой реагирующей фазы в единице
объема аппарата; у — число частиц в единице объема аппарата. *
Если умножить уравнение (153) на у, то получим
T^£ = pSY(cr-Ca. (155)
Здесь величина у есть изменение количества i-того вещества
в диффузионном (пограничном) слое всех частиц, находящихся
в единице объема аппарата, т. е. изменение концентрации i-того
вещества dCtldt. Тогда выражение (155) с учетом уравнения (154)
примет вид:
dCildt = ^>S0(CVi - Ci). (156)
Нам необходимо выразить величину поверхности So, которая
входит в уравнение (154) и (155), через переменные состояния гете-
рогенного металлургического процесса, а именно через количества
твердого вещества в объеме аппарата.
В зависимости от формы активной поверхности выражение, связы-
вающее величину поверхности So и количество твердого вещества
в аппарате, может иметь различный вид. Обычно эту зависимость
записывают в виде полиномиального выражения, коэффициенты
которого определяются по экспериментальным данным
S0 = ao + <Mr + «2£2 +•••+«/.£*• (157)
В случае гетерогенного металлургического процесса имеем две
(как минимум) фазы, поэтому уравнение материального баланса
(138) необходимо записывать для каждой фазы отдельно. Для твер-
дого вещества уравнение (138) примет вид
dg/dt = Фт — KCFlS0— b (t)g.
Или с учетом выражения (157)
dg/dt == Фт — КС™1 (ао + aig + а2/ + • • . + akgk) — b (t) g, (158)
где Фт — входной поток твердого вещества.
324
Для газообразных (жидких) реагентов в объеме аппарата уравнение
(138) примет вид
dCv
v ~sr = фг - Р (“о + (сГ - с.) - Ci- (159)
Материальный баланс для газообразных (жидких) реагентов в по-
граничном слое складывается из диффузионного потока к активной
поверхности (входной поток) и потока этих реагентов, идущего на
химическое взаимодействие. Тогда уравнение (138) в этом случае
примет вид
V = р (а0 + aig + ... + a.kgk) (Cvt - Ct) -
—/tc"'1’(ao + aig + ... + aA/). (160)
Уравнение энергетического (теплового) баланса (139) с учетом вы-
ражения (157) примет вид
/ п \ п Г*
4- t = S Ф^Т?+ФЛТ°±
Ul \ /=1 / г—1
п
±gKC™* (ао + aig + ... + akgk) — 2] bЩС&Т — b(t)gT — qT
. ID
(161)
здесь cP — теплоемкость твердого вещества; T° — его температура
на входе в аппарат; Т — температура в аппарате.
Таким образом, уравнения (158)—(161) представляют собой ма-
тематическую модель гетерогенного металлургического процесса,
как объекта с сосредоточенными параметрами.
Однако, следует иметь в виду, что реальные металлургические
процессы характеризуются зависимостью температур, концентра-
ций и т. д. не только от времени, но и от пространственных коорди-
нат аппарата, в котором осуществляется рассматриваемый металлур-
гический процесс. Поэтому уравнения материального и
ческого балансов (138) и (139) в этом случае примут вид
dgj _ п дФ{
dt —Vi
д (8всТ)
dt
где Dt и DT — коэффициенты, характеризующие условия
материальных и тепловых потоков по пространственным
там аппарата V; gR— вес веществ в реакционном пространстве аппа-
рата; F (V, v) — зависимость потока химического взаимодействия
от пространственных координат аппарата V; с — средняя теплоем-
кость; Q (У, и) — тепло, выделяемое (поглощаемое) в результате
химического взаимодействия; v — скорость химического взаимо-
действия.
Система уравнений (162) справедлива для бесконечно малого
объема аппарата dV. Для решения задач автоматизация очень часто
326
v),
D^-Q(V, v),
i=l
энергети-
(162)
движения
координа-
необходимо иметь зависимости, характерные для всего аппарата
в целом. Поэтому систему уравнений (162) необходимо усреднить
по объему аппарата V, проинтегрировав выражение (162) по V.
После преобразований, обозначив поток вещества, идущий на
химическое взаимодействие, <р (v), а тепловой поток, получающийся
от выделения или поглощения тепла при химических взаимодей-
ствиях, q (к), общую массу веществ в аппарате GB получим:
-^• = Фвх£-Ф(у)-^(0^ь
(163)
Св-^-=<2вх-Я(У)-Свьгх,
Система уравнений (163) уже описывает металлургический процесс
как объект с сосредоточенными параметрами, но в среднем.
Рассмотрим в качестве примера построение математической мо-
дели процесса обжига никелевых концентратов в печах кипящего
слоя, о протекании которого необходимо сделать следующие заме-
чания:
1. В процессе имеет место основная химическая реакция окисле-
ния низшего сульфида никеля
NisS2 + 3,5О2 = 3NiO + 2SOa.
2. Процесс протекает со значительным укрупнением исходных
частиц, связанным с тем, что при температурах процесса 950—
1150 °C NisS2 и присутствующие в шихте эвтектики Ni—Ni3S2 нахо-
дятся в расплавленном состоянии.
3. Процесс является автогенным и автотермическим при неболь-
шом избытке тепла.
4. Процесс ведется при небольшом избытке воздуха (1,1—1,3).
5. Кипящий слой характеризуется достаточной однородностью
nd химическому и гранулометрическому составам твердой фазы.
Исследования физико-химических закономерностей процесса об-
жига сульфидных никелевых материалов показали, что:
а) в начальной стадии процесс обжига идет в кинетической обла-
сти, а затем лимитируется диффузией кислорода через слой продук-
тов реакции NiO;
б) порядок реакции по S и О2 равен единице;
в) зависимость константы скорости реакции от температуры
подчиняется закону Арениуса;
г) скорость реакции пропорциональна поверхности твердого
реагента.
В соответствии с п. 5 замечаний о протекании процесса обжига
можно сделать вывод, что этот процесс относится к объектам с со-
средоточенными параметрами и может описываться обыкновенными
дифференциальными уравнениями.
Математическая модель процесса должна включать уравнения
материального баланса по твердой и газообразной фазам и тепло-
вого баланса.
«26
Рассмотрим получение уравнения материального баланса по
твердой фазе. Структура этого уравнения идентична выражению
(158). Поток окисляемой серы (поток вещества, идущий на химиче-
скую реакцию) описывается следующим уравнением
Фхв = KCq2S0,
где К = Ко ехр (-E/RT) — константа скорости реакции; Ко —
предэкспоненциальный множитель, м/ч; Со, — концентрация кис-
лорода в пограничном слое, кг/м3; So — величина активной поверх-
ности, м2; R — универсальная газовая постоянная; Е — энергия
активации, Дж/моль; Т — температура процесса.
