Помощь студентам в учебе
Разработка мехатронной системы управления группой насосов модульной станции водоснабжения БЦ-8 БрянскАгрострой
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ 7
1.1 Описание станций водоснабжения 7
1.2 Регулируемый электропривод в станциях водоснабжения 13
2 ТРЕБОВАНИЯ К ОБЪЕКТУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 28
2.1 Наименование МС и область применения 28
2.2 Назначение изделия 30
2.3 Основные технические требования к мехатронному устройству 33
3 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ 37
4 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 41
5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 67
6 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ 77
7 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОПИСАНИЕ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ 7
1.1 Описание станций водоснабжения 7
1.2 Регулируемый электропривод в станциях водоснабжения 13
2 ТРЕБОВАНИЯ К ОБЪЕКТУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 28
2.1 Наименование МС и область применения 28
2.2 Назначение изделия 30
2.3 Основные технические требования к мехатронному устройству 33
3 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЫ 37
4 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 41
5 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 67
6 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ 77
7 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
Применение насосных станций различных типов необходимо в большом перечне сфер и организаций. Постоянное наличие воды или другой рабочей среды с требуемым расходом и напором важно и в многоквартирных домах и производствах, где рабочая среда необходима для ведения бесперебойного технологического процесса.
Разработка насосной станции водоснабжения начинается с анализа современных тенденций развития насосного оборудования и систем управления подобными объектами. Станции могут различаться по назначению, показателям расхода и напора и реализации систем управления. На данный момент основными аспектами построения современных мехатронных систем являются:
- переход к энергоэффективному оборудованию;
- повышение отказоустойчивости и срока службы;
- автоматическое управление и дистанционный контроль за системой.
Второе направление напрямую связано с первым. О таком понятии, как «энергоэффективность», сегодня слышал каждый. Оно стало настолько привычным, что не энергоэффективное оборудование автоматически считается устаревшим. Это вполне логично, так как цены на энергоносители постоянно растут, что заставляет разработчиков выпускать насосы для систем отопления и водоснабжения, которые работают максимально эффективно. Данные требования направлены к проектным институтам, заводам-изготовителям насосных станций водоснабжения
Целью нашей выпускной квалификационной работы становится разработка мехатронной системы управления станции водоснабжения. Необходимо спроектировать систему, которая будет полностью удовлетворять техническим требованиям, обеспечивать экономичный режим работы станции при отсутствии постоянного обслуживающего персонала и осуществлять бесперебойную подачу воды потребителю.
Задачи работы - описание мехатронной системы управления, анализ технического задания на проектирование, описание алгоритма работы мехатронной системы, разработка структурной схемы автоматизации проектируемого объекта, выбор элементной базы системы управления, разработка принципиальной электрической схемы, разработка математической модели и проверка соответствия системы техническим требованиям.
Проанализировав литературу, мы выберем наиболее рациональную по цене и функционалу систему бесперебойной подачи воды, которая будет отвечать техническим требованиям, сформированным заказчиком станции и предъявляемых заводу-изготовителю насосной станции. Результатом проверки станут показатели переходных процессов компьютерного моделирования, выполненных при помощи среды разработки MatLab.
Технические решения и способы проектирования, примененные в данной работе, могут быть адаптированы для проектирования насосных станций других назначений с различными типами перекачиваемых сред.
Основными этапами выполнения цели и задач данной работы являются:
• Описание мехатронной системы
• Анализ требований к объекту проектирования
• Описание алгоритма работы мехатронной системы
• Выбор элементной базы системы управления
• Математическая модель объекта управления
• Реализации системы управления объектом
• Моделирование основных режимов работы
Для обоснования уместности применения данной работы на практике, а также доказательства достигнутых показателей переходных процессов будут сделаны выводы, описывающие результат работы.
Разработка насосной станции водоснабжения начинается с анализа современных тенденций развития насосного оборудования и систем управления подобными объектами. Станции могут различаться по назначению, показателям расхода и напора и реализации систем управления. На данный момент основными аспектами построения современных мехатронных систем являются:
- переход к энергоэффективному оборудованию;
- повышение отказоустойчивости и срока службы;
- автоматическое управление и дистанционный контроль за системой.
Второе направление напрямую связано с первым. О таком понятии, как «энергоэффективность», сегодня слышал каждый. Оно стало настолько привычным, что не энергоэффективное оборудование автоматически считается устаревшим. Это вполне логично, так как цены на энергоносители постоянно растут, что заставляет разработчиков выпускать насосы для систем отопления и водоснабжения, которые работают максимально эффективно. Данные требования направлены к проектным институтам, заводам-изготовителям насосных станций водоснабжения
Целью нашей выпускной квалификационной работы становится разработка мехатронной системы управления станции водоснабжения. Необходимо спроектировать систему, которая будет полностью удовлетворять техническим требованиям, обеспечивать экономичный режим работы станции при отсутствии постоянного обслуживающего персонала и осуществлять бесперебойную подачу воды потребителю.
Задачи работы - описание мехатронной системы управления, анализ технического задания на проектирование, описание алгоритма работы мехатронной системы, разработка структурной схемы автоматизации проектируемого объекта, выбор элементной базы системы управления, разработка принципиальной электрической схемы, разработка математической модели и проверка соответствия системы техническим требованиям.
Проанализировав литературу, мы выберем наиболее рациональную по цене и функционалу систему бесперебойной подