Реферат: Автоматизация системы управления холодильной установкой

--PAGE_BREAK--1.5 Выбор критерия оптимизации и целевой функции управления
Результатом внедрения АСУ ТП холодильной установки является сокращение времени технологического (контроля) процесса охлаждения продукта.

Известно, что чем ниже будет поддерживаться температура в холодной камере, тем быстрее можно будет охладить продукт до заданной температуры.

Это можно увидеть, проанализировав формулу (1.2). Очевидно, что чем больше будет разница между температурой в испарителе и температурой продукта, тем больше количество тепла отводиться от холодильной камеры в единицу времени, а следовательно быстрее охлаждается продукт. Давление кипения Роопределяет температуру кипящей жидкости, т.е. температуру хладагента в испарителе Qп. Другими словами существует зависимость:
<img width=«71» height=«24» src=«ref-1_1278801110-180.coolpic» v:shapes="_x0000_i1053">                                                                                (1.14)
Большему давлению Росоответствует большая температура Qп, поэтому чтобы снизить температуру Qп„ необходимо поддерживать низкое давление Ро.

Минимальное значение Розависит от технических возможностей компрессора. Чем выше хладопроизводительность компрессора, тем более низкую температуру кипения хладагента он может поддерживать.

Из приведенных выше рассуждений можно сделать вывод, что управляющим воздействием является хладопроизводительность компрессора, и целесообразно выбрать критерий




<img width=«116» height=«51» src=«ref-1_1278801290-379.coolpic» v:shapes="_x0000_i1054">                                                                       (1.15)
где П – производительность установки.

Уменьшая время технологического процесса и сохраняя объем охлаждаемого продукта за цикл охлаждения, мы тем самым повышаем производительность холодильной установки, т.е. увеличиваем объем охлаждаемой продукции за год. Целью повышения производительности установки является снижение себестоимости единицы продукции.

Очевидно, что производительность установки будет зависеть от хладопроизводительности компрессора, тем выше будет его стоимость, следовательно, большей будет сумма амортизационных отчислений, а значит и себестоимость продукции.

Доход предприятия рассчитывается по формуле
D= Пр – С – Н                                                                     (1.16)
где Пр — выручка предприятия от реализации продукции за год, в руб.,

С — себестоимость продукта, в руб.,

Н — налоги, в руб.

Себестоимость продукции в свою очередь складывается из затрат на охлаждение продукта и затрат на амортизационные отчисления.
С = С1 + А                                                                            (1.17)
где С1 — затраты на охлаждение продукта, на сырье, з/п и т.д., в руб.,

А — амортизационные отчисления на холодильное оборудование, в руб.

Следовательно доход предприятия будет зависеть от амортизационных отчислений, и чем больше сумма отчислений, тем меньше доход предприятия.




Тогда целевая функция примет вид
<img width=«179» height=«51» src=«ref-1_1278801669-536.coolpic» v:shapes="_x0000_i1055">                                                          (1.18)
где dQ
км
— хладопроизводительность компрессора холодильной машины, кВт.
1.6 Экстремальные характеристики зависимости целевой функции от управлений
Изменение хладопроизводительности компрессора происходит в диапазоне от 0 до 120 кВт, что соответствует техническим особенностям компрессора.

Амортизационные отчисления на холодильное оборудование составляют 11,5% от полной его стоимости. Значение стоимости оборудования взяты из справочных данных [1], расчет затрат на охлаждение продукта произведен аналитическим способом. График целевой функции приведен на рисунке 1.3

График зависимости дохода предприятия от хладопроизводительности компрессора построен на основе формулы (1.16), считая, что значение Пр и Н не зависят от хладопроизводительности компрессора.

Экстремумы зависимостей D(Qкм) и C(Qкм) совпадают, что свидетельствует о целесообразности выбранного критерия. Из графика видно, что оптимальная хладопроизводительность компрессора составляет 58 кВт.

На рисунке 1.3 приведена зависимость целевой функции от хладопроизводительности компрессора, но выше приводились рассуждения на основании которых можно сделать вывод, что значение управления Qпзависит от хладопроизводительности компрессора, т.е.




Qп
=
f
1(
Q
км
)                                                                          (1.19)
<img width=«561» height=«494» src=«ref-1_1278802205-7090.coolpic» v:shapes="_x0000_i1056">

Рисунок 1.3 — Графическое изображение целевой функции
На рисунке 1.3: Д – доход предприятия, определяется по формуле (1.16), Ф – целевая функция, А – амортизационные отчисления, С1 – затраты на охлаждение продукта, на сырьё, з/п и т.д.
1.7 Алгоритм оптимизированного управления   
Для нахождения оптимального значения хладопроизводительности необходимо знать зависимость изменения температуры хладагента от давления кипения.

Оптимальная задача в данном случае состоит в том, чтобы поддержать максимальную хладопроизводительность компрессора при наименьшей температуре кипения. Контроллер осуществляет расчет системы уравнений, состоящей из уравнения экспериментальной кривой и температурой задания, и находит минимальное значение температуры кипения. После чего формирует закон регулирования.
<img width=«291» height=«398» src=«ref-1_1278809295-6883.coolpic» v:shapes="_x0000_i1057">

Рисунок 1.4 — Алгоритм оптимизированного управления






1.8 Структура двухуровневого управления
<img width=«487» height=«284» src=«ref-1_1278816178-8424.coolpic» v:shapes=«Рисунок_x0020_34»>

Рисунок 1.5 — Структура двухуровнего управления. Режим советчика.
ОУ — объект управления; Д — датчик; s7-200 — ПМК; ИМ — исполнительный механизм; ЭВМ — вычислительная машина; Оператор — оператор ЭВМ.

Необходимость двухуровневого управления в режиме советчика заключается в том, что велика вероятность ошибки, а также по желанию заказчика, требуется непосредственный контроль человека. Но система способна функционировать и автономно.

Информация о состоянии объекта от датчиков поступает на s7-200, где она обрабатывается и в качестве рекомендаций выдается информация об изменении управления или корректировки. Оператор анализирует полученную информацию и принимает меры по изменению управляющих воздействий.

Блок-схема алгоритма функционирования двухуровнего управления с кординирующей подсистемой на верхнем уровне приведена на рисунке 1.6

На рисунке 1.6 температура Т1 — это температура на выходе из испарителя, а Т2 — температура на входе в испаритель. Для регулирования наполнения испарителя хладогеном, устанавливается регулятор перегрева (ТРВ), который представляет собой П — регулятор. При уменьшении заполнения испарителя перегрев пара на выходе возрастает и ТРВ автоматически увеличивает подачу хладагента. Температура Т1 =Q
п
= -30°С.

Испаритель наполнен (100%) жидким хладагентом, если Т1 = Т2. В случае если равенство не выполняется, то необходимо изменить настройку ТРВ.

Т3— температура объекта (продукта),

Т3= Qп = -20°С, если продукт еще не охладился до температуры Т3 процесс продолжается, в противном случае выдается сообщение о том, что технологический процесс окончен и необходимо выгружать продукт и размораживать установку.
Т4          — температура в холодильной камере, °С;

P
1
      — давление в конденсаторе, кПа;

Р2          — давление в ЦР, кПа;

Н       — уровень заполнения циркуляционного ресивера, м.

Уровень жидкости в циркуляционном ресивере (Н) должен быть в пределах 0,2 ÷ 0,3 высоты ресивера. При повышении уровня жидкость может попасть в компрессор, а при снижении — нарушается подача в испаритель




<img width=«488» height=«712» src=«ref-1_1278824602-25003.coolpic» alt=«03» v:shapes=«Рисунок_x0020_35»>

 




1.9 Структура алгоритма адаптивного управления
Для данной системы управления, в которой свойства холодильной установки можно считать не изменяющимися во времени, т.к. площадь теплопередающей поверхности испарителя не меняется, коэффициент теплопередачи испарителя тоже не меняется во времени. Но так как изменяться во времени может коэффициент теплопередачи продукта, если замораживать различные продукты в каждом цикле охлаждения, а также может изменяться площадь поверхности продукта, если в холодильную камеру загрузили не всю партию продукта, которую она может вместить, а лишь часть ее, необходимо использовать адаптивное управление.

Таким образом, адаптацию можно проводить с каждым циклом охлаждения, зная количество загружаемого продукта в холодильную камеру, т.е. общую площадь теплопередающей поверхности и коэффициент теплопередачи продукта, который зависит от вида продукта. Зная эти данные, можно рассчитать новые коэффициенты в модели объекта, но для достижения максимальной производительности установки, управляющее воздействие должно иметь максимальное значение, т.е. температура в испарителе должна поддерживаться минимальной, не зависимо от свойств продукта и его количества. Поэтому в данном случае алгоритм адаптации будет заключаться лишь в уточнении модели объекта.

Если бы мы имели объект, свойства которого менялись во времени, то к такому объекту можно было бы применить прямой алгоритм адаптации управляющего устройства непосредственно по величине критерия оптимальности.