Реакция идет на поверхности расплава Ni3S2. Поэтому величина
активной поверхности зависит от количества Ni3S2 или количества
серы в слое (что одно и тоже) и достаточно хорошо описывается
уравнением (157), которое в данном случае примет вид
So = aigs + ct2gs-
Входной поток серы в аппара4 равен
Фвх = ФшС™,
где Фш — поток шихты, кг/ч; С™ — содержание серы в шихте, кг/кг.
Выходной поток серы из аппарата складывается из потока серы,
находящейся в пыли, и потока серы, находящейся в огарке, ФПС£ и
ФогСзг, соответственно. Таким образом, уравнение материального
баланса по сере примет вид
dSs, = фшС£ - КСо2 (algs + a2gs) - ФПС£ - ФОгСГ- (164)
at
Уравнение материального баланса по NiO получается аналогичным
образом и записывается
— aiKCo„ (aigs + «2gs) — ^gNio,
где ar — коэффициент пропорциональности, учитывающий долю по-
лучающегося NiO при сгорании 1 т серы шихты. Материальный
баланс по кислороду складывается из следующих величин:
входной поток
Фвх = ФдСо2;
выходной поток
ФЙх = ^гС^;
поток кислорода, диффундирующего к реакционной поверхности,
Фд’ = -у (Со, — Со,) (aigs + «2gs)>
здесь Фд — количество дутья, м3; Со, — массовая концентрация
кислорода в дутье, кг/м3; b — коэффициент пропорциональности,
учитывающий вынос газа; Со, — концентрация кислорода в объеме
827
СЛОЯ, кг/м9; Ц, — объем СазоЬой фазы кипящего слоя, м3; Vr =
= eG/p (1 — е); е — порозность кипящего слоя; р — плотность
твердой фазы слоя, кг/м3; G — масса слоя; D — коэффициент диффу-
зии кислорода через пленку NiO; 6 — толщина пленки NiO, 6 =
= f (gNio). Тогда уравнение материального баланса по кислороду
в объеме аппарата примет вид
= фд^, - 4 (Со, - Со,) (aigs + O2gs) - bVrCvO2, (165)
а уравнение материального баланса кислорода в диффузионном слое
в соответствии с выражением (160) можно записать как
Vi ~ ~g~ (С®, — Со,) (algS + ®2gs) — Й2^Со, (aigs + «2^1), (166)
где Vj. — объем диффузионного слоя, = <р (6), м3; а2 — стехио-
метрический коэффициент.
Теперь получим уравнение теплового баланса. Входной тепловой
поток QBX = 0. Тепло поступает только за счет химического взаимо-
действия
Qxb = КСог (a.\gs + a2gs) q, (167)
где q — тепловой эффект реакции окисления серы, Дж/кг.
Тепло из аппарата отводится:
с уходящими газами су. ГФУ. гТ;
с огарком СогФогТ;
с пылью сЯФпТ;
на испарение влаги Фшс^-/В. п (Т);
тепловые потери kK_ ПТ.
Тогда уравнение теплового баланса примет вид
сР-^Г~ = ^о, (aigs + O2gs) q - ср0ГФ0ГТ - ср. ГФУ. ГТ -
- [Фш<$1в. п (Г)] - с'ФпТ - *т. ПТ, (168)
Здесь с”, Сог, Сп — средние теплоемкости соответственно слоя,
огарка, пыли, Дж/кг-К; Су. г— средняя объемная теплоемкость ухо-
дящих газов, Дж/м3-К; —влажность шихты; Т — температура
в слое, К; 1в.п(Т) — энтальгия водяных паров, Дж/кг; &т. п — ко-
эффициент тепловых потерь, Дж/К; Фу.г —поток уходящих газов,
м3/ч.
Таким образом, математическая модель процесса обжига файн-
штейна в печах кипящего слоя состоит из уравнений (164)—(168).
В случае, если металлургический процесс нельзя представить
как объект с сосредоточенными параметрами, тогда математическая
модель представляет собой систему дифференциальных уравнений
в частных производных. Непосредственное решение дифферен-
циальных уравнений в частных производных встречает значитель-
328
ные трудности. Поэтому обычно аппарат разбивают на отдельные
зоны, размер которых определяется гидро-(аэро) динамикой, где
принимается идеальное перемешивание (отсутствие градиентов кон-
центраций и температур), т. е. каждая зона представляет собой объект
с сосредоточенными параметрами. Создавая математическую модель
каждой зоны также как и ранее, получим в итоге математическую
модель всего процесса в целом.
§ 5. Применение методов оптимизации
в дипломном проектировании
Оптимизация технологического процесса или оптимальное управ-
ление им является значительным шагом вперед по сравнению с обыч-
ными автоматическими системами управления, обеспечивающими
стабилизацию выходных переменных. Оптимизация —• это улучше-
ние функционирования объекта управления путем воздействия на
него, обеспечивая при этом наилучшие в каком-то выбранном смысле
показатели этого процесса (максимализация дохода, минимизация
затрат и продолжительности процесса и т. д.).
Процесс синтеза алгоритмов оптимального управления вклю-
чает три этапа:
I. Выбор критерия оптимальности и задание области изменения
входных и выходных переменных (ограничений).
II. Получение необходимого математического описания (мате-
матической модели) объекта управления.
III. Решение собственно задачи оптимизации.
Рассмотрим несколько подробнее задачи, решаемые на каждом
этапе.
Этап I. Выбор критерия оптимальности—это ответ на во-
прос: что такое хорошо (или плохо) для данного технологического
процесса. Такая оценка по существу является субъективной. По-
этому выбор критерия оптимальности зависит от знания особенно-
стей оптимизируемого процесса, его места в технологической цепи
производства, технико-экономических требований к нему. Наиболее
общими критериями оптимальности являются:
а) максимизация производительности агрегата Р —► шах при
ограничениях на затраты А < А* в случае, если объект управления
является узким местом в технологической цепи;
б) минимизация затрат А —» min при ограничениях на произво-
дительность в случае, когда работа объекта управления
должна быть согласована с работой остальных технологических
агрегатов.
Однако, в каждом конкретном случае необходимо величины Р й
А выразить через входные и выходные переменные объекта управле-
ния и задача оптимизации сводится к минимизации или максимиза-
ции критериев оптимальности, выраженных через эти переменные
(технологические критерии оптимизации).
При выборе критерия оптимизации, являющегося по существу
математическим выражением оценки управления объектом, целе-
сообразно руководствоваться следующими соображениями:
329
должна максимизироваться или минимизироваться одна и только
одна оптимизируемая функция (функционал);
экстремум оптимизируемой функции должен обеспечивать наи-
более успешное, в определенном смысле, управление процессом;
оптимизируемая функция должна быть выражена через входные
и выходные переменные, описывающие поведение объекта управле-
ния во времени и пространстве.
Вид критерия оптимальности существенно зависит от типа опти-
мизационной задачи. Обычно интересно знать поведение объекта
в определенных интервалах времени Qf и пространства Пе. Суждение
о протекании процессов в управляемой системе при этом склады-
вается из наблюдений за действительными выходными перемен
ными х и сравнениях их с х* (желаемым их изменением, определяе-
мым как цель управления). Поэтому качество протекания процессов
в системе оценивают некоторой интегральной характеристикой
функционалом
/ = J Jg(X*(/, f)-X(l, t), U(l, t), Z(l, t), I, t)dldt, (169)
ae at
где X* (I, t) — вектор заданных желаемых изменений выходных
переменных; U (I, t) — вектор управлений; Z (I, t) — вектор возму-
щений; I — пространственная координата; t — время; X (I, t) —
вектор выходных переменных.
Функция G (•) выражает затраты связанные с управлением и
потерями от отклонения выходных переменных от. желаемых значе-
ний X* (I, t). Обычно G 2s 0. Для конкретности будем считать, что
критерий оптимальности минимизируется за счет выбора управле-
ний:
/*= min/ =/({/*). (170)
При этом управление f/*, дающее минимум функционалу /, назы-
вается оптимальным. Введение управления U в критерий оптималь-
ности отражает его стоимость. Зависимость функций G в явном виде
от времени и возмущений отражает изменения структуры или пара-
метров функционала /, обусловленные различными факторами
(например, изменением конъюнктуры при оценке эффективности
работы системы в связи с техническим и социальным прогрессом и
т. д.).
Для объектов управления с сосредоточенными параметрами,
описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями,
функционал / примет вид
/= J G(X*(0-X(0. 2(0. 0^. (171)
/о
где /0, tK — время начала и конца процесса управления. В ряде
задач пренебрегают изменением процессов во времени и в этом случае
производится минимизация функции G (X, U, Z).
330
В постановку задачи оптимизации входит задание ограничений
на входные (управления) и выходные переменные. Ограничения на
переменные обусловлены тем, что мощности потоков вещества, энер-
гии и информации ограничены электрическими и механическими
пределами прочности материалов или пропускной способностью ка-
налов связи. Математически ограничения часто записываются в виде
X £ £2Ж, U С Й„, где и — соответственно области допусти-
мых значений выходных и входных (управления) переменных, соот-
ветствуют заданию ограничений типа:
ht (хх... хп) с 0 i = 1 .. . п\
j — (172)
Ограничения типа интегральных [ hk (х, U) dt < С, отражающие
/о
общее количество используемой энергии и т. д., называют изопери-
метрическими. (
Этап II. Получение необходимого математического описания
объекта управления. Этот вопрос рассматривался в предыдущем
параграфе. Здесь следует отметить, что от того как решена задача
этого этапа, зависят как возможность получения решения, так и
метод решения задачи оптимизации. В дальнейшем будем считать,
что математическая модель уже получена и ее можно рассматривать
как естественные ограничения на переменные.
Этап III. Решение задачи оптимизации преследует цель опре-
деления закона оптимального управления. Если оптимальное управ-
ление найдено как функция времени U* (f), то говорят об оптималь-
ном программном управлении. Если оно найдено как функция вы-
ходных переменных х = U* (х), то говорят об оптимальном управ-
лении с обратной связью.
Известные в настоящее время методы оптимизации можно раз-
делить на две группы:
1) -при известной математической модели (заданной или получен-
ной в результате идентификации) — методы математического про-
граммирования;
2) при неизвестной модели непосредственно на объекте — ме-
тоды планирования экспериментов и экстремальное регулирование.
Вторая группа методов в настоящем пособии не рассматривается.
Оптимизационные задачи делятся на задачи статической и дина-
мической оптимизации, которые в свою очередь делятся на класси-
ческие и неклассические. Классические и неклассические задачи
отличаются друг от друга тем, что в классических задачах ограниче-
ния задаются в виде равенств, и на функции, описывающие крите-
рий и поведение системы, накладывается ряд математических ограни-
чений; в неклассических задачах ограничения могут задаваться и
в виде неравенств. Это приводит к тому, что оптимальное управление
может и не давать экстремум критерию оптимальности.
На рис. 119 показана зависимость критерия оптимальности от
управления. В случае если на величину управления U не наклады-
331
чтобы определитель матрицы вторых производных был положи-
тельным
d*G Э2О
dUl dUrdUn
.................. >0. (177)
d2G d2G
dUndlA ••• dU\]u=u.
Если функция G имеет несколько экстремумов, то найденные решения
Системы уравнений необходимо проверить по критерию (177), и из
них нужно выбрать такое, которое дает абсолютный минимум кри-
терия оптимальности.
В качестве примера рассмотрим задачу оптимизации концентра-
ций реагентов в пульпе в процессе флотационного обогащения руд.
Математическая модель, связывающая степень извлечения (выход-
ная величина) с концентрацией ксантогената (управления) U, запи-
шется в виде следующего уравнения х = а0 -j- a^U или в соответ-
ствии с выражением (175) имеем
—а0 — аги + х =0.
В качестве критерия оптимальности возьмем следующее выраже-
ние:
g=4mx*-*)2+4-^2-
Здесь первый член показывает потери, имеющие место при отклоне-
нии величины извлечения от заданного значения х* (х* всегда
больше х), а второй — затраты, связанные с расходом реагентов
на флотационное разделение. Таким образом, оптимальным будет
некоторое компромиссное решение между потерями от недоизвле-
чения и соответствующими затратами. Необходимые условия опти-
мальности (176) в рассматриваемом случае примут вид:
—(х* — х) + X = 0;
b2 U — 'ка1 = 0;
х — а0 — arU = 0.
Решая эту систему уравнений получим, что
Г J* frlal „* _ ^laOgl
a[b2 + Ьг л a\bx + b2-
Отсюда видно, что управление (концентрация ксантогената) растет
линейно с заданием х* и растет тем быстрее, чем больше коэффициент
веса Ьх и тем медленнее, чем больше коэффициент веса Ьг, показыва-
ющий насколько дороги реагенты.
Несколько особое место занимает среди методов решения задач
статической оптимизации линейное программирование.
Методами линейного программирования решается большое число,
задач, возникающих при разработке АСУ технологическими про-
цессами в черной и цветной металлургии. Одной из' типичных задач
333
^инейного программирования является задача шихтовки материалов
перед их плавкой. Сформулируем ее: пусть имеются концентраты
разных месторождений определенной стоимости и с различными
содержаниями компонентов. Требуется составить шихту определен-
ного состава таким образом, чтобы ее стоимость были минимальной.
