Автоматизированная система управления технологическим оборудованием печи

Заключение Аннотация Список(+).doc

Для обеспечения требуемого уровня автоматизации заданного процесса
была применена трёхуровневая система супервизорного управления с
использованием локального микропроцессорного контроллера (Micro-PC) и
компьютера промышленного исполнения (РС). Применение микропроцессорной
цифровой автоматической системы по сравнению с централизованной системой
непосредственного цифрового управления было обусловлено функциональной и
пространственной децентрализацией. Функциональная децентрализация в
результате распределения задач по отдельным Micro-РС позволила обеспечить
высокую надёжность путём резервирования. Пространственная децентрализация
за счёт максимального приближения регулирующих и управляющих устройств к
технологическому процессу привела к сокращению затрат на кабельные линии
Верхний уровень был реализован на компьютере промышленного исполнения
и периферийных устройствах ввода – вывода. Средний уровень был реализован с
помощью микропроцессорного контроллера Micro-РС обеспечивающего
регулирование технологических переменных программно-логическое управление
а также сигнализацию и блокировку. На нижнем уровне были расположены модули
устройства связи с объектом первичные датчики и исполнительные механизмы.
Курсовой проект по курсу автоматизация типовых технологических
установок и комплексов выполнен студентом группы АЭП-091 Степанов А.С..
Руководителем курсового проекта является доцент кафедры “Электропривод и
АПУ“ Черная Л.Г. Темой курсового проекта является разработка информационно-
управляющей системы автоматизации печи.
В качестве основного направления автоматизации установки было выбрано
применение в проектируемой системе программируемого микроконтроллера
который выполняет все функции управления и в случае возникновения аварийных
ситуаций осуществляет также управление аппаратами блокировки и
сигнализации. Элементом управления высшего уровня является ЭВМ
(специализированная рабочая станция) которая осуществляет контроль и
централизованное управление всем комплексом применяемого оборудования а
также позволяет объединять всё оборудование предприятия в единую сеть и
управлять этим оборудованием.
The course project at the subject automation model of technological
installations and complexes is executed by the student of group AEP-091
Stepanov A.S. The Head of the course project the senior lecturer of
faculty “The electric drive and automation of industrial installations”
Chernaja L.G. The theme of the course project development of management
information system automation furnace.
As the basic direction of automation of installation application in
projected system of the programmed microcontroller which carries out all
functions of management was chosen and in case of occurrence of emergencies
carries out also management of devices of blocking and the signal system.
An element of management of a highest level is the COMPUTER (the
specialized workstation) which carries out the control and the centralized
management of all complex of the used equipment and also allows to unite
all equipment of the enterprise in a uniform network and to operate this

ПЗ3.doc

3 Разработка структурной схемы системы автоматизации
1 Определение количества датчиков исполнительных механизмов с
указанием видов сигналов.
Для того что бы система удовлетворяла предъявляемым требованиям и для
ее управления были выбраны следующие типы датчиков и исполнительных
Контроль состояния клапанов обеспечим с помощью концевых выключателей
имеющих дискретный выход 220 В. При помощи датчика скорости (без
контактный) осуществляется контроль за включением двигателей. Датчик
скорости подключается по интерфейсу RS-485. Для измерения температуры T
продукта на выходе применяется погружной датчик температуры с аналоговым
выходом 4 20мА. Для измерения давления в трубах применяются монометры с
аналоговым выходом 4 20мА.
Измерение расхода должно обеспечиваться с помощью датчиков расхода с
Для управления данным объектом используются следующие исполнительные
Для запирания трубопроводов используются отсечные клапана
управляемые дискретно. Управление двигателем M2 обеспечивается с помощью
контактора управляемого с помощью промежуточного реле. Управление
двигателем М1 который питается через частотный преобразователь
осуществляется с помощью аналогового выхода.
2 Описание схемы структурной информационно-управляющей системы
автоматизации с указанием выполняемых функций на каждом уровне.
Для обеспечения требуемого уровня автоматизации рассматриваемой
системы необходимо применение трёхуровневой системы супервизорного
управления с использованием локального микропроцессорного контроллера
(Micro-PC) и компьютера промышленного исполнения (РС). Преимущества
микропроцессорной цифровой автоматической системы по сравнению с
централизованной системой непосредственного цифрового управления
обусловлены функциональной и пространственной децентрализацией.
Функциональная децентрализация в результате распределения задач по
Micro-РС позволяет обеспечить практически любую надёжность путём
резервирования. На рисунке 3.1 приведена структура автоматизированного
технологического комплекса.
ДС-датчик контроля скорости двигателя; ДПКВ-датчик положения(конечный
выключатель); ДТ-датчиктемпературы; ДД-датчик давления; ДР-датчик расхода;
КО-клапан отсечной;М1-электродвигатель насоса; М2-электродвигатель
Рисунок 3.1 — Структура автоматизированного технологического комплекса
Верхний уровень реализован на компьютере промышленного исполнения и
периферийных устройствах ввода – вывода. На компьютер возложены не только
функции задания параметров и протоколирования но и функции контроля и
управления процессором прогнозирования и корректировки хода процесса
принятия решения в аварийных ситуациях.
Средний уровень реализован с помощью микропроцессорного контроллера
Micro-РС обеспечивающего регулирование технологических переменных
программно-логическое управление а также сигнализацию и блокировку. На
нижнем уровне расположены модули устройства связи с объектом первичные
датчики и исполнительные механизмы.
Особенностью предлагаемой структуры управления является
взаимозаменяемость верхнего и среднего уровней управления при выходе из
строя одного из них. В случае отказа компьютера можно завершить процесс с
помощью микропроцессорного контроллера и пульта дистанционного управления
либо довести его до состояния при котором возможен ремонт а в случае
сбоев на среднем уровне компьютер может самостоятельно управлять процессом.
Автоматизированный технологический комплекс связан в общее
информационное пространство с ЭВМ более высокого уровня по средствам
Разработка структурной схемы системы автоматизации
Белорусско-Российский университет АЭП-091

Титульник(+).doc

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное Учреждение
Высшего Профессионального Образования
«Белорусско-Российский университет»
Кафедра “Электропривод и АПУ”
«Разработка информационно-управляющей системы автоматизации печи»
Пояснительная записка
Руководитель проекта
“ Автоматизация типовых технологических установок и комплексов ”

