9530

71

известно, эти микропроцессоры применяются в персональных настольных компьютерах, называемых IBM PC совместимых, но эти же микропроцессоры применяются и для целей управления технологическими процессами в различных отраслях. Многочисленные аналоги этих микропроцессоров под другими названиями выпускают различные фирмы для промышленных целей, в том числе и для автоматизации систем теплоэнергетики.

Следует отметить, что далеко не во всех системах автоматического управления требуются по быстродействию и объёму выполняемых операций микропроцессоры уровня Pentium 4. В системах теплоэнергетики во многих случаях требуются менее быстродействующие микропроцессоры уровня 286, 386, 486, а значит и более дешёвые.

Отдельно взятый микропроцессор никакого управления обеспечить не может, это всего лишь сверхбольшая интегральная схема специального назначения, он должен быть включён в состав микроЭВМ.

МикроЭВМ – вычислительная машина, основу которой составляет микропроцессор, дополненный памятью, внешними устройствами и набором средств связи.

МиниЭВМ – вычислительная машина, ориентированная на решение массовых задач. Возможности этих машин значительно шире, чем у микроЭВМ.

Сейчас граница между микро- и миниЭВМ почти стёрлась. Вычислительная техника постоянно совершенствуется, расширяется

и круг задач, решаемых с её применением. По мере совершенствования технологии производства вычислительной техники резко уменьшается её стоимость.

Универсальные микропроцессоры фирмы Intel, AMD и аналогичные им других фирм для управления технологическими процессами, агрегатами и машинами часто по своим функциональным возможностям являются избыточными.

Например, для управления венткамерой, кондиционером, процессами в тепловых пунктах требуются сравнительно простые вычислительно-управляющие устройства. Для этих целей разработаны специализированные однокристалльные микроЭВМ, выполненные на одном кристалле полупроводникового материала, называются они микроконтроллерами (англ. control – управление). На этом кристалле располагается микропроцессор с количеством функций, необходимых только для управления данным агрегатом. На этом же кристалле расположено постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и порты (устройства) ввода-вывода информации.

Стоимость микропроцессоров, микроЭВМ и других устройств управляющей вычислительной техники снижается. В общей стоимости УВТ значительную часть составляет стоимость программного обеспечения. Программы для управления технологическими процессами

72

не являются универсальными, для каждого конкретного процесса требуется своя программа управления; труд программиста очень трудоёмок.

Программа управления микроконтроллера, микроЭВМ для промышленных целей записывается на том или ином программном носителе: в микросхемах ПЗУ, магнитном диске.

При необходимости программа управления может быть за короткое время заменена новой, заранее составленной и записанной на программном носителе (например, в ПЗУ).

Вариант функциональной схемы системы управления с применением микроЭВМ показан на рис. 2.32. В общем виде такая схема может быть применена для управления, например приточной вентиляционной системой, тепловым пунктом и другими устройствами.

Наличие в системе управления аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей (АЦП и ЦАП) является принципиальной необходимостью в случае применения УВТ, поскольку микроЭВМ работает в цифровом коде. В узле АЦП аналоговый непрерывный сигнал датчиков и других входных устройств преобразуется в дискретную форму (в цифровой код), а в ЦАП – из дискретной в аналоговую.

Микропроцессор выполняет все арифметические и логические операции, формирует команды управления.

Таймер на схеме (рис. 2.32) задаёт тактовую частоту, на которой работает микропроцессор.

ОЗУ – это оперативное запоминающее устройство, где кратковременно хранятся результаты вычисления на время выполнения определённой команды или группы команд.

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, хранит в своей памяти всю программу управления или последовательность действий регулятора. ПЗУ может быть перепрограммируемым, тогда его сокращённо называют ППЗУ. При необходимости программа в ППЗУ может быть изменена (перезаписана) с помощью специального устройства – программатора. В этом случае микроЭВМ имеет разъём (вход) для программатора ВП.

Порт ввода и порт вывода микроЭВМ – это специальные схемные структуры, к которым через АЦП и ЦАП подключаются внешние устройства.

Взаимодействие процессора с ОЗУ, ПЗУ и объектом управления происходит через шину адреса, шину данных и шину управления. Здесь термин «шина» обозначает магистраль, через которую поступает поток данных в направлении стрелок на рис. 2.32. Физически же шина выполнена из нескольких параллельных проводников (например, в количестве 8, 16).