Введем следующие обозначения: п. — число концентратов; Ux —
количество t-того концентрата, вводимого в шихту; ai} — содержа-
ние /-того компонента в i-том концентрате; Ь}—заданное общее количе-
ство /-того компонента в шихте; Ct — стоимость t-того концентрата.
С учетом этих обозначений имеем:
atiU1— количество /-того компонента в t-том концентрате xt, вво-
п
димом в шихту; — общее количество /-того компонента,
1=1
п
вводимого в шихту; Ut = U* — общее количество шихты;
1=1
п
J] CiUi — стоимость шихты. ’
t=l
Тогда математическая формулировка задачи выразится следующим
образом; необходимо выбрать такое количество t-того концентрата,
вводимого в шихту, чтобы общая стоимость шихты была минималь-
ной
п
а= У i= 1, 2, .. .п.
t=i {I/j
При этом необходимо выполнить следующие ограничения: общее
количество шихты должно быть равно заданному (расчет ведется на
п
определенное количество шихты) 2 = U* Общее количество
t=i
/-того компонента, вводимого в шихту, должно быть равно заданному
п
i=l
где т — число компонентов шихты и У, 0.
Сформулированная выше задача и есть задача линейного про-
граммирования (линейные ограничения и линейная форма в каче-
стве критерия оптимальности). Методы решения таких задач доста-
точно широко известны и в настоящее время в математическом обес-
печении многих вычислительных машин входят программы их ре-
шения. Следует иметь в виду, что для использования этих программ
необходимо приводить поставленную задачу к канонической форме
следующего вида:
п
j=l...m; (177)
1=1
a(U)= 2 ОДmin; (178)
t=l {C7i}
Ui^O. (179)
334
Приведем несколько приемов, позволяющих приводить поставу
ленную задачу линейного программирования к канонической форме?'
удобной для использования стандартных программ решения. Воз-
можны следующие случаи:
п
1. Ограничения имеют форму неравенств Xj aijUj &; В этом
i=i
случае от ограничений-неравенств, например
ац Ui П2 bi,
@21 &1 I @22^2 ^2
переходим к ограничениям-равенствам типа (177), вводя дополни-
тельные фиктивные (не имеющие физического смысла) переменные
Us и Uit
0^1 j U1 @12 £72 U 2 = Ь1,
~F CI22 U 2 I =
т. е. добавляем (в нашем случае U3) дополнительную переменную
в случае знака меньше (<) и вычитаем (Ut) в случае знака больше
(>)•
2. Некоторые переменные не имеют ограничений типа (179)
Ui 0, т. е. могут принимать и отрицательные значения. В этом
случае переход к канонической форме осуществляется путем замены
переменных разностью двух новых неотрицательных переменных.
Например, переменную Un — Un+i — Un+2, где Un+i 0 и t/n+2^0.
3. Требуется найти максимум, а не минимум линейной формы
критерия оптимальности (178). В этом случае переход к канониче-
ской форме с минимизацией линейной формы осуществляется изме-
нением знака коэффициентов Ci в выражении (178) на противополож-
ные. Очевидно, что max a (U) = —min (—а (U)).
Задачи динамической оптимизации формулируются следующим
образом: необходимо найти такую вектор-функцию U (/) = (i/x (/),
U2 (t) . . . Um (t)), являющуюся управлением, которая дает минимум
функционалу (критерию оптимальности)
/ = ф|х(/к)Ф j G(X, и, t)dtj (180)
' /о '
при математической модели объекта управления вида
x't=fi(X, U, I), 1=1, ...п (181)
с краевыми условиями
Фь(*(*о), A'(Zk), *0, 7\) = 0, k = 1 ... П-i < 2пф-2 (182)
и ограничениях на управление
ht (U, f) < О, i =1 . . . тг (183)
и координаты
qk (X, t) < 0, k = 1 . . . п2, (184)
335
где X — n-мерный вектор выходных переменных; U — т-мерный
вектор входных переменных (управлений).
В случае отсутствия ограничений (183) и (184) задача становится
классической задачей вариационного исчисления.
В выражении критерия оптимальности (180) первый член пред-
ставляет собой потери в случае, если конечное состояние объекта
управления (значения выходных переменных по окончанию про-
цесса управления) отличаются от заданных, второй член отражает
потери или затраты на управление объектом управления с уравне-
нием (181) для достижения поставленной цели, определяемой крае-
выми условиями (182). Краевые условия определяют начальные
X (to) и конечные X (/к) значения вектора выходных переменных
во время начала t0 и конца процесса управления tK. Ограничения
(183) и (184) вызваны конструктивными, энергетическими и техно-
логическими особенностями объекта управления. Следует отметить,
что не обязательно задавать время управления tK и конечные зна-
чения выходных переменных X (tK).
Рассмотрим кратко методы решения задач динамической опти-
мизации. Введем скалярную функцию Н, называемую гамильтониа-
ном,
Н(Х, U, К, t) = G(X, {/,/)+£ Wt (*, U, t), (185)
i=l
где G (X, U, t) — подынтегральное выражение критерия оптималь-
ности / (180); ft (X, U, t) — правые части уравнений объекта управ-
ления; Хг — множители Лагранжа.
Тогда при отсутствии ограничений (183) и (184) необходимые
условия оптимальности можно записать:
х‘^о) = хО1, x{(tK) = XtK.; (186)
(отсутствует
22.1 ; (187)
»<
<-=»• (188)
Здесь — множители Лагранжа. Особенностью системы уравне-
ний (186)—(188) является то, что начальное значение множителей
(t0) не задается, а определяется из необходимости обеспечить
начальные и конечные условия для уравнения (186). Значения
(tK) в случае наличия в критерии оптимальности (180) первого
члена Ф (х (tK)) определяются второй строкой, а в другом случае
отсутствуют. Порядок решения системы уравнения (186)—(188)
следующий:
1. Решаем уравнение (188) и находим U* = U* (Xt, А,().
2. Подставив выражение U* = U* (xit Х() в уравнения (186) и
(187), получим однородную систему уравнений с соответствующими
начальными и конечными условиями, решая которую находим опти-
мальные траектории движения системы х* (t) и X* (t).
336
3. Выразив U* через х* (I) и X* (t), находим оптимальное про-
граммное управление.U* (t). Если исключить время из х* (/), %* (t) и
U* (I), то можно найти U* = U* (х*) (оптимальное управление
с обратной связью).
Однако, следует иметь в виду, что наша задача является, так
называемой, двухточечной краевой задачей (ДКЗ), так как значения
xt задаются в моменты времени t0 и tK. В случае, когда xt (tK) не за-
даются, то задаются величины (tK) =-^-1 (когда первый
дх '4Q
член критерия оптимальности имеет место). Если аналитическое
решение системы уравнений (186)—(188) встречает трудности (а на
практике это повсеместно), то необходимо использовать численные
методы решения дифференциальных уравнений, изложенные в гл. II,
но учитывая особенность ДКЗ, нам необходимо выбирать началь-
ные значения Хг (/0) таким образом, чтобы при удовлетворении усло-
вия (188) обеспечивалось равенство либо xt (tK) = xt ., либо (tK) =
дФ I .
= -д— , т. е. условия на конце процесса решения уравне-
- д(<к)
ний, а это приводит к итеративной процедуре выбора Хг (4). Для
этого целесообразно ввести некоторый функционал оценки близости,
например
/%г(/к)—-I У-*- min,
\ dXi кСк)/ {М'о)}
и используя численные методы решения задач нелинейного програм-
мирования, изложенные в гл. II, решать поставленную оптимиза-
ционную задачу.
Рассмотрим в качестве примера управление процессом конверти-
рования меди, целью которого является получение штейна заданного
состава за заданное время путем продувания расплава воздухом,
обогащенным кислородом. Математическое описание процесса кон-
вертирования в рабочем диапазоне изменения количества дутья
представляется следующим линейным дифференциальным уравне-
нием:
= — кФОг = - kU, х (/0) = х0, (189)
здесь ФО2 — расход дутья, являющийся управлением; х — концен-
трация сульфидов железа в расплаве; k — коэффициент пропор-
циональности.
Требуется таким образом изменять управление U (t), чтобы
обеспечить достижение заданного значения концентрации сульфидов
в расплаве за определенное время протекания процесса tK, т. е.
х (/к) = xtK и минимум критерия оптимальности,
/ = 2_ J ttPdt-+ min, (190)
'fl
337
где b — коэффициент пропорциональности. Критерий (190) выра-
жает стремление достичь требуемую цель, экономя материальные
затраты, связанные с дутьем. В соответствии с выражением (185)
составим гамильтониан
H = ±-bU*-bkU,
где G (X, I/, 0 = 4" bU*’ kU’
и используя выражения (186), (187) и (188) получим, соответственно
х' = — kU, х (Zo) == х0; '
V = 0;
bU - U = 0.
(191)
Из последнего уравнения находим U* = +-|-А, и, поставив его
в первое уравнение системы (191) и учитывая, что Л = С, кёк видно
из второго уравнения, получим
х' = — -т-с.
ь
k2
Решение этого уравнения можно записать в виде х = х0-----Ct.
Используя тот факт, что величина концентрации х в момент оконча-
ния процесса должна удовлетворять условию х (/к) = xts, вычислим
величину С
x°~xt«
&_t
ь ?к
Найдя отсюда b и поставив его в третье уравнение системы (191),
получим оптимальное управление U* = —(х0— х<к).
Из полученной зависимости легко видеть, что для минимизации
критерия оптимальности (190) необходимо обеспечить постоянный
расход дутья, величина которого прямо пропорциональна разности
начальной и конечной концентраций и обратно пропорциональна
времени процесса. Для решения неклассических задач наиболее
широко используются метод динамического программирования и
принцип максимума.
Для использования принципа максимума вводится скалярная
функция — гамильтониан Н вида
п
я=£ tykfkfx, и), k=o, 1, ...«,
k=Q
(192)
где /0 = G (х, U), хо — G (х, U) \ G (х, U) — подынтегральное выра-
жение критерия оптимальности; /к (х, U) — соответствует системе
338
уравнений (181) k — 1 ... п -, *фк — вспомогательная переменная,
удовлетворяющая уравнению вида
-^—ДмО^2- (193)
Необходимые условия оптимальности (в случае линейных систем и
достаточные) формулируются следующим образом (основная теорема
принципа максимума):
если управление U* (t) и соответствующая ему траектория х* (f)
оптимальны и удовлетворяют ограничениям (183) и (184), то
1) можно найти не нулевую, непрерывную (п + 1)-мерную век-
тор-функцию ф (I) = (ф0 (/), фх (I) . . . фп(/)), которая удовлетворяет
системе уравнений (193);
п
2) функция Н У, фьД (х, U) достигает максимума по переменной U
k=0
в каждый момент времени на интервале t0 < t /к;
3) в момент времени t = tB выйолняются соотношения ф0 (/к) < О
и max Н (ф (t), х (/)) = 0 (после подстановки в выражение критерия
оптимальности / управления U = U* функция / зависит только
от ф и х).
Оказывается, что если выполняется условие 1 и 2, то функция
фо (0 и max Н (/) являются постоянными, так что условие 3 справед-
ливо для любого момента времени t, t0 < t < tK (а не только для
конечного tK).
Рассмотрим задачу определения оптимального расхода дутья
в конвертере, но на управление наложим ограничение типа (184
U — t/max < 0, инач'е 0 < U < t/max. Тогда гамильтониан в соот
ветствии с (192) примет вид:
Я = ф0-1-И/2-ф1Ш
и необходимые условия оптимальности на основании теоремы прин-
ципа максимума запишутся в виде:
— = — фб = О, фо = Со;
•£ = —Ф1=0, Ф1=С1;
дН , i.rr
-7-1— = х = — kU;
0Ф1
= fet/фо — фхй = 0.
(194)
Из последнего уравнения системы (194) получим, что
у*____
Фо* ‘
Подставив выражение U* в третье уравнение системы (194) и учи-
тывая, что ф0 = Со и фх = Сь получим
*а Ct
* Со ’
339
Решая это уравнение, имеем следующее выражение оптимальной
траектории
x — xQ
Ci .
b Ct
Величину Co примем равной (—1) в соответствии с условием 3 прин-
ципа максимума и, учитывая значение х = х4к, вычислим величину
{/*(/) =
Тогда оптимальное управление U* (t) можно записать как
(*> - Ч)’ если 177 (х° “ ХО <
Чах. если -^-(Хо — xtK)^umax* >
Отсюда видно, что если оптимальное управление лежит внутри до-
пустимой области значений, то полученное решение совпадает с ре-
шением, полученным с помощью вариационных методов.
Метод динамического программирования базируется на посту-
лате, получившем название принципа оптимальности и суть кото-
рого заключается в следующем:
оптимальное поведение обладает тем свойством, что каковы бы
ни были первоначальное состояние и решение в начальный момент,
последующие решения должны составлять оптимальное поведение
относительно состояния, получающегося в результате первого ре-
шения.
Для получения необходимых и достаточных условий оптималь-
ности вводится скалярная функция S, называемая потенциалом
или функцией Веллмана—Ляпунова, как минимальное значение
критерия оптимальности, которое получается для заданного в ка-
кой-либо момент времени t состояния (х, t) при оптимальном управ-
лении
К
= min / (х, U, f) = min Ф (xtK, [ G(x> U, 7)dn.
