Помощь студентам в учебе
Разработка контроллера на ядре Debian для управления повышающей насосной станцией
|
Реферат 11
Введение 15
1. Технологическая часть 18
1.1. Рассмотрение технологического процесса городского водоснабжения 18
1.2 Описание повышающей насосной станции 20
1.3 Описание работы повышающей насосной станции 21
1.4 Выбор способа управления режимами работы насосной станции ... 22
2. Анализ схемы повышающей насосной станции, применяемых датчиков,
используемых промышленных сетей и устройства насосной станции 26
2.1 Анализ схемы повышающей насосной станции 26
2.2 Анализ применяемых датчиков на повышающей насосной станции
28
2.3 Анализ используемых промышленных сетей 28
3. Разработка структурной схемы управляющего шкафа 31
3.1 Структура автоматизированной системы диспетчерского контроля 31
3.2 Описание структуры автоматизированной системы диспетчерского
контроля насосной станции 32
4. Выбор асинхронного двигателя, расчет параметров и определение
статических характеристик 34
4.1 Выбор электродвигателя 34
4.2 Параметры схемы замещения асинхронного двигателя 35
4.3 Расчет естественных характеристик двигателя 40
4.4 Моделирование прямого пуска асинхронного двигателя 46
4.5 Имитационная модель силового канала электропривода 47
4.6 Моделирование плавного пуска асинхронного электропривода со
скалярным управлением 52
5. Выбор электрооборудования 56
5.1 Выбор преобразователя частоты 56
5.2 Выбор датчика давления 56
5.3 Выбор контакторов и автоматов защиты 57
5.4 Выбор предохранителей 58
5.5 Выбор клеммных зажимов 58
6. Перемещение файлов с Windows-компьютера на Linux-компьютер 61
6.1 Описание процедуры перемещения файлов 61
6.2 Принцип работы ПЛК на языке Python 62
6.3 Как запустить Modbus-сервер 65
7. Описание кода программы для программируемого логического
контроллера на языке Python 68
7.1 Загрузка внешних библиотек 68
7.2 Формирование разностных уравнений динамических звеньев 69
7.3 Формирование ПИД-регулятора и объекта управления 70
7.4 Написание кода программы управления электроприводами 72
8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 80
Введение 80
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ... 80
8.2 Производственная безопасность 82
8.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 83
8.3.1 Повышенный уровень вибрации 83
8.3.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны 85
8.3.3 Неудовлетворительный микроклимат 86
8.3.4 Повышенный уровень шума на рабочем месте 87
8.3.5 Электропоражение 87
8.4 Экологическая безопасность 88
8.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 89
8.5.1 Анализ ЧС, которые могут произойти при проведении
исследований 90
Заключения по главе «Социальная ответственность» 91
9. КОНЦЕПЦИЯ СТАРТАП-ПРОЕКТА 93
Введение 93
Проблема конечного потребителя 93
Защита интеллектуальной собственности 94
Объем и емкость рынка 95
Современное состояние и перспективы отрасли 99
Конкурентные преимущества разрабатываемого продукта 102
Целевые сегменты потребителей создаваемого продукта 104
Планируемая стоимость продукта 104
Бизнес-модель проекта 106
Производственный план и план продаж 106
Стратегия продвижения продукта на рынок 109
Заключения по главе «Концепция стартап-проекта» 111
Заключение 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЯ 120
Приложение А 120
Приложение Б 124
Приложение В 126
Раздел 1. Схема комплекса технических средств диспетчеризации 126
Раздел 2. Процедура работы через FTP-протокол 127
Раздел 3. Регистрация суперпользователя 132
Приложение Г 135
Раздел 1. Описание динамических звеньев (интегрирующего и дифференциального) на языке Python 135
Раздел 2. Описание ПИД-регулятора на языке Python 135
Раздел 3. Код программы управления двигателями и частотным преобразователем 136
Раздел 4. Полный код программы 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 143
Введение 15
1. Технологическая часть 18
1.1. Рассмотрение технологического процесса городского водоснабжения 18
1.2 Описание повышающей насосной станции 20
1.3 Описание работы повышающей насосной станции 21
1.4 Выбор способа управления режимами работы насосной станции ... 22
2. Анализ схемы повышающей насосной станции, применяемых датчиков,
используемых промышленных сетей и устройства насосной станции 26
2.1 Анализ схемы повышающей насосной станции 26
2.2 Анализ применяемых датчиков на повышающей насосной станции
28
2.3 Анализ используемых промышленных сетей 28
3. Разработка структурной схемы управляющего шкафа 31
3.1 Структура автоматизированной системы диспетчерского контроля 31
3.2 Описание структуры автоматизированной системы диспетчерского
контроля насосной станции 32
4. Выбор асинхронного двигателя, расчет параметров и определение
статических характеристик 34
4.1 Выбор электродвигателя 34
4.2 Параметры схемы замещения асинхронного двигателя 35
4.3 Расчет естественных характеристик двигателя 40
4.4 Моделирование прямого пуска асинхронного двигателя 46
4.5 Имитационная модель силового канала электропривода 47
4.6 Моделирование плавного пуска асинхронного электропривода со
скалярным управлением 52
5. Выбор электрооборудования 56
5.1 Выбор преобразователя частоты 56
5.2 Выбор датчика давления 56
5.3 Выбор контакторов и автоматов защиты 57
5.4 Выбор предохранителей 58
5.5 Выбор клеммных зажимов 58
6. Перемещение файлов с Windows-компьютера на Linux-компьютер 61
6.1 Описание процедуры перемещения файлов 61
6.2 Принцип работы ПЛК на языке Python 62
6.3 Как запустить Modbus-сервер 65
7. Описание кода программы для программируемого логического
контроллера на языке Python 68
7.1 Загрузка внешних библиотек 68
7.2 Формирование разностных уравнений динамических звеньев 69
7.3 Формирование ПИД-регулятора и объекта управления 70
7.4 Написание кода программы управления электроприводами 72
8. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 80
Введение 80
8.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ... 80
8.2 Производственная безопасность 82
8.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов и обоснование
мероприятий по их устранению 83
8.3.1 Повышенный уровень вибрации 83
8.3.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны 85
8.3.3 Неудовлетворительный микроклимат 86
8.3.4 Повышенный уровень шума на рабочем месте 87
8.3.5 Электропоражение 87
8.4 Экологическая безопасность 88
8.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 89
8.5.1 Анализ ЧС, которые могут произойти при проведении
исследований 90
Заключения по главе «Социальная ответственность» 91
9. КОНЦЕПЦИЯ СТАРТАП-ПРОЕКТА 93
Введение 93
Проблема конечного потребителя 93
Защита интеллектуальной собственности 94
Объем и емкость рынка 95
Современное состояние и перспективы отрасли 99
Конкурентные преимущества разрабатываемого продукта 102
Целевые сегменты потребителей создаваемого продукта 104
Планируемая стоимость продукта 104
Бизнес-модель проекта 106
Производственный план и план продаж 106
Стратегия продвижения продукта на рынок 109
Заключения по главе «Концепция стартап-проекта» 111
Заключение 112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 114
ПРИЛОЖЕНИЯ 120
Приложение А 120
Приложение Б 124
Приложение В 126
Раздел 1. Схема комплекса технических средств диспетчеризации 126
Раздел 2. Процедура работы через FTP-протокол 127
Раздел 3. Регистрация суперпользователя 132
Приложение Г 135
Раздел 1. Описание динамических звеньев (интегрирующего и дифференциального) на языке Python 135
Раздел 2. Описание ПИД-регулятора на языке Python 135
Раздел 3. Код программы управления двигателями и частотным преобразователем 136
Раздел 4. Полный код программы 138
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 143
Жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ) в настоящее время является неотъемлемой составляющей для полноценной жизнедеятельности людей. Функция такой структуры заключается в обеспечении потребителей определенными благами. По большей мере, такими благами являются электроэнергия, утилизация бытовых отходов, горячее и холодное водоснабжение.
Для обеспечения полноценной работы ЖКХ используется различное электрооборудование, среди которых весомое место по потреблению электроэнергии занимают электродвигатели.
В связи с увеличением тарифов на электроэнергию перед ЖКХ стоит задача по снижению расхода электроэнергии. В случае с электродвигателями экономия электроэнергии обеспечивается путем использования различных устройств автоматизации. К таким устройствам относятся частотный преобразователь, различные датчики, снимающие показатели работы и отправляющие их в программируемый логический контроллер.
Для транспортировки воды потребителям электродвигатели используются совместно с насосами, образуя электроприводную систему, в которую также включена система управления насосов. Широкое распространение среди электродвигателей получили асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором. Такие двигатели характеризуются невысокой стоимостью, высокой популярностью и простотой конструкции. К недостаткам относят высокие значения пусковых токов при их подключении непосредственно в сеть, что негативно отражается на других потребителях электроэнергии.
В настоящее время большая часть электроприводов насосных установок по-прежнему остаются нерегулируемыми. Отсутствие регулирования означает, что электродвигатель постоянно работает на полную мощность вне зависимости от уровня потребления воды, из-за чего траты на электроэнергию являются большими.
Электроприводы насосов представляют собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигателя, механизма (самого насоса) и системы управления. Электродвигателем обычно выступает асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором. Такие двигатели характеризуются невысокой стоимостью, высокой популярностью и простотой конструкции. Система управления включает в себя частотный преобразователь и программируемый логический контроллер.
Применение программируемого логического контроллера в технологическом процессе позволяет вести отслеживание режима работы насосной установки, осуществлять включение и отключение насосов в зависимости от требуемого давления (напора воды). Сигналы, получаемые с технологических датчиков (датчиков давления) по обратной связи, поступают на обработку в контроллер, который в дальнейшем отдает команду на включение и отключение двигателей.
Целями работы являются расчет электропривода центробежного насоса и разработка программируемого логического контроллера для управления электроприводами повышающей насосной станции.
В процессе выполнения работы необходимо выполнить перечень задач:
- Рассмотреть технологический процесс городского
водоснабжения. Подробно изучить работу повышающей насосной станции.
- Выбрать способ управления режимами работы электропривода насосной установки. Обосновать выбор.
- Провести расчет электропривода насоса согласно заданию.
Рассчитать механические и электромеханические характеристики.
- Выполнить исследование регулирования электропривода насоса.
- Осуществить моделирование.
- С целью написания программы для управления режимом работы электропривода ознакомиться с операционной системой на ядре Debian. Изучить, как переносить файлы между компьютерами с разными операционными системами.
- Разработать код программы для системы автоматического управления насосной станции с использованием Open Source (с открытым исходным кодом) программы Python.
Для обеспечения полноценной работы ЖКХ используется различное электрооборудование, среди которых весомое место по потреблению электроэнергии занимают электродвигатели.
В связи с увеличением тарифов на электроэнергию перед ЖКХ стоит задача по снижению расхода электроэнергии. В случае с электродвигателями экономия электроэнергии обеспечивается путем использования различных устройств автоматизации. К таким устройствам относятся частотный преобразователь, различные датчики, снимающие показатели работы и отправляющие их в программируемый логический контроллер.
Для транспортировки воды потребителям электродвигатели используются совместно с насосами, образуя электроприводную систему, в которую также включена система управления насосов. Широкое распространение среди электродвигателей получили асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором. Такие двигатели характеризуются невысокой стоимостью, высокой популярностью и простотой конструкции. К недостаткам относят высокие значения пусковых токов при их подключении непосредственно в сеть, что негативно отражается на других потребителях электроэнергии.
В настоящее время большая часть электроприводов насосных установок по-прежнему остаются нерегулируемыми. Отсутствие регулирования означает, что электродвигатель постоянно работает на полную мощность вне зависимости от уровня потребления воды, из-за чего траты на электроэнергию являются большими.
Электроприводы насосов представляют собой электромеханическую систему, состоящую из электродвигателя, механизма (самого насоса) и системы управления. Электродвигателем обычно выступает асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым (КЗ) ротором. Такие двигатели характеризуются невысокой стоимостью, высокой популярностью и простотой конструкции. Система управления включает в себя частотный преобразователь и программируемый логический контроллер.
Применение программируемого логического контроллера в технологическом процессе позволяет вести отслеживание режима работы насосной установки, осуществлять включение и отключение насосов в зависимости от требуемого давления (напора воды). Сигналы, получаемые с технологических датчиков (датчиков давления) по обратной связи, поступают на обработку в контроллер, который в дальнейшем отдает команду на включение и отключение двигателей.
Целями работы являются расчет электропривода центробежного насоса и разработка программируемого логического контроллера для управления электроприводами повышающей насосной станции.
В процессе выполнения работы необходимо выполнить перечень задач:
- Рассмотреть технологический процесс городского
водоснабжения. Подробно изучить работу повышающей насосной станции.
- Выбрать способ управления режимами работы электропривода насосной установки. Обосновать выбор.
- Провести расчет электропривода насоса согласно заданию.
Рассчитать механические и электромеханические характеристики.
- Выполнить исследование регулирования электропривода насоса.
- Осуществить моделирование.
- С целью написания программы для управления режимом работы электропривода ознакомиться с операционной системой на ядре Debian. Изучить, как переносить файлы между компьютерами с разными операционными системами.
- Разработать код программы для системы автоматического управления насосной станции с использованием Open Source (с открытым исходным кодом) программы Python.
В процессе выполнения работы был изучен технологический процесс городского водоснабжения и повышающей насосной станции, в частности.
Согласно техническому заданию по заданным напору и производительности был выбран насос и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АИР160М2 мощностью 18,5 кВт. По номинальному току и мощности был выбран частотный преобразователь VF-51-P81K-0038-T4-E20-B-H.
Для анализа работы асинхронного двигателя со скалярным частотным управлением = constрассчитаны параметры Т-образной схемы замещения, построены естественные механические и электромеханические характеристики, рассчитана насосная нагрузка и частотные характеристики согласно заданному диапазону работы.
В программном комплексе построена имитационная схема работы асинхронного двигателя в двухфазной системе координат с переходными процессами угловой частоты вращения вала и момента. Смоделирован пуск от сети в холостом режиме и с помощью частотного преобразователя с насосной нагрузкой. Анализ получившихся графиков переходных процессов показал, что на всем заданном диапазоне частот электропривод приходит в установившиеся значения по скорости и по моменту.
С целью избавления от высоких значений пусковых токов имитационная схема дополнилась задатчиком интенсивности. Анализ показал, что схема с задатчиком интенсивности позволяет избавиться от высоких значений пусковых токов и момента. Использование задатчика интенсивности снижает нагрузку на механическую и электрическую части привода, позволяет осуществлять плавный пуск и увеличивать срок эксплуатации и межсервисное обслуживание.
Проведено ознакомление с операционной системой Linux и её дистрибутивом Debian. Приведен порядок переноса файлов между компьютеров с различными операционными системами через сервер. Описан принцип работы программируемого логического контроллера на языке Python. Показан процесс подключения к ModBus-серверу. Подробно описан процесс написания кода программы управления режимами работы электроприводов насосной станции. В код программы включены основные библиотеки динамических звеньев и ПИД-регулятора. Данные библиотеки позволяют использовать контроллер в любом другом технологическом процессе, меняя при этом лишь часть кода, выполняющего управление работой электродвигателей.
Приведена концепция стартап проекта по выпуску отечественного контроллера с собственным софтом, выполненного на отечественных комплектующих, на базе open-source проектов Python и Debian.
Согласно техническому заданию по заданным напору и производительности был выбран насос и асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АИР160М2 мощностью 18,5 кВт. По номинальному току и мощности был выбран частотный преобразователь VF-51-P81K-0038-T4-E20-B-H.
Для анализа работы асинхронного двигателя со скалярным частотным управлением = constрассчитаны параметры Т-образной схемы замещения, построены естественные механические и электромеханические характеристики, рассчитана насосная нагрузка и частотные характеристики согласно заданному диапазону работы.
В программном комплексе построена имитационная схема работы асинхронного двигателя в двухфазной системе координат с переходными процессами угловой частоты вращения вала и момента. Смоделирован пуск от сети в холостом режиме и с помощью частотного преобразователя с насосной нагрузкой. Анализ получившихся графиков переходных процессов показал, что на всем заданном диапазоне частот электропривод приходит в установившиеся значения по скорости и по моменту.
С целью избавления от высоких значений пусковых токов имитационная схема дополнилась задатчиком интенсивности. Анализ показал, что схема с задатчиком интенсивности позволяет избавиться от высоких значений пусковых токов и момента. Использование задатчика интенсивности снижает нагрузку на механическую и электрическую части привода, позволяет осуществлять плавный пуск и увеличивать срок эксплуатации и межсервисное обслуживание.
Проведено ознакомление с операционной системой Linux и её дистрибутивом Debian. Приведен порядок переноса файлов между компьютеров с различными операционными системами через сервер. Описан принцип работы программируемого логического контроллера на языке Python. Показан процесс подключения к ModBus-серверу. Подробно описан процесс написания кода программы управления режимами работы электроприводов насосной станции. В код программы включены основные библиотеки динамических звеньев и ПИД-регулятора. Данные библиотеки позволяют использовать контроллер в любом другом технологическом процессе, меняя при этом лишь часть кода, выполняющего управление работой электродвигателей.
Приведена концепция стартап проекта по выпуску отечественного контроллера с собственным софтом, выполненного на отечественных комплектующих, на базе open-source проектов Python и Debian.