ПЗ2.doc

2 Требования к информационно–управляющей системе автоматизации
технологической установки. Обеспечение автоматического и местного ручного
Современный уровень производства в промышленности требует создания
гораздо более совершенных систем управления чем локальные системы
автоматизации. Внедрение компьютерных технологий в управление
производственными процессами позволяет поднять уровень автоматизации на
качественно новую ступень. Можно выделить следующие преимущества применения
промышленных информационно-управляющих вычислительных систем:
полная автоматизация опроса и регистрации измеряемых параметров;
программная и аппаратная совместимость с персональными компьютерами;
обеспечение высокой надежности работы в экстремальных ситуациях;
высокая скорость опроса каналов;
высокая достоверность и точность обработки результатов измерений;
непрерывный контроль за ходом процесса на экране монитора и регистрация
измерительной информации в форме удобной для дальнейшей обработки по
архивирование результатов.
Основными задачами модернизации являются:
а) обеспечение высокоэффективного уровня использования
б) достижение экономичности работы электрооборудования;
в) увеличение времени эксплуатации электрооборудования системы
Функции информационно–управляющей системы автоматизации:
) Контроль технологических переменных;
) Контроль качества сырья и готовой продукции;
) Регистрация технологических переменных;
) Контроль состояния основного электрооборудования;
) Контроль работоспособности комплекса технических средств;
) Расчёт технико-экономические показатели;
) Анализ технологических ситуаций;
)Управление технологическим процессом(регулирование технологических
) Оптимизация технологического процесса(расчёт оптимальных
) Оценка качества ведения технологического процесса;
) Обмен информацией со смежными и вышестоящими уровня управления.
В данном проекте нужно обеспечить как автоматическое так и местное
управление технологическим объектом. Автоматическое управления будет
обеспечиваться с помощью контроллера по следующему принципу: нужные нам
величины технологического объекта контролируются датчиками сигналы с
датчиков приходят в контроллер контроллер анализирует полученные данные и
посылает сигналы управления на преобразователи магнитные пускатели
Местное управление представляет собой дискретное включение механизмов
системы (двигателей клапанов) с помощью кнопок через которые будет
подаваться напряжение на рассмотренные ранее механизмы. Это необходимо для
того чтобы удобно осуществлять наладку оборудования. То есть поверять
клапана настраивать частотный преобразователь и т. д..
Автоматическое и местное управление необходимо разделить для этого
обычно используют переключатели (тумблеры).
Требования к информационно–управляющей системе автоматизации
технологической установки
Белорусско-Российский университет АЭП-091