/ J
(195)
Необходимое и достаточное условия записываются в виде диффе-
ренциального уравнения Веллмана
—>=„%" {с('.у.о+£*} о»)
и t llU
с краевым условием S (х4к, /к) = Ф (х4к, /к). Если выражение в фи-
гурных скобках непрерывно по U и на него не наложено никаких
ограничений (это соответствует классической постановке задачи
340
динамической оптимизации), то из необходимого условия оптималь-
ности
<?{•}
dU
= 0
(197)
получаем выражение для экстремального (а в случае его единствен-
ности — оптимального) управления
U* = U (х, -Ц-, /). (198)
Но пока мы не можем указать явное выражение для экстремального
управления, поскольку уравнение Веллмана (196) еще не решено
и потенциал S (х, t) не найден. Однако, если найденное управление,
минимизирующее правую часть уравнения (196), подставить в него,
то получим уравнение Гамильтона—Якоби относительно потенциала
4+°’ММ+#/=0 <199>
с краевым условием S (х(к, /к) = Ф (х/к, /к), где G* (х,-|^-, =
= G (х, U*, t). Уравнения (198) и (199) позволяют найти оптималь-
ное управление и потенциал (функцию Веллмана—Ляпунова).
Решение уравнения (199) можно, найти лишь в простейших случаях,
поскольку в общем случае оно нелинейно. Удобно представить его
в иной форме, как это было сделано в случае принципа максимума и
вариационного исчисления выше. Для этого определим гамильто-
ниан
н(х, U*, U*, 04--^-F(x, t/*, t), (200)
где вектор-функция F (х, U*, t) = {Д (х, U*, t), . . .fn(x, U*,
t), представляющая правую часть уравнений объекта и тогда вместо
одного скалярного уравнения в частных производных (199) перей-
дем к 2 векторным (или 2п скалярным) обыкновенным дифферен-
циальным уравнениям относительно состояния и градиента потен-
. / as \т
циала, обозначенного (-ч—) =ф
= х(/о)=хо- *(М = *„
., / дН \т
* =-(-аг)
(201)
Индекс Т означает транспонирование.
Отметим, что в задаче без ограничений система уравнений (201)
эквивалентна уравнениям (186) и (187), при этом вектор совпадает
с вектором множителей Лагранжа. Заметим, что как и в предыдущих
двух случаях решение уравнений (201) приводит к двухточечной
краевой задаче.
Решим задачу определения оптимального расхода дутья в кон-
вертере, сформулированную выше, методом динамического програм-
мирования.
341
Запишем необходимые и Достаточные условия в виде дифферен-
циального уравнения Веллмана (196), которое в нашем случае при-
мет вид:
—f- = min{4w/2 + -#(-M- (202)
oi ' и \ )
Если считать, что ограничений на U не накладывается, то восполь-
зуемся уравнением (197) и получим
bU = — k 4^ = о.
дх
Откуда оптимальное управление выразится как
= (203)
Ь дх ' '
Для получения выражения для х (/) и воспользуемся системой
уравнений (201) и получим
х' — — kU* — —~ ф;
ф' = 0; ф = С.
Решая первое из этих уравнений и учитывая, что ф = С, получим
х = х0—
Для того чтобы определить величину С воспользуемся знанием
величины х (/к) = XtK и получим, как и ранее,
Подставив эту величину в выражение (203), имеем
*о — xt
U* =—-------S-.
Мк
Это выражение полностью совпадает с результатом, полученным
методами вариационного исчисления. С учетом ограничений, нало-
женных на управление (184), окончательно получим
и* =
ы • К , если -------- < t/max;
xo — xt
^Лпах» 6СЛИ t/max-
Это решение совпадает с решением, полученным с использованием
принципа максимума.
342
§ 6. Расчет экономической эффективности
систем автоматизации
Важной составной частью дипломного проекта является расчет
экономической эффективности системы автоматизации. Возможную
методику такого расчета покажем на примере.
Пример. Рассчитать экономическую эффективность автома-
тизации дозирования шихты в шихтовом отделении агломерацион-
ной фабрики. Стоимость аппаратуры системы автоматизации Ло =
= 40 000 руб.; обслуживанием системы заняты два человека (4-го и
5-го разрядов).
Исходные данные для расчета. Уменьшение погрешности дози-
рования материалов с 10 % до ±2 % приводит к улучшению усло-
вий работы агломерационных машин и повышению качества агло-
мерата, вследствие чего производительность агломерационных ма-
шин увеличивается на \хг = 3 %, расход топлива на агломерацию
сокращается на Дх2 = 2 %, производительность доменных печей
увеличивается на Дх3 =0,1 % и расход кокса в доменном цехе
уменьшается на Дх4 =0,1 %.
Относительно постоянные расходы на аглофабрике Fa = 0,4 руб/т;
годовое производство агломерата до автоматизации Ра1 = 2 млн, т/год;
расход топлива на агломерацию та1 = 0,070 т/т; цена топлива на
агломерацию Цт = 14,2 руб/т; удельная капиталоемкость производ-
ства 1 т агломерата в год Ка1 = 2,4 руб/т; относительно постоянные
расходы в доменном цехе F„ =2,1 руб/т; годовое производство чугуна
до автоматизации РЧ1 = 1 млн. т/год; расход кокса на производство
чугуна тч1 = 0,68 т/т; цена кокса Цк =43,3 руб/т; удельная капита-
лоемкость производства 1 т чугуна в год КЧ1 = 2,7 руб/т.
Решение. Капитальные затраты на создание системы автоматизации
Кавт = (14-1,15) X 40 000 4- 0,04 X 40 000 = 87 600 руб.
Заработная плата обслуживающего персонала
3 = (0,8900 + 1,002) X 1790 = 3387 руб/год.
Эксплуатационные расходы по системе автоматизации:
Эс = 1,02 (1 + 0,5 + 0,85 )Х 3387 + 0,155x87 600 =
= 21 967 руб/год.
Уменьшение себестоимости агломерата
ДСа — (F a Дл^ 4- ffiai Д-^аЦт)-Гбо----=
= (0,4 • 3 + 0,07 • 2 • 14,2) °,03) = 65 673 руб/год.
343
Уменьшение себестоимости чугуна-
ДСЧ = (Гд Д*з + тч1 ДхчЦк)------х- 100 ' =
= (2,1 0,1 4-0,68 0,1-43,3) 1'— (11-^,001) ^31576 руб/год.
Экономия на капитальных затратах для производства агломерата
д^а = Ка1?ai = 2,4 0,03 2 10е = 144 000 руб.
Экономия на капитальных затратах для производства чугуна
ДКЧ = КЧ1 Аа = 2,7-0,001 -110® = 2700 руб.