Положим, что g(t) — полезный задающий сигнал, тогда можно определить рассогласование
<img width=«112» height=«21» src=«ref-1_1278849605-234.coolpic» v:shapes="_x0000_i1060">,                                                                       (1.20)
где <img width=«31» height=«21» src=«ref-1_1278849839-124.coolpic» v:shapes="_x0000_i1061">  — выход объекта.

Тогда критерий оптимальности можно записать в виде
<img width=«71» height=«24» src=«ref-1_1278849963-174.coolpic» v:shapes="_x0000_i1062">                                                                                (1.21)




Подставив в формулу (1.20) значение j
(
t
) можно убедиться, что J
1
=
F
(
b
о
), т.е. является функцией коэффициентов регулятора.
J
1
=
F
(
b
р
)
b

®
min                                                                           (1.22)
Другими словами, минимизируя функцию Jнаходим оптимальные коэффициенты регулятора, корректируя которые изменяем управляющее воздействие.

Обобщенная структура системы, реализующей прямой алгоритм адаптации приведена на рисунке 1.7
<img width=«530» height=«205» src=«ref-1_1278850137-8160.coolpic» alt=«03» v:shapes=«Рисунок_x0020_39»>

Рисунок 1.7 — Структура адаптивной системы
Под адаптацией подразумевается изменение свойств модели объекта относительно самой системы в процессе протекания технологического процесса. Адаптация происходит следующим образом: на вход управляющего устройства поступает задающий сигнал g(t), после чего снимается значение сигнала на выходе объекта j(t). Адаптер определяет рассогласование e(t) входного и выходного сигнала. Если рассогласование превышает допустимое значение, адаптер изменяет параметры П — регулятора, а именно коэффициент усиления, после чего процесс повторяется.




На рисунке 1.8 приведена блок схема данного алгоритма.
<img width=«507» height=«486» src=«ref-1_1278858297-16155.coolpic» alt=«03» v:shapes=«Рисунок_x0020_40»>

Рисунок 1.8 — Блок-схема прямого алгоритма адаптации
На рисунке 1.8 приведена блок-схема прямого алгоритма адаптации объекта, математическая модель которого может быть представлена дифференциальным уравнением 1-го порядка, а управляющее устройство реализует П — закон регулирования.
1.10 Краткое описание, структура и состав алгоритмического, программного и технического обеспечения АСУ
Рассматриваемая АСУ имеет двухуровневую структуру управления с корректирующей подсистемой на верхнем уровне.

Техническое обеспечение представляет собой комплекс технических средств получения информации о состоянии технологического процесса объекта, к нему относятся датчики, в частности унифицированный датчик давления (МИДА-ДВ-13П) с нормированным выходным сигналом 0..5mA. Aтакже термопреобразователи с унифицированным выходным сигналом (ТХАУ-055, ХА(К)), с нормированным выходным сигналом 0..5mA, у которых в зависимости от температуры среды, изменяется сигнал на выходе. Уровнемер буйковый (УБ-ЭМ1) используется для контроля уровня жидкости в ЦР, с выходным сигналом 0..5mА.

Информационные сигналы поступают на ПМК S7-200, где производиться обработка и отображение на экране монитора ЭВМ в виде численных значений технологических параметров объекта.

Программное обеспечение составляется с помощью пакета STEP 7 MicroWIN. При разработке адаптивного управления использовался прямой алгоритм адаптации, а также разработан специальный алгоритм функционирования двухуровневого управления.
1.11 Выбор и обоснование используемых технических средств
Для обеспечения минимального времени охлаждения продукта необходимо поддерживать минимальную температуру в холодильной камере, которая определяется температурой в испарителе. При заданной хладопроизводительности компрессора мы не можем понизить температуру кипения хладагента. Однако необходимо поддерживать уровень жидкости в испарителе, который должен быть максимальным, чтобы можно было наиболее эффективно использовать его охлаждающую поверхность.

Для регулирования заполнения испарителя хладагентом используем пропорциональный регулятор перегрева, ТРВ (терморегулирующий вентиль).

Выбираем терморегулирующий вентиль DANFOSSTEA 85-85. Для него диапазон изменения температур кипения хладагента составляет (-50÷30)°С, а номинальный режим температуры кипения хладагента Q=-30°С, что соответствует техническим характеристикам выбранного компрессора.

Для контроля уровня жидкости в испарителе необходимо знать температуру на выходе из испарителя (Qп вых) и температуру на входе в испаритель (Qпвх). При выполнении равенства
Qпвх= Qп вых                                                                                                                             (1.23)
можно сказать, что испаритель максимально заполнен хладагентом. Для получения информации о температурах Qпвхи Qп выхиспользуем термопреобразователь ТХАУ-055, ХА(К), погрешность которого составляет ± 2.5°С, что допустимо для заданной точности регулирования.

Сигнал от термопреобразователя поступает на ПМК S7-200.

Температуру объекта измеряем аналогичным термопреобразователем с погрешностью ±2.5°С допустимой по техническому заданию, т.к. температура объекта должна составлять Qоб= (-18°С) ±3°С.

Аналогичный термопреобразователь используется для контроля температуры в холодильной камере.

Давление в конденсаторе Ркопределяется температурой жидкого хладагента. Так как в данном технологическом процессе поддерживается стабильная температура хладагента, то необходимо лишь поддерживать стабильным давление в конденсаторе, поэтому необходимость в автоматическом регулировании отпадает, а для централизованного контроля информацию о значении давления в конденсаторе будем получать используя датчик давления (МИДА-ДВ-13П) с классом точности 1,5, что удовлетворяет необходимой точности контроля.

<img width=«702» height=«2» src=«ref-1_1278874452-95.coolpic» v:shapes="_x0000_s1035">Давление кипения P

определяет температуру кипящей жидкости Q. В данном случае нагрузкой является количество пара, образуемого при кипении хладагента в испарителе, регулирующее воздействие — количество пара, отводимое компрессором. Так как установка работает в одном режиме, т.е. значение нагрузки можно принять постоянным, поэтому можно обойтись ручным регулированием.

Для получения информации о значении давления кипения Ро хладагента используем датчик давления (МИДА-ДВ-13П) с выходным сигналом в диапазоне 0..5mА.

Уровень жидкости в циркуляционном ресивере должен быть в пределах 0,75-0,35 высоты ресивера: при повышении уровня жидкость может попасть в компрессор, а при снижении нарушится подача жидкости в испаритель и может выйти из строя насос. В данном случае нагрузка -количество жидкости, выкипающей в испарителе, регулирующее воздействие — подача жидкости через РВ. В связи с незначительными изменением нагрузки использование автоматического регулирования здесь не целесообразно.

Для измерения уровня используем уровнемер буйковый УБ-ЭМ1. Он имеет унифицированный токовый выходной сигнал, который от уровнемера поступает сразу на S7-200, что повышает точность измерения (класс точности прибора 1,5) и надежность системы в целом, за счет снижения количества приборов (исключаем нормирующие преобразователи).
1.12 Описание функциональной схемы АСУ
Как уже отмечалось выше, система имеет двухуровневую структуру управления с координирующей подсистемой на верхнем уровне.

Для регулирования заполнения испарителя хладагентом применяется пропорциональный регулятор перегрева, называемый терморегулирующим вентилем (1а).

Температура на выходе из испарителя воспринимается термобаллоном манометрической термосистемы. Наполнитель термосистемы выбран таким образом, что когда температура на выходе из испарителя равна температуре кипения хладагента (при 100%-ном заполнении испарителя жидкостью), давление Ртб= Ро, где Ртб-давление в термобаллоне. При выполнении равенства давлений, под действием пружины соответствующий клапан закрывает подачу жидкости из конденсатора в испаритель. При возникновении рассогласования между Ртби Роклапан открывается.

Для передачи информации об уровне заполнения испарителя на верхний уровень управления: используем два термопреобразователя (2а, За), установленные соответственно на выходе и входе в испаритель. В зависимости от изменения температуры, изменяется электрический выходной сигнал (0..5) mA, затем информация поступает в S7-200, где она обрабатывается и результаты обработки предоставляются оператору.

Температуру продукта измеряем термопреобразователем (4а), выходной сигнал которого (0..5)mА поступает на S7-200, где информация обрабатывается и результаты в виде сообщения об окончании технологического процесса (охлаждения продукта) выдается оператору.

Температуру в холодильной камере измеряем термопреобразователем (5а) сигнал которого (0..5)mА, поступает на вход S7-200, где информация обрабатывается и выдается численное значение температуры в холодильной камере.

Давление в конденсаторе измеряем унифицированным датчиком давления (6а). В зависимости от изменения давления изменяется выходной сигнал датчика (0..5)mА, который поступает на вход S7-200, где обрабатывается и выдается численное значение давления в конденсаторе, которое контролируется оператором.

Давление кипения хладагента измеряем унифицированным датчиком давления (7а). В зависимости от изменения давления изменяется выходной сигнал датчика, который поступает на вход S7-200, где обрабатывается и выдается численное значение давления кипения хладагента.

Для измерения уровня жидкости в циркуляционном ресивере используем буйковый уровнемер (8а) выходной сигнал которого поступает на вход S7-200, где происходит его обработка, после чего выдается значение уровня жидкости в циркуляционном ресивере и рекомендации по его регулированию.






    продолжение
--PAGE_BREAK--