ПЗ5.doc

5 Разработка схемы функциональной информационно-управляющей системы
Функциональная схема – основной технический документ определяющий
функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля
управления и регулирования технологического процесса и оснащение объекта
управления приборами и средствами автоматизации.
При разработке схемы функциональной системы автоматизации печи
поставим следующие цели:
а) получение первичной информации о состоянии технологического
процесса и оборудования;
б) непосредственное воздействие на технологический процесс для
в) стабилизация технологических параметров процесса;
г) контроль и регистрация технологических параметров процессов и
состояния технологического оборудования.
Указанные задачи будем решать на основе анализа условий работы
технологического оборудования выявленных законов и критериев управления
объектом а также требований к точности стабилизации к контролю и
регистрации технологических параметров к качеству регулирования и к
надежности системы в целом.
При разработке функциональной схемы АСУТП будем руководствоваться
следующими общими принципами:
а) уровень автоматизации технологического процесса в каждый период
времени должен определяться не только целесообразностью внедрения
определенного комплекса технических средств и достигнутым уровнем научно-
технических разработок но и перспективой модернизации и развития
технологических процессов возможностью наращивания функций управления;
б) необходимо учитывать вид и характер технологического процесса
свойства измеряемой среды расстояние от мест установки датчиков
вспомогательных устройств и исполнительных механизмов и приводов машин до
пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие средств
в) система должна строится на базе серийно выпускаемых средств
автоматизации при том надо стремиться к применению однотипных средств
автоматизации и предпочтительно унифицированных систем характеризуемых
простотой сочетания взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах
г) в качестве локальных средств сбора и накопления первичной
информации (автоматически датчиков) вторичных приборов регулирующих и
исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и
средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов;
д) в случаях когда функциональные схемы автоматизации не могут быть
построены на базе только серийной аппаратуры в процессе проектирования
выдаются соответствующие технические задания на разработку новых средств
е) количество приборов аппаратуры управления и сигнализации
устанавливаемой на оперативных щитах и пультах должно быть ограничено.
Избыток аппаратуры усложняет эксплуатацию отвлекает внимание
обслуживающего персонала от наблюдения за основными приборами
определяющими ход технологического процесса увеличивает стоимость
установки и сроки монтажных и наладочных работ.
Функциональная схема автоматизации печи обеспечивает выполнение
) контроль положения отсечных клапанов;
) контроль состояния двигателя(вращение);
) автоматическое регулирование температуры продукта на выходе.
Основная часть системы автоматизации строится на базе
микроконтроллера. На него заводятся все сигналы с датчиков и кнопок
управления и после соответствующего преобразования в нужный
электрический сигнал и гальванической развязки заводятся на вход
микроконтроллера где в соответствии с управляющей программой эти сигналы
обрабатываются и уже с соответствующих выходов микроконтроллера также
после преобразования поступают на исполнительные устройства .
1 Выбор средств автоматизации
1.1 Выбор и обоснование контрольно-измерительных приборов описание
принципа действия технических характеристик.
В качестве датчиков скорости двигателей используем тахометр фирмы
«Инкотес» ДО-03-04 [2 Приложение А стр.36] со следующими параметрами:
- напряжение питания 25-5 В ;
- интерфейс – RS-485;
- температура окружающей среды -25 +850С;
средняя работоспособность – 10000 часов.
Для измерения давления воздуха и мазута в трубопроводе выбираем
датчик давления КРТ-5 фирмы Орлэкс [3 Приложение Астр.36] со следующими
- диапазоны давления от 0 до 025 100 МПа;
- основная погрешность ±05;
- выходные сигналы 4-20 мА; 0-5 мА; 0-5 В; 0-10 В;
- потребляемая мощность не более 1 Вт;
- напряжение питания 16-42В
- габариты не более 38х176 мм;
- масса не более 015 кг;
- температура измеряемой среды — от -45 до +110 °С;
- температура окружающего воздуха — от -45 до +80 °С.
Для измерения расхода мазута в трубопроводе выбираем датчик расхода
Digital YEWFLO фирмы “YOKOGAWO” [ 7 Приложение А стр.38] со следующими
- выходной сигнал 4÷20 мА;
- рабочая температура -30 ÷ +85 °C;
- напряжение питания 16-42 В.
Для измерения температуры продукта на выходе выбираем погружной датчик
температуры Pt100 фирмы “SIEMENS” [ 7 Приложение А стр.39] со
следующими параметрами:
- рабочая температура -30 ÷ +140 °C;
- напряжение питания 16-42 В;
- глубина погружения 10 мм.
Для контроля за положением клапанов выбираем концевой выключатель
КВД610 фирмы “Руст” [ 7 Приложение А стр.39] со следующими
- выходной сигнал до 250 В;
- рабочая температура -20 ÷ +70 °C;
1.2 Выбор и обоснование исполнительных механизмов средств контроля
их состояния описание технических характеристик.
Выбираем отсечной клапан S49 фирмы “GSR” [8 Приложение А стр.40]
со следующими параметрами:
- рабочая среда жидкая и газообразная;
- температура рабочей среды -40 +80С;
- напряжение питания 220В;
В качестве приводного двигателя насоса выбираем электродвигатели
серии M3АА-200-MLC 3GAA фирмы “ABB”[9 Приложение А стр.40] со
- номинальная мощность 30 кВт;
- номинальная скорость вращения 980 обмин;
- КПД при полной нагрузке 917%;
- коэффициент мощности 081;
- номинальное напряжение 380 В;
- номинальный ток 56 А.
В качестве приводного двигателя вентилятора выбираем электродвигатели
серии M2АА-180-L 3GGA фирмы “ABB”[9Приложение А стр.41] со следующими
- номинальная мощность 22 кВт;
- номинальная скорость вращения 1460 обмин;
- КПД при полной нагрузке 911%;
- коэффициент мощности 082;
- номинальный ток 42 А.
Выбираем частотный преобразователь ACS550-01-072A-4 фирмы “ABB”[10
Приложение А стр.41] со следующими параметрами:
- номинальное напряжение 380-480 В;
- номинальный ток 72 А;
- мощность в нормальном режиме 37 кВт;
- степень защиты IP21.
Для защиты двигателей от перегрузок и токов короткого замыкания
используем автоматические выключатели серии АЕ 2063 [11 Приложение А
стр.42] со следующими параметрами:
- номинальное напряжение 380В;
- номинальный ток 160 А;
- уставка электромагнитного расцепителя 12Iн;
- уставка теплового расцепителя 125Iн.
Данные выключатели имеют электромагнитный и тепловой расцепители. Ток
уставки теплового расцепителя регулируется а максимального равен 12 крат
номинального тока выключателя.
Для подключения контакторов в ручном режиме выбираем кнопочные
посты ПКУ 1521-121 54 У2 [12 Приложение А стр.42] со следующими
- номинальное напряжение 220 В;
- номинальный ток 10 А.
В качестве контактора выбираем LC1-D65 фирмы “ Schneider
Electric”[14 Приложение А стр.42] со следующими параметрами:
- номинальное напряжение 380-440 В;
- номинальный ток 65 А;
- доп. контакты – 1р. 1 з..
1.3 Выбор и обоснование контроллера модулей вводавывода.
Микроконтроллер выбирается с учетом следующих требований:
- надежность и долговечность;
- возможность организации в единую сеть предприятия;
- достаточный объем оперативной памяти для контроля за состоянием
технологического оборудования;
- достаточный объем памяти для программ пользователя (управляющие и
- достаточное количество необходимых входоввыходов.
Выбираем PC-совместимый модульный промышленный контроллер ПЛК150-220
фирмы “ОВЕН” [15 Приложение А стр.43] со следующими характеристиками:
- процессор АRM9 c RISC архитектурой;
- оперативная память 8 МБ;
- Ethernet 100 Base - 1 канал;
- 6 дискретных входов;
- 5 дискретных (релейных) выходов;
- 2 аналоговых выхода;
- 4 аналоговых входа.
1.4 Выбор и обоснование компьютера программного обеспечения
При выборе комплекса технических средств автоматизации необходимо
учитывать их стоимость производительность и надежность.
На верхнем уровне АСУТП выбираем панельный полнофункциональный ПК
марки ТPC-1260Т фирмы “Advantech” [15 Приложение А стр.43].
На компьютере данной фирмы установлена операционная система Microsoft
Windows CE 3.0 поэтому они обладают достаточным быстродействием большим
запасом прочности и надежности. Операционная система Windows CE 3.0
обеспечивает многозадачный режим работы прикладных программ осуществляет
поддержку расширенного управления питанием и работой подключенного к ней
источника бесперебойного питания.
Выбираем программное обеспечение SCADA – системы Trace Mode. TRACE
MODE состоит из инструментальной системы и исполнительных (run-time)
модулей. При помощи инструментальной системы осуществляется разработка АСУ.
Исполнительные модули служат для запуска в реальном времени проектов
разработанных в инструментальной системе TRACE MODE.
2 Разработка графического интерфейса Регулирования основной
технологической переменной в SCADA-системе TRACE MODE
Для построения графического интерфейса возьмем часть функциональной
схемы установки представленной на листе АСРТ 00.00.000 АТХ. Первым этапом
нужно создать узлы проекта. Были созданы PC-контроллер и операторская
станция. Затем перешли к автопостроению базы каналов контроллера.
Подключили каналы аналогового и дискретного вводавывода.
Для реализации контуров регулирования воспользовались моделью ПИ-
регулятора Trace Mode. Настройки регулятора соответствуют рассчитанным
оптимальным настройкам.
Нужно чтобы линии связи по которым будет осуществляться обмен
данными (локальная сеть последовательный интерфейс или коммутируемые
телефонные линии) поддерживались всеми связанными узлами. Для этого
перейдем к автопостроению базы каналов для обмена данными с другими узлами
проекта. Обмен данными осуществляется по последовательному интерфейсу по
Теперь переходим непосредственно к созданию графического интерфейса.
Рисуем насос вентилятор отсечные клапана. На график выводится температура
Т и расход мазута в реальном масштабе времени.
Заключительным этапом подключаем объекты графического интерфейса к
каналам управления. Графический интерфейс представлены на листе
3 Описание схемы функциональной информационно-управляющей системы
Схема информационно-управляющей системы построена на базе «MicroPC»
ПЛК150-220. МicroPC связан с PC с помощью Ethernet и предназначен для
создания на его основе автономных систем сбора данных и управления .
PC используется для вывода на экран параметров технологического
процесса их регистрации и сигнализации за предельное значение времени. РС
формирует законы управления исполнительными механизмами.
Для пуска и останова двигателя вентилятора используем пусковую
аппаратуру – обозначение «NS»(2-2) – устанавливаемую на местах и
управляемую по дискретному выходу «MicroPC» для пуска двигателя с
дискретного входа контроллера подается на катушку контактора напряжение в
0 В. Управление двигателем насоса осуществляется с помощью ПЧ –
обозначение «NY»(1-2). Управление ПЧ осуществляется следующим образом. Пуск
останов - с дискретного выхода контроллера подается напряжение 220 В.
Задание скорости –с аналогового выхода контроллера подается напряжение в
диапазоне 0-10 В. Снятия значений измерительной аппаратуры ПЧ
осуществляется по интерфейсу RS-485. Расход мазута контролируется датчиками
расхода – обозначение «FE»(3-2). Сигналы с датчика поступают на аналоговый
вход контроллера в диапазоне 4-20мА. Контроль температуры продукта на
выходе осуществляется с помощью датчика температуры «TE»(5-1). Сигналы с
датчика поступают на аналоговый вход контроллера в диапазоне 4-20мА.
Давление в трубопроводах контролируется с помощью датчиков давления «PE»(1-
-5). Сигналы с датчика поступают на аналоговый вход контроллера в
диапазоне 4-20мА. За скоростью двигателя следят датчики скорости «SE»(1-32-
). Данные поступают по интерфейсу RS-485. Регулирование уровня мазута
воздуха продукта в печи осуществляется путем открытиязакрытия клапанов
установленных на трубопроводах подачи. Эти регулирующие органы оснащены
магнитными пускателями (7-18-19-1). Датчик положения GE (3-14-16-1)
предназначенs для вывода информации на ЭВМ о положении клапана то есть
открыт или закрыт. Сигналы поступают на дискретные входы контроллера в виде
Так же мы можем запускать двигатели и открывать клапана с помощью
кнопок HS(1-42-4 7-2 8-2 9-2) в ручном режиме.
Сигнал снимаемый с датчиков поступают на аналоговые вводы ПЛК150-
0 после чего модуль процессора в зависимости от значения температуры
формирует сигналы управления исполнительными механизмами. При увеличении
(уменьшении ) температуры относительно заданного значения вырабатывается
аналоговый сигнал который через аналоговый выход поступает на
преобразователь частоты. Преобразователь частоты управляет двигателем
насоса регулирующим подачу мазута.
Схема функциональная представлена в графической части курсового
проекта на листе АСРТ 00.00.000 АТХ.
Разработка и описание
схемы функциональной
Белорусско-Российский университет АЭП-091

ПЗ4.doc

4 Структурно-параметрический синтез каскадной автоматической системы
регулирования основной технологической переменной
1 Составление схемы структурной каскадной АСР функциональной схемы
Каскадные автоматические системы регулирования применяют для
автоматизации технологических объектов управления если существует
вспомогательная технологическая переменная однозначно связанная с основным
В этом случае в систему каскадного регулирования представленную на
рисунке 4.1 включают два регулятора: основной (внешний) регулятор R(s)
служащий для стабилизации основной технологической переменной - температуры
y(s) вспомогательный (внутренний) регулятор R1(s) осуществляющий
регулирование вспомогательной технологической переменной – расхода y1(s).
Заданием yd1(s) для вспомогательного регулятора служит выходной сигнал
основного регулятора уровня.
Рисунок 4.1 – Структурная схема каскадной автоматической системы
yd(s)=125(±2)C – сигнал задания основной технологической переменной
yd1(s) – сигнал задания вспомогательной технологической переменной
y(s) – текущее значения температуры;
y1(s) - текущее значения расхода;
(s) – управляющий сигнал на регулятор;
U1(s) – управляющий сигнал на объект управления(печь);
R1(s) – регулятор расхода [p
R(s) – регулятор температуры [p
Функциональная схема каскадной автоматической системы регулирования
температуры продукта на выходе печи представлена на рисунке 4.2.
Рисунок 4.2 - Функциональная схема автоматизации каскадной
автоматической системы регулирования температуры на выходе печи
2 Определение оптимальных настроек регуляторов.
Исходные данные для расчета выбираются согласно варианту
индивидуального задания №17.
u=28c ku=30 Tu=28с – время запаздывания коэффициент усиления и
постоянная времени технологического объекта управления с передаточной
=16с k01=25 T01=15c – время запаздывания коэффициент усиления
и постоянная времени технологического объекта управления с передаточной
[pic] – степень колебательности.
Для определения оптимальных настроек основного ПИ – регулятора с
передаточной функцией [pic] воспользуемся выражением для передаточной
функции эквивалентного объекта управления:
Определение оптимальных настроек [pic] и [pic] проведем по методу
РАФЧХ эквивалентного объекта управления WЭ(mjw) определяем заменив
в передаточной функции WЭ(s) s[pic]-mw+jw.
[pic][pic]=[pic] [pic]
где [pic] [pic][pic][pic] – модуль и аргумент числителя и знаменателя
РАФЧХ эквивалентного объекта управления;
[pic] [pic] – модуль и аргумент РАФЧХ эквивалентного объекта
[pic][pic] – действительная и мнимая части РАФЧХ эквивалентного
Определим РАФЧХ [pic]:
Выполним преобразование [pic] по формуле Эйлера:
Тогда подставляем и получаем:
Выделяем мнимую и действительную части:
Задавшись значениями [pic] где [pic] получаем:
Рассчитаем оптимальные настройки внутреннего вспомогательного ПИ-
регулятора c передаточной функцией R1(s) по инженерной методике с помощью
таблицы для апериодического переходного процесса[1]:
Настройки основного регулятора можно рассчитать по формулам:
Строим график линии равного значения степени колебательности m
Рисунок 4.3 – График равного значения степени колебательности m
На рисунке 4.3 выбираем параметры Кuopt=0082; Крopt=0294 для
настроек регулятора.
Тогда передаточная функция основного регулятора:
Цифровой регулятор формирует управляющее воздействие на каждом шаге
регулирования uk с помощью рекурентных алгоритмов:
uk=uk-1+q0Δyk+q1Δyk-1
где uk-1 - управляющее воздействие на предыдущим шаге регулирования;
Δyk Δyk-1 – отклонение регулируемой переменной от задонного значения
на данном шаге регулирования предыдущем шаге регулирования.
q0 q1 – настройки цифрового регулятора.
Зная динамические параметры объекта управления настройку ПИ-
регулятора можно определить:
q0=Кр(1+ΔT2KI) q1=-Кр(1-ΔT2KI)
Где ΔT=T1uopt10=12 – период дискретизации.
Отсюда получим уравнение управляющего воздействия:
uk=uk-1+036Δyk-01Δyk-1
3 Определение динамической характеристики основной технологической
На рисунке 4.4 представлена математическая модель для исследования
динамической характеристики основной технологической переменной y(t) в
Рисунок 4.4 – Математическая модель для исследования динамической
На рисунке 4.5 показан график переходного процесса с данными
Рисунок 4.5 – График переходного процесса температуры на выходе печи
Показатели качества системы регулирования:
4 Определение точности канала системы противоаварийной
автоматической защиты (ПАЗ) и автоматической сигнализации (АС)
Для оценки точности каналов управления и защиты необходимо вычислить
погрешность канала измерения:
n – общее число элементов.
Отклонение от заданного значения определяется по формуле:
где N=140+30=170С – диапазон шкалы.
Для канала измерения вязкости вещества:
- погрешность модуля аналогового ввода - 01%;
- погрешность преобразователя – 01%;
- погрешность датчика температуры – 01% тогда:
Расчет уставок ведется следующим образом:
TустmaxПАЗ= TmaxПАЗ-Δ=132-03=131
TустmaxАС= TmaxАС-Δ=130-03=129
Таким образом заданная граница срабатывания АС по максимальной
температуре 130 С . АС должна сработать при величине большей границы АС на
величину абсолютной ошибки канала измерения. Принимаем уставку АС по уровню
Заданная граница срабатывания ПАЗ по температуре 132С. Принимаем
уставку ПАЗ по максимальному температуре 131 С.
Структурно-параметрический синтез каскадной АСР
Пояснительная записка
Белорусско-Российский Университет

Ведение.doc

В условиях современного производства все большее распространение
получает автоматизированный электропривод. Основными причинами являются:
быстрое реагирование на аварийную ситуацию очень высокое качество
производства при такой же высокой производительности а так же широкий круг
возможностей не подвластных человеку. Но поскольку очень высокими темпами
развиваются микроэлектроника силовая преобразовательная техника системы
управления электроприводами и другие области науки и техники то такие
темпы развития приводят к тому что электрооборудование так же быстро
морально стареет и требует модернизации.
Поэтому целью данного курсового проекта является повышение уровня
автоматизации печи путем применения современных средств автоматизации
технологического процесса (микропроцессорные программируемые контроллеры
промышленные компьютеры устройства удаленного сбора и передачи информации
Разработка функциональной схемы АСУТП
Белорусско-Российский университет

Приложение А(+).doc

Датчик скорости ДО-03-04
Датчик давления КРТ-5
Источник питания промышленный ACE-540A
Концентратор интерфейсов
Датчик расхода Digital YEWFLO
Датчик температуры PT100
Концевой выключатель КВД610
Двигатель насоса M3АА-200-MLC 3GAA
Двигатель вентилятора M2АА-180-L 3GGA
Частотный преобразователь ACS550-01-072A-4
Автоматические выключатели серии АЕ 2063
Кнопочные пост ПКУ 1521-121 54 У2
PC-совместимый модульный промышленный контроллер ПЛК150-220
Панельный полнофункциональный ПК марки PPC-153

Лист №3 правильный!(+).dwg

Преобразователь сигналов
Концентратор интерфейсов RS-232422485
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-081
Схема электрическаяnпринципиальнаяnПеречень элементов
nВыключатель автоматический ВА57-Ф35 250A
nИсточник питания промышленный ACE-540A;Uп=85-264 В;Iп=06А nIPS
nКаркас на 11 ISA слотов MIC-2000 250 Вт 230 В 50 Гц
nМодуль аналогового ввода MIC-2718 шестнадцатиканальный 0 5В 0 10В 20мА
nМодуль дискретного ввода MIC-2730 шестнадцатиканальный "0" при U1В"1" при U>4В U=0 30В
nМодуль процессора Pentium MMX Ethernet 10100Base-T RS-232485
nМодуль релейной коммутации MIC-2760 десятиканальный ~125V 50Hz 1A 30V 2A
nМодуль аналогового выхода MIC-2728 четырехканальный ±5В ±10В 4 20 мА 12 разрядов ЦАП
nМодуль цифрового вывода MIC-2750 шестнадцатиканальный 10В
nПреобразователь сигналов Siemens 3RS1705-FD00 0(1)-10V 0(4)-20mA Uпит = 18 30В
nКлапан регулирующий типа 241-4 с сервоприводом 3274-23 питание 230В 50 Гц управление 4 20мА
nПреобразователь частоты АВВ ACS550-01-180A-4 90 кВт 180 A
nДатчик вязкости L-Vis 510 Uпит 24В 4 20мА
nКомпьютер промышленный панельный IPPC 9150 15"XGA TFT ЖК дисплей
nКонцентратор интерфейсов RS-232422485 Ethernet 4 порта Uпит = 24V
nДатчик скорости импульсный цифровой Schneider Electric XCC1506PS03Y 9000rpm RS-485
nДвигатель асинхронный АВВ M2BAT-280-SMB-3GBA P=90кВт nном=2976 обмин =943 % cosφ=090
nВыключатель автоматический ВА 6735 180A
nПост кнопочный ПКУ 1521-121 54 У2;Uн=220 В;Iн=10А
nРеле промежуточное РК-1Р;Uн=24 В;Iмах=16А
nЛампа сигнальная XB6 Uн=24 В
nПереключатель кулачковый K10B001UCH ;Uн=220 В;Iн=10А