Годовой экономический эффект
ДЭ = 65 673 + 31 576 — 21 697 + 0,15 (144 000 + 2 700 —
— 87 600) = 84 417 руб/год. »
Объем исходных данных в примере является характерным для
подобных расчетов. Все исходные данные могут быть получены на
предприятии, где проходит преддипломная практика, или заимство-
ваны из технической литературы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации в химической технологии.
М.: Химия, 1975. 562 с.
Глинков Г. М., Маковский В. А., Лотман С. Л. Проектирование систем контроля
и автоматического регулирования металлургических процессов. М.: Металлургия,
1970. 421 с.
Глинков Г. М., Маковский В. А. АСУ ТП в агломерационных и сталеплавильных
цехах. М.: Металлургия, 1981. 360 с.
Грон Д. Методы йдентификации. М.: Мир, 1978. 359 с.
Дегтярев Ю. И. Методы оптимизации. М.: Советское радио, 1980. 269 с.
Климовицкий М. Д., Шишкинский В. И. Приборы автоматического контроля
в металлургии: Справочник. М.: Металлургия, 1979. 296 с.
Кравцов А. Ф., Зайцева Е. В., Чуйко Ю. Н. Расчет автоматических систем и ре-
гулирования металлургических процессов. Киев—Донецк: Вища школа, 1981.
Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. X. Проектирование систем авто-
матизации технологических процессов. М.: Энергия, 1980. 511 с.
Нетушил А. В. Теория автоматического управления. Ч. I. М.: Высшая школа,
1976. 540 с.
Правила 28—64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандартными
диафрагмами и соплами. М.: Издательство стандартов, 1980. 152 с.
Проектирование систем автоматизации в металлургии: Справочник/Ксендзов-
ский В. Р., Лебедкин В. Ф., Миров Б. М. и др. М.: Металлургия, 1983. 303 с.
Сургучев Г. Д. Математическое моделирование сталеплавильных процессов.
М.: Металлургия, 1978. 224 с.
Техника проектирования систем автоматизации технологических процессов/Под
ред. Шепетина Л. И. М.: Машиностроение, 1976. 496 с.
Шевцов Е. К- Справочник по поверке и наладке приборов. Киев: Техника,
1981. 206 с.
Щуп Т. Решение инженерных задач иа ЦВМ. М.: Мир, 1982. 232 с.
Цирлин А. М., Балакирев В. С., Дудников Е. Г. Вариационные методы оптими-
зации управляемых объектов. М.: Энергия, 1976. 450 с.
344
Выходная величина
Входная величина
Кривая разгона
Приложения
Таблица 1. Динамические характеристики агломерационного производства
Активная длина /а, м (термо-
пары в металлических чех-
лах в последних камерах раз-
режения)
Высота слоя Л, мм
Температура в общем кол-
лекторе (термопара в метал-
лическом чехле), °C
Скорость движения агло-
ленты, V[, мм/с
I
Разрежение в первой камере
разрежения, Па
Влажность шихты ср, %
1а,
0,08 орь ' / X _1л i I । t 1
200400 600 800Ю001200т.с
t’C
0,5 1 1 _L L_
0 100 200 300 400 500 Т, С
Р,Па
400 200 1 1 1
Температура зоны спекания
^радиационный пирометр),
Содержание углерода
в шихте (возмущение в-
шихтовом отделении) С,
%
О 100 200 300 400 ЗООт.С
t°C________________________'
1 “I k*61°0/%
О 200 400 600 800 1OOOZ,C
t°C
Температура горна (термо-
пара в металлическом чехле),
°C
Положение заслонки в
газопроводе, % хода ис-
полнительного механиз-
ма (ИМ)
10
5
О 10 20 30 40 30 60 Т,С
345
Таблица II. Динамические характеристики доменного производства
346
Выходная величина
Входная величина
Кривая разгона
Таблица III. Динамические характеристики мартеновской печн
Температура свода
Давление в рабочем про-
странстве (колокольный
дифманометр), Па
Давление в рабочем про-
странстве 250-т печи, Па
Содержание кислорода в
продуктах сгорания в вер-
тикальном канале, %:
1 — прогрев, 2 — плавле-
ние, 3 — доводка
Расход газа или воздуха,
м3/с
Положение регули-
рующего органа на
газопроводе, % хода
Положение дымового
шибера, % хода
Тепловая нагрузка,
МВт
Коэффициент расхо-
да воздуха, %
Положение регули-
рующего органа, %
хода
О 20 00 SO Г,С
О 1 2 3 it 5 в Г, С
0,2 Of 4s 0,8 1,0 1,2 1,0 Г, С
347
Выходная величина
Входная величина
Кривая разгона
Таблица IV. Динамические характеристики рекуперативного нагревательного
колодца
Температура в ячейке
(термопары в фарфоровом
и карборундовом чехлах),
°C
Расход топлива (положе-
ние регулирующего ор-
гана, % хода)
(."С
Давление под крышкой
ячейки (колокольный
дифманометр), Па ..