Рис. 2.32. Функциональная схема системы автоматического управления с применением микроЭВМ

Как показано на рис. 2.32, шины справа не ограничены. Это значит, что к этим шинам можно дополнительно подключать ОЗУ, ПЗУ, расширять количество портов ввода-вывода, подключать дополнительные микропроцессоры. Поэтому микроЭВМ является расширяемым (масштабируемым) устройством.

Весь комплекс правил и технических средств микроЭВМ, регламентирующих и обеспечивающих обмен информацией между процессором, ОЗУ, ПЗУ и объектом управления называют интерфейсом (от англ. interface – связующее звено). Составной частью интерфейса являются шины адреса, данных и управления.

Система управления с применением микроЭВМ работает следующим образом. Аналоговые датчики DI … DN вырабатывают сигналы, пропорциональные регулируемым величинам. Аналоговый сигнал датчиков преобразуется в АЦП в дискретную форму. МикроЭВМ принимает информацию от АЦП в дискретной (цифровой) форме и в соответствии с заложенной программой определяет степень её

74

соответствия заданию. Сигнал задания (программа) вводится в ПЗУ с помощью специального программатора.

При отклонении регулируемой величины от заданного значения на выходе микроЭВМ появляется сигнал в дискретной форме, поступающий на ЦАП. В узле ЦАП сигнал из дискретной формы преобразуется в непрерывную форму. Такое преобразование необходимо ввиду того, что исполнительные механизмы работают под воздействием аналоговых сигналов. Исполнительные механизмы воздействуют на соответствующие регулирующие органы, которые изменяют параметры объекта О в требуемом направлении.

Отметим, что, хотя системы управления с применением микроЭВМ функционально и по структуре сложнее по сравнению с системами, выполненными на транзисторах и логических элементах, но они дешевле благодаря достижениям современной микроэлектроники.

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

3.1.Автоматизация систем газоснабжения

3.1.1.Автоматизация газораспределительных пунктов (ГРП)

иустройств потребления газа

Системы газоснабжения можно разделить на две группы: первая группа – это системы транспортирования и распределения газа, вторая группа – это системы непосредственного потребления и сжигания газа на объектах, таких как котлы, нагревательные печи кузнечных цехов и др. Соответственно и автоматические устройства систем газоснабжения можно разделить на автоматику газораспределительных пунктов (ГРП) и автоматику объектов, где сжигается газ.

На ГРП основное назначение устройств автоматики – поддержать заданное давление и расход газа. Такая задача решается с помощью регуляторов давления и расхода прямого и непрямого действия. Поскольку природный газ для нужд потребления является взрывоопасной средой, то все газовые регуляторы, как правило, – это механические устройства без электрических узлов и элементов.

Устройства автоматики, работающие на энергии сжатого газа,

называются устройствами пневмоавтоматики.

К устройствам пневмоавтоматики применимы все теоретические методы систем автоматического анализа регулирования, приведённые в разделе 1 настоящего пособия. Специфика заключается лишь в конструкции технических средств автоматизации. На объектах потребления газа применяют устройства как пневмоавтоматики, так и устройства электроавтоматики. Устройства электроавтоматики для систем газоснабжения выпускают во взрывозащищённом исполнении.

75

Устройства и приборы пневмоавтоматики для систем газоснабжения и котлоагрегатов освещены в литературе [2, 4], а также рассматриваются в специальных курсах.

В соответствии с нормативными документами регулятор давления в технологической схеме автоматизации упрощённо изображается, как показано на рис. 3.1.

РС

Рис. 3.1. Условное обозначение регулятора давления в технологических схемах автоматизации

Регулятор расхода в технологических схемах автоматизации показан на рис. 3.2.

FC

Рис. 3.2. Условное обозначение регулятора расхода

втехнологических схемах автоматизации

3.1.2.Пример автоматизации нагревательной печи, работающей

на природном газе

В качестве примера автоматизации системы газоснабжения рассмотрим печь для термообработки инструмента; топливо для печи – природный газ.

Рациональное использование природного газа требует постоянного внимания к вопросам его экономии. Эту задачу можно решить только средствами автоматического управления печи, экономное расходование топлива возможно только при использовании автоматических систем регулирования. Кроме того, при эксплуатации газоиспользующих установок особое требование предъявляется к выполнению условий техники безопасности. Правильная и безопасная эксплуатация печей, работающих без применения средств автоматизации, невозможна. Использование автоматики в цехе даёт возможность сократить расход топлива, обеспечить безопасность использования газа. Надёжная, экономичная и безопасная работа системы газоснабжения с минимальным числом обслуживающего персонала может осуществляться только при наличии автоматического регулирования и управления.