Лист №32007.dwg

Выключательnконцевой
nДатчик скорости ДО-03-04 Uпит=5 В RS-485
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-082
ПечьnСхема электрическаяnпринципиальная
Датчик nконцентрации
Промышленный n компьютер
nЭнкодер MDRM 18I9524
nДатчик расхода воздуха Digital YEWFLO
nМодульный промышленный компьютер Advantech
nПреобразователь частоты Micromaster 430
nПромышленный компьютер
nДатчик концентрации CSTW-3200
Датчик давления КРТ-5
nДатчик расхода ЭМИС-ВИХРЬ 200
nМодуль процессора MIC-2353- Advantech
nМодуль дискретного вывода MIC-2750; Advantech
nКонтактор переменного тока 3RT1044-1AF00
nРеле промежуточное RE-405 ALTU
nДвигатель асинхронный 1LG4 253-8AB ;Siemens
nВыключатель автоматический АЕ2066
ПечьnnПеречень элементов
nМодуль аналогового ввода MIC-2718; Advantech
nВыключатель концевой КВД 610
nМодуль аналогового вывода MIC-2728; Advantech
nКлапан отсечной РУСТ 310-2У
nБлок питания ACE-540A;etector 180
nДвигатель асинхронный 1LG4-207-4AA ;Siemens
nКонцентратор интерфейсов nnRS-485
nДатчикnnтемпературы
Преобразователь сигналов
Концентратор интерфейсов RS-232422485
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-081
Схема электрическаяnпринципиальнаяnПеречень элементов
nВыключатель автоматический ВА57-Ф35 250A
nИсточник питания промышленный ACE-540A;Uп=85-264 В;Iп=06А nIPS
nКаркас на 11 ISA слотов MIC-2000 250 Вт 230 В 50 Гц
nМодуль аналогового ввода MIC-2718 шестнадцатиканальный 0 5В 0 10В 20мА
nМодуль дискретного ввода MIC-2730 шестнадцатиканальный "0" при U1В"1" при U>4В U=0 30В
nМодуль процессора Pentium MMX Ethernet 10100Base-T RS-232485
nМодуль релейной коммутации MIC-2760 десятиканальный ~125V 50Hz 1A 30V 2A
nМодуль аналогового выхода MIC-2728 четырехканальный ±5В ±10В 4 20 мА 12 разрядов ЦАП
nМодуль цифрового вывода MIC-2750 шестнадцатиканальный 10В
nПреобразователь сигналов Siemens 3RS1705-FD00 0(1)-10V 0(4)-20mA Uпит = 18 30В
nКлапан регулирующий типа 241-4 с сервоприводом 3274-23 питание 230В 50 Гц управление 4 20мА
nПреобразователь частоты АВВ ACS550-01-180A-4 90 кВт 180 A
nДатчик вязкости L-Vis 510 Uпит 24В 4 20мА
nКомпьютер промышленный панельный IPPC 9150 15"XGA TFT ЖК дисплей
nКонцентратор интерфейсов RS-232422485 Ethernet 4 порта Uпит = 24V
nДатчик скорости импульсный цифровой Schneider Electric XCC1506PS03Y 9000rpm RS-485
nДвигатель асинхронный АВВ M2BAT-280-SMB-3GBA P=90кВт nном=2976 обмин =943 % cosφ=090
nВыключатель автоматический ВА 6735 180A
nПост кнопочный ПКУ 1521-121 54 У2;Uн=220 В;Iн=10А
nРеле промежуточное РК-1Р;Uн=24 В;Iмах=16А
nЛампа сигнальная XB6 Uн=24 В
nПереключатель кулачковый K10B001UCH ;Uн=220 В;Iн=10А
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-091
ПечьnСхема электрическаяnпринципиальнаяnПеречень элементов
nВыключатель концевой КВД610 ~250V 50Hz
nКлапан отсечной типа S49 питание 230В 50 Гц
nКонтроллер ПЛК150-220
nПреобразователь частоты АВВ ACS550-01-72A-4 30 кВт 72 A
nДатчик давления КРТ -5 Uпит 24В 4 20мА
nДатчик температуры PT100 Uпит 24В 4 20мА
nДатчик расхода Digital YEWFLO 4 20мАn
nКомпьютер панельный ТРС-1260Т
nПускатель магнитный РК-1Р;Uн=24 В;Iмах=16А
nВыключатель автоматический АЕ 2063;Uн=380 В;I=160А
nДвигатель асинхронный ABB M2АА-180-L 3GGA P=22кВт nном=1460 обмин =911 % cosφ=082
nДвигатель асинхронный АВВ M3АА-200-MLC 3GAA P=30кВт nном=980 обмин =917 % cosφ=081

Список.doc

Автоматизация типовых технологических установок и комплексов.
Методические указания. Часть 1 Л.Г Черная Г.С. Леневский М.П.
Слука А.В. Янкович. – Могилев: БРУ 2011. – 44с.: ил.
Методические указания. Часть 2 Л.Г Черная Г.С. Леневский М.П.
Слука А.В. Янкович. – Могилев: БРУ 2011. – 46с.: ил.
Леневский Г.С. Использование стандартов в курсовом и дипломном
проектировании. Методические указания. Часть 1-3 Г.С.
Леневский А.Н. Шапчиц. – Могилев: БРУ 2013. – 110 с.: ил.
air180m8. Интернет-ресурс
agazinmotorselektrodvigateli-asinhronnyeelektrodvigateli-
serii-air-1500-obair160s4-elektrodvigatel-15-kvt-1500
apml-4220. Интернет-ресурс

ПЗ6.doc

6 Разработка и описание схемы электрической принципиальной
Электрооборудование установки питается от сети трехфазного переменного
тока промышленной частоты 50 Гц через автоматический выключатель QF1.
Исходя из описания выбранных средств автоматизации и характеристик
технологических процессов произведём разработку схемы электрической
Двигатель М2 подключается к сети через автоматический выключатель
QF2 обеспечивающие защиту от токов короткого замыкания и токов перегрузки.
Включение двигателя производится контактором КМ1. Двигатель М1
запитывается через QF3.
Программируемый логический контроллер подключается к сети 220В.
Сигналы с датчиков давления(А6А9) расхода(А15) и температуры(А12)
подключаются к программируемому контроллеру через модуль аналогового ввода
сигналов. Запитываются эти датчики от блока питания(А1) напряжением 24 В.
На катушки отсечных клапанов(А3А8А11) поступает 220В с дискретного
входа контроллера при автоматическом режиме при ручном из блока питания
(А1). Концевые выключатели (А2 А7 А10) запитываются от блока питания(А1)
0 В. Датчики скорости (А13 А16) питаются от батареек 5В. Концентратор
интерфейсов (А14) запитывается от блока питания (А1) 24 В.
Частотный преобразователь подключается к контроллеру через дискретного
выхода интерфейс RS-485 и модуль аналогового выхода.
Схема электрическая принципиальная представлена в графической
части проекта АСРТ 00.00.000 Э3.
Разработка и описание схемы электрической принципиальной
Белорусско-Российский университет АЭП-091

Лист №1(+).dwg

Устройство nвывода на nпечать
Технологическое оборудование
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-091
ПечьnСхема структурная каскадной АСРnМатематическая модель каскадной АСРnДинамическая характеристика основной технологической переменной
Рисунок 1 - Схема структурная системы автоматизации
Рисунок 2 - Динамическая характеристика основной технологической переменной y(t)
Рисунок 3 - Схема структурная каскадной АСР
Технологическая установка - печь
Исполнительные механизмы
Модуль аналогового ввода
Модуль аналогового вывода
Модуль релейной коммутации
Интегрированный процессорный модуль
Ethernetn10100 Base-T
Загрузка и настройка системы регистрация и индикация параметров технологического процесса и состояния технологического оборудования и исполнительных механизмов протоколирование
Модуль дискретногоnввода
Рисунок 4 - Функциональная схема автоматизации каскадной автоматической системы регулирования температуры на выходе печи
R(s) - основной внешний регулятор регулирует температуру продукта R(s)=0291+1(121s+1);nR1(s) - вспомогательный внутренний регулятор регулирует расход R1(s)=0225+1(096s+1);nWu(s) W01(s) W02(s) - функции технологического объекта Wu(s)=30(28s+1)W01(s)=25(15s+1)W02(s)=1.2(15s+1)(28s+1);nyd(s)=125 - сигнал задания основной переменной температура;nyd1(s) - сигнал задания вспомогательной переменной расход;ny(s) - осноная технологическая переменная температура;ny1(s) - вспомогательная технологическая переменная расход;nu(s) - сигнал задания поступающий на преобразователь
Синал управления поступающий на преобразователь задается следующим выражением: uk=uk-1+036Δyk-01Δyk-1

Содержание .doc

Характеристика технологической установки как объекта
Назначение и принцип работы технологической установки 8
Определение переменных подлежащих контролю регулированию
сигнализации блокировке с учетом контроля состояния
исполнительных механизмов (двигателей
Требования к информационно – управляющей системе автоматизации
технологической установки. Обеспечение автоматического и местного
ручного управления 12
Разработка структурной схемы системы автоматизации .. 14
1 Определение количества датчиков кнопочных постов управления
исполнительных механизмов с указанием типа
2 Выбор структуры информационно-управляющей системы автоматизации с
указанием выполняемых функций на каждом
Структурно-параметрический синтез каскадной автоматической системы
регулирования основной технологической переменной 17
1 Составление схемы структурной каскадной АСР функциональной схемы
2 Определение оптимальных настроек регуляторов 19
3 Определение динамической характеристики основной технологической
4 Определение точности канала системы противоаварийной автоматической
защиты (ПАЗ) и автоматической сигнализации (АС) .26
Разработка схемы функциональной информационно-управляющей системы
1 Выбор средств автоматизации 29
1.1 Выбор и обоснование контрольно-измерительных приборов
описание принципа действия технических характеристик . .29
1.2 Выбор и обоснование исполнительных механизмов средств контроля
их состояния описание технических характеристик 30
1.3 Выбор и обоснование контроллера модулей вводавывода ..32
1.4 Выбор и обоснование компьютера ..32
1.5 Выбор программного обеспечения и интерфейса ..32
2 Разработка графического интерфейса Регулирования основной
технологической переменной в SCADA-системе TRACE MODE .33
3 Описание схемы функциональной информационно-управляющей системы
Разработка и описание схемы электрической принципиальной ..35
Список литературы ..37
Разработка функциональной схемы АСУТП
Белорусско-Российский университет

ПЗ1.doc

1 Характеристика объекта управления
Назначение и принцип работы технологической установки
Рисунок 1.1 – Функциональная схема автоматизации каскадной
автоматической системы регулирования температуры продукта при выходе из
Таблица 1.1 – Позиционное обозначение элементов
ПозиционноеНаименование Буквенное
обозначение обозначение
–1 Двигатель насоса М1
–2 Частотный преобразователь двигателя М1NY
–3 Кнопочный пост управления двигателя М1HS
–1 Двигатель вентилятора М2
–2 Магнитный пускатель двигателя М2 NS
–3 Кнопочный пост управления двигателя М2HS
Продолжение таблицы 1.1:
–2 Кнопочный пост управления клапана 3-1 HS
–1 Датчик расхода мазута FE
–2 Вторичный показывающий и FIR
прибор контроля расходов мазута
–3 Регулятор расхода мазута FC
–1 Датчик температуры продукта TE
–2 Вторичный показывающий и TIR
прибор контроля температуры продукта
–3 Регулятор температуры продукта TC
Технологическая установка представляет собой печь для нагрева некого
продукта. На вход печи с помощью насоса подается мазут а с помощью
вентилятора - воздух. Для контроля давления топлива и воздуха в
трубопроводах установлены манометры. Контроль расхода мазута осуществляется
с помощью датчиков расхода. Состояние двигателей контролируется с помощью
датчиков скорости. Для запирания трубопроводов в системе предусмотрены
отсечные клапана состояние которых контролируется с помощью концевых
выключателей . При сгорании топлива выделяется теплота которая идет на
нагревание продукта и отходящие газы. Для эффективной работы установки
нужно поддерживать строгое соответствие расхода мазута и температуру
продукта на выходе. Контроль температуры осуществляется датчиком
2 Определение переменных подлежащих контролю регулированию
сигнализации блокировке с учетом контроля состояния исполнительных
механизмов (двигателей клапанов).
[pic] Рисунок 1.2 – Функциональная схема информационно-
управляющей системы регулирования температуры продукта при выходе из печи.
На рисунке 1.2 представлена функциональная схема информационно-
Технологическая установка представляет собой печь на вход которой с
помощью насоса подается мазут а с помощью вентилятора - воздух. Для
контроля давления топлива и воздуха в трубопроводах установлены манометры
PE. Контроль расхода воздуха и мазута осуществляется с помощью датчиков
расхода FE. Состояние двигателей контролируется с помощью датчиков скорости
SE. Для запирания трубопроводов в системе предусмотрены отсечные клапана
состояние которых контролируется с помощью концевых выключателей GE. При
сгорании топлива выделяется теплота которая идет на нагревание продукта и
отходящие газы. Для эффективной работы установки нужно поддерживать строгое
соответствие расхода мазута и температуру продукта на выходе. Контроль
температуры осуществляется датчиком температуры ТЕ. Поддержание постоянного
соотношения воздуха и мазута обеспечивается регулированием подачи воздуха.
Основная регулируемая величина - температура продукта на выходе. При
изменении температуры изменяется соотношение воздуха и топлива.
При достижении температуры продукта на выходе Т maxAС=130 срабатывает
сигнализация предупреждающая об опасности но дающая системе возможность
вернуться в нормальное состояние. Если же концентрация продолжает расти и
достигает значения Т maxПАЗ= 132 то срабатывает противоаварийная защита
которая отключает систему.
Характеристика объекта управления
Белорусско-Российский университет АЭП-091

Лист №22007.dwg

Магнитный пускатель LC1- Schneider Electric
Таблица 2 - Спецификация
Наименование среды транспортируемой трубопроводом
Белорусско-Российский университетnгр.АЭП-091
ПечьnСхема функциональная nинформационно-управляющей системы автоматизации
Обозначение каналовn ввода вывода
Таблица1 - Среды транспортируемые по трубопроводу
Таблица 3 - Подключение датчиков и исполнительных механизмов
Двигатель асинхронный M3АА-200-MLC 3GAA ; ABB
Преобразователь частоты ACS550-01-072A-4 ; ABB
Кнопочный пост ПКУ 1521-121 54 У2; РУСТ
Двигатель асинхронный M2АА-180-L 3 АВВ
Датчик давления КРТ-1-100-05 УХЛ3001; SMC
Выключатель конечный КВД 610 ; РУСТ
Датчик расхода жидкости D YOKOGAVO
Датчик ртемпературы QAE2111.015 ; SIEMENS
Клапан отсечной S49 ; GSR
Кнопочный пост ПКУ 1521-121 54 У2 ; РУСТ
Рисунок 1 - Графический интерфейс
ТPC-1260Т; Advantech

выбор элементов.docx

Выбираем двигатель M2АА-180-L 3GGA фирмы ABB со следующими параметрами [11 Приложение А стр.40]:
номинальная мощность 22 кВт;
номинальная скорость вращения 1460 обмин;
КПД при полной нагрузке 911%;
коэффициент мощности 082;
номинальное напряжение 380 В;
номинальный ток 42 А.
Выбираем двигатель M3АА-200-MLC 3GAA фирмы ABB со следующими параметрами [11 Приложение А стр.40]:
номинальная мощность 30 кВт;
номинальная скорость вращения 980 обмин;
КПД при полной нагрузке 917%;
коэффициент мощности 081;
номинальный ток 56 А.
Выбираем частотный преобразователь ACS550-01-072A-4 фирмы ABB со следующими параметрами [12 Приложение А стр.40]:
номинальное напряжение 380-480 В;
номинальный ток 72 А;
мощность в нормальном режиме 37 кВт;
степень защиты IP21.
Выбираем магнитный пускатель LC1-D65 фирмы Schneider Electric со следующими параметрами [12 Приложение А стр.40]:
номинальное напряжение 380-440 В;
номинальный ток 65 А;
доп. контакты – 1р. 1 з..
Выбираем автоматический выключатель АЕ 2063 со следующими параметрами [12 Приложение А стр.40]:
номинальное напряжение 380В;
номинальный ток 160 А;
уставка электромагнитного расцепителя 12Iн;
уставка теплового расцепителя 125Iн.
Выбираем автоматический выключатель АЕ 2043 со следующими параметрами [12 Приложение А стр.40]:
номинальный ток 63 А;
диапазон изменения частоты вращения 03-300000 обмин;
исполнение взрывозащищенное;
ширина светоотражающей метки 20 мм;
Выбираем пост кнопочный ПКУ 1521-121 54 У2 со следующими параметрами [14]:
номинальное напряжение 220 В;
номинальный ток 10 А.
Для измерения давления воздуха и мазута выбираем датчики давления КРТ-1-100-05 УХЛ3001 фирмы SMC [6 Приложение А стр.36] со следующими параметрами:
- диапазон измерения-01 100 МПа;
- минимальная ширина диапазона 16 кПа;
- выходной сигнал4 20 мА;
- напряжение питания96-42 B;
- суммарная погрешность05%;
- рабочая температура-45 110 °C;
- степень защиты IP65.
Для измерения температуры продукта выбираем погружной датчики температуры QAE2111.015 фирмы Siemens [6 Приложение А стр.36] со следующими параметрами:
- диапазон измерения-30 130 °C;
- суммарная погрешность095 K;
- номинальное давление 16 бар;
- степень защиты IP54.
Для измерения расхода воздуха выбираем датчики расхода газов Digital YEWFLO фирмы YOKOGAVO [6 Приложение А стр.36] со следующими параметрами:
- максимальная скорость потока 80 мс;
- напряжение питания24 B;
- суммарная погрешность1%;
- рабочая температура-40 2600 °C;
- степень защиты IP67.
Выбираем отсечной клапан электромагнитный S49 немецкой фирмы GSR со следующими параметрами [10 Приложение А стр.39]:
питание катушки 24 В;
номинальное давление 40 Бар;
рабочая среда – вода пар;
температура рабочей среды-10 130 °С;
защитное исполнение IP65.
максимальная коммутируемая мощность 70 ВА;
температура рабочей среды -60 130 °С;