Положение дымового шИ'
бера, % хода
р,Па
i
- / Z-J I L— J I—
Расход газа или воздуха
(мембранный компенса-
ционный дифманометр) Q,
м®/с
Положение регулирую-
щей заслонки, % хода
О 2 4 6 8 1OZfi
348
Выходная величина
Входная величина
Кривая разгона
Таблица V. Динамические характеристики методической печи
(производительность печи 125 т/ч)
Темпер ату р а п оверхности
металла в конце метрдиче-
ской зоны (радиационный
пирометр), °C
Расход смешанного
газа (теплота сгора-
ния 8400 кДж/м3)
То же
Производительность
печи Qn. кг/с
t,°C
8
6
4
2
О W0 800 1200 Г,с
Температура в томильной
зоне (термопара в фарфоро-
вом чехле), °C I
Температура в томильной
зоне (радиационный пиро-
метр, визированный на ста-
кан), °C
Расход топлива, %
хода ИМ
О 50 ЮО 150 2001,С
То же
Температура в сварочной зо- »
не (термопара в фарфоровом
и карборундовом чехлах), °C
3
2
1
0 100 200 300 ‘ W0t,C
t°C
0,3
0.2
41
0 100 200 300 wot,С
349
Таблица VI. Показатели качества переходных процессов
Регулируемая величина Максималь- ное возмуще- ние, % хода per. органа Требуемые показатели качества (ие более)
динамическое отклонение статическая ошибка, хст время регули- рования 'р-с
Доменная печь и воздухонагреватели
Температура горячего дутья 50 50 °C 5 °C 180
Давление газа на колошнике 15 5 кПа 1 кПа 25
Температура купола воздухона- гревателя 40 20 °C 10 °C 200
Мартеновская печь
Давление в рабочем простран- стве 10 5 Па 0,5 Па 25
Расход газа или воздуха 30 15£Об, м3/с 2feO6 5
Нагревательные устройства
Температура в томильной зоне 15 25 °C 10 °C 250
методической печи То же, в сварочной зоне Температура рабочего простран- 25 40 °C 10 °C. 300
20 35 °C 10 °C 900
ства нагревательного колодца (термопара в кварцевом и карбо- рундовом чехлах) Давление в ячейке колодца 10 4 Па : 0,5 Па 25
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автоколебания 129
Автоматизация:
агломерационной фабрики 198
---- контроль и управление под-
готовкой и подачей шихты 199
----управление процессом спека-
ния 205
двухвайной печи 241
доменной печи 219
---- управление загрузкой 222
дуговой печи 242
кислородного конвертера 246
мартеновской печи 235
----управление тепловой мощно-
стью 237
машины непрерывного литья заго-
товок 248
миксерного отделения 233
нагревательных устройств прокат-
ных цехов 252
---------нагревательных колодцев
253
850
Автоматизация:
------------печей непрерывного дей-
ствия 253
------------термических печей 256
Автоматическая система управления
технологическим процессом:
агломерации и производства окаты-
шей 211
выплавки и непрерывной разливки
стали 250
доменным 234
конвертерным 247
нагрева металла 256
окомковаиия 216
Агломерация 196
Агрегатный комплекс электрических
средств регулирования 183
Адекватность 97
Анализ регрессионный 314
Аппарат засыпной 224
Аппаратура:
контроля и сигнализации 168
Аппаратура:
------динамические характери-
стики 170
систем автоматизации 160
------надежность 161
управления 183
Беллмана—Ляпунова функция 340
Беллмана уравнение 341
Ведомость 192
Весоизмеритель 202
Вращающийся распределитель шихты
224
Вязкость:
динамическая воды 82
— водяного пара 82
— газа 82
кинематическая 81
условная 81
Газоанализатор 226
Государственная система приборов 160
Гурвица критерий 135
Документация 5
Дэвидсона—Флетчера—Пауэла метод
103
Журнал кабельный 8, 66
— трубный 8, 66
Задание на проектирование 6
-------- дипломное 299
Задача:
динамической оптимизации 335
идентификации 96, 1Q2
Коши 97
— решение 98
краевая 97
— двухточечная 337
линейного программирования 334
оптимизационная 331
Записка пояснительная 190
Изображение условное графическое:
коммуникаций 12
линий связи 25
на электрических схемах 31
оборудования 12
приборов 13, 14, 19
средств автоматизации 13, 14
Инструкция тепловая 237
Код элементов буквенный 43
Комплекс вычислительный 252
----управляющий 199
Конвертеры кислородные 246
Колодцы нагревательные 253
Котельникова теорема 112
Коши задача 97—99
Коэффициент:
динамический регулирования 119
расхода для диафрагмы 85
сжимаемости газов 81
Кривая импульсная 107
— разгона 106
Критерий идентификации 102
jr- оптимальности 131, 329
---- выбор 329
----интегральный квадратичный 132
-------- обобщенный 133
Линеаризация гармоническая 128
----коэффициенты 129, 130
Маркировка электрических цепей 42
Машина непрерывного литья заготовок
248
— централизованного контроля и ре-
гулирования 181
Методы экспериментальные 314
Механизм исполнительный 145
----выбор 160
---электрический 184
Модель аналоговая 142
— математическая 312
----методы построения 317, 321
Модуль для диафрагмы 85
Найквиста частотный критерий устой-
чивости 129
Обозначение условное:
буквенное приборов 15
графическое на электрических схе-
мах 31
дополнительное преобразователей
сигналов н вычислительных уст-
ройств 17
позиционное приборов и средств
автоматизации 24
цифровое коммуникаций, трубопро-
водов 12
Объект управления:
описание 90
определение коэффициентов 96
характеристики 91
Окатыши 210
Оптимизация 329
Орган регулирующий 145
---- изменение рабочей характери-
стики 157
Отделение миксерное 235
Отклонение стандартное 316
Охлаждение вторичное 250
Печь:
двухванная 241
— управлениетепловым режимом 242
доменная 219
дуговая сталеплавильная 242
-----автоматически контролируе-
мые параметры 244
----- регулирование подачи кисле-
рода 245
мартеновская 235
— автоматическая перекидка кла-
панов 241
351
— — контролируемые параметры
237
— регулирование давления 241
— управление тепловой мощностью
237
----------динамическое 238
-----сжиганием топлива 241
методическая 253
— параметры контроля и регулиро-
вания 258
Питатель 202
Плотность 79—81
Преобразователь сигналов 181
Прибор:
вторичный 178
для контроля состава и качества 180
первичный 172—177
показывающий 171
самопишущий 170
Принцип оптимальности 340
Погрешность:
округления 99
распространения 99
усечения 99
Показатель колебательности 117
Приборы:
вторичные 178
для контроля состава и качества 180
первичные 172—177
показывающие 171
самопишущие 171
Проект дипломный 299
---- оформление 321
— курсовой 262, 292
Процесс переходный 136
— регулирования 117
Пульт управления 59
Расходомер 170
Регуляторы:
выбор 116
импульсные 131
определение настроек 121
применяемые на металлургических
объектах 183
промышленные 133
расчет 120, 124
релейные 127
типы 118
Рейнольдса число 84
Ремиконт 188
— библиотека алгоритмов 189
Розенброка метод 104
Рунге—Кутта метод 99
-------формулы 100
Сигнализация технологическая 51
Система автоматизации, надежность
161
----экономическая эффективность
163, 343
Смета 194
Сопротивление местное, коэффициенты
149
Спецификация 193
Схема:
автоматического регулирования 54
внешних электрических и трубных
проводок 64
комплексного тиристорного устрой-
ства 48
монтажная щитов и пультов 61
принципиальная электрическая 27
сигнализации 51
— технологической 53
технологическая агломерационной
фабрики 197
структурная автоматизации техно-
логических процессов 9
— контроля и управления доменной
печью 10
управления электроприводами 45
— асинхронным электродвигателем
47
функциональная автоматизации тех-
нологических процессов 11
— графическое оформление 25
— термической печи 29
электрическая питания 57
— измерительная, расчет 86
— принципиальная 27
Тейлора ряд 99
Термозонт шомпольный 240
Уравнемер радиоактивный 202
Устройство сужающее 77
Фишера методика 316
Функция:
корреляционная ПО—113
— аппроксимация 113—115
стационарная случайная 111
Характеристика объекта управления:
амплитудно-фазовая 108
динамическая 106
Хэмминга метод 1.02
Чертеж монтажный 68
Шнхта агломерационная 196
— доменная 218
Шкалы мостов и потенциалов 179
Щит управления 59
Эйлера модифицированный метод 99