76

Общие требования к автоматизации печей

Целью автоматизации является:

обеспечение выработки необходимого количества теплоты при заданных параметрах;

достижение экономии сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд установки;

доведение потерь теплоты до минимума;

обеспечение надёжности и безопасности работы каждого агрегата без участия оператора.

Регулируемые и контролируемые параметры печи

К регулируемым параметрам печи относятся: температура, разрежение в топке, давление газа перед горелкой. Контролируемый параметр печи – наличие факела в зоне горения.

Регулятор температуры обеспечивает поддержание температуры в рабочем пространстве печи за счёт изменения количества подаваемого газа и воздуха.

Регулятор разрежения поддерживает постоянное разрежение в топке печи изменением проходного сечения направляющего аппарата дымососа (при этом частота вращения лопастей вентилятора постоянна).

Для каждой печи предусмотрен регулятор давления газа перед горелками. Основная функция регулятора давления – поддержание заданного давления газа, подаваемого к горелкам. При повышении или понижении давления газа перед горелками на 20 – 25 % против установленного максимального или минимального значения его подача прекращается. Перед регулятором давления газа устанавливается клапанотсекатель, обеспечивающий прекращение подачи газа при аварийном отключении сетевого напряжения, а также при неисправностях в электронных устройствах системы управления. Горение факела в топке отслеживается автоматом контроля пламени.

Структурная схема системы автоматического регулирования температуры в топке печи показана на рис. 3.3.

Регулятор температуры в топке печи работает по структурной схеме, из которой видно, что с помощью задающего устройства ЗУ устанавливается необходимая температура в печи t0 . В печи измеряется

фактическое значение температуры tф с помощью термопары и прибора,

например, КСП-4. Прибор КСП-4 представляет собой электронный потенциометр со встроенным блоком регулирования. В элементе сравнения ЭС прибора КСП-4 определяется разность значений t0 и tф ,

т.е. отклонение температуры в печи. Элемент сравнения ЭС входит в состав прибора КСП-4 как конструктивный узел. Далее через усилительпреобразователь УП и исполнительное устройство ИМ вырабатывается регулирующее воздействие y t , то есть определённый характер

перемещения регулирующего органа РО.

77

Рассматриваемая структурная схема позволяет поддерживать заданное значение температуры в топке печи: если температура в печи понизилась как результат, например загрузки новой партии инструмента, то регулирующий клапан будет приоткрыт на большее проходное сечение, и температура в печи достигнет заданного значения.

Рис. 3.3. Структурная схема системы автоматического регулирования температуры в топке печи:

ЗУ – задающее устройство для задания температуры в топке печи; ЭС – элемент сравнения; УП – усилительно-преобразовательное устройство, входит в состав электронного

блока вторичного прибора КСП-4 с блоком регулирования; ИМ – исполнительный механизм – электродвигатель с редуктором; РО – регулирующий орган – двухседельный регулирующий клапан; О – объект регулирования – печь для нагрева инструмента; ЧЭ – чувствительный элемент – термопара; F – внешнее воздействие на печь, приводящее к изменению температуры, например, загрузка холодной партии

инструмента; t0 – заданное значение регулируемой величины – температуры; tф –

фактическое значение регулируемой величины в печи; t – отклонение регулируемой величины ( t t0 tф – отклонение температуры в печи от заданного значения)

Кроме регулятора температуры, автоматика печи имеет регулятор подачи воздуха в зависимости от расхода газа и регулятор разрежения в топке. Регулятор разрежения обеспечивает полное удаление продуктов сгорания в атмосферу и предотвращает их попадание в цех через неплотности загрузочного устройства.

Технологическая схема автоматизации печи

На технологической схеме автоматизации показаны все устройства автоматического управления и контроля в виде принятых условных обозначений (рис. 3.4).

Технологическая схема автоматического контроля и управления предназначена для отображения основных технических решений,

78

принимаемых при проектировании системы автоматизации технологических процессов. Она является одним из основных документов проекта и входит в его состав при разработке технической документации на всех стадиях проектирования.

В процессе разработки функциональной схемы формируется структура создаваемой системы и функциональные связи между объектом управления – технологическим процессом и аппаратурной частью системы – приборами управления и сбора информации о состоянии технологического процесса.

PE

Рис. 3.4. Технологическая схема автоматизации печи:

FE – датчик расхода газа; NS – блок включения и отключения; PE – датчик давления; PC – электронный прибор для регулирования разрежения; TE – датчик температуры; TC – электронный прибор, регулирующий температуру; FC – электронный прибор, регулирующий расход воздуха; HS – кнопка ручного включения/отключения вентилятора в системе дымоудаления

При разработке технологической схемы автоматизации определяют:

перечень и значение контролируемых и регулируемых параметров;

методы контроля, законы регулирования и управления;

целесообразный уровень автоматизации технологического процесса;

принципы организации контроля и управления технологическим процессом;

79

техническое оборудование, управляемое автоматически, дистанционно или в обоих режимах по заданию оператора;

объём автоматических защит и блокировок автономных схем управления технологическими агрегатами;

комплект технических средств автоматизации, вид энергии для передачи информации;

места размещения аппаратуры на технологическом оборудовании, на щитах и пультах.

Технологическая схема автоматического управления и контроля содержит упрощённое изображение устройств автоматизируемого процесса или агрегата. Нанесённые на условные изображения буквенные обозначения отражают функции, выполняемые аппаратурой управления.

На функциональной схеме показывается также различная аппаратура системы управления. Для изображения каждой группы приборов на схеме выделяется специальная зона. Кроме того, на схеме даются текстовые пояснения, отражающие назначение и характеристику технологических агрегатов, величины контролируемых и регулируемых параметров, условия блокировки и сигнализации.

В соответствии с существующей практикой функциональная схема автоматического контроля и управления является основанием для составления заявочной спецификации на приобретение приборов автоматизации и управления.

Автоматика безопасности

Безопасность обеспечивается путём прекращения подачи природного газа в следующих случаях:

при повышении или понижении газа перед горелкой на 20 – 25 % против установленного значения подача газа должна прекратиться;

при погасании факела в топке подача топлива прекращается немедленно;

при увеличении разрежения в топке до 3 – 5 Па подача газа должна прекратиться.

Автоматика должна обладать самоконтролем, т.е. при нарушении работы какого-либо элемента автоматически должна прекращаться подача топлива.

При аварийном отключении подачи газа подаются световой и звуковой сигналы. Звуковой сигнал отключается дежурным персоналом, а световой остаётся до ликвидации нарушения.

3.2.Автоматизация котельных установок

Котельные установки относятся к объектам с полной автоматизацией.

80

В эксплуатации находятся котлы различных модификаций как отечественного, так и зарубежного исполнения. Для отечественных котлов разработаны различные комплекты автоматики, позволяющие полностью автоматизировать тот или иной котлоагрегат. Зарубежные комплекты автоматики котлов отличаются некоторым упрощением по сравнению с отечественными.

3.2.1. Электронно-гидравлическая система автоматического регулирования котельных установок на газовом и мазутном топливе

Наиболее часто котельная автоматика выполняется по блочноагрегатному принципу, когда отдельные блоки и узлы могут применяться в регуляторах различных параметров (температуры, давления, уровня). Все эти приборы, блоки и узлы выпускаются в соответствии с ГСП (государственная система приборов и средств автоматизации).

В качестве примера рассмотрим электронно-гидравлическую систему котельной автоматики «Кристалл», которая находится в эксплуатации и выпускается отечественными предприятиями для барабанных котлов малой и средней мощности.

Электронно-гидравлическая система автоматического регулирования представляет собой комплекс приборов и устройств, с помощью которых могут быть осуществлены регуляторы различной структуры (с постоянной скоростью исполнительного механизма, с жёсткой обратной связью, с упругой обратной связью). Система надёжна в эксплуатации, не содержит скользящих токоведущих контактов.

Система предназначается для автоматизации теплотехнических процессов в промышленных, отопительных и энергетических котельных средней и малой мощности. Структурная схема регулирующей системы «Кристалл» представлена на рис. 3.5. В измерительную часть регулятора могут быть введены сигналы от нескольких (до трёх) первичных приборов ПП и устройства обратной связи ОС. Степень влияния каждого из них может плавно меняться в широких пределах с помощью ручек настройки. Задание регулятору устанавливается задатчиком ЗД. Электрический сигнал, пропорциональный алгебраической сумме сигналов от первичных приборов, усиливается усилителем-преобразова- телем УП, выполненном в микросхемном исполнении, оконечный каскад которого является фазочувствительным. Сигнал с выхода УП подаётся на обмотки электрогидравлического реле ЭГР, управляющего гидравлическим исполнительным механизмом типа ГИМ. Обратная связь охватывает все элементы регулятора, включая исполнительный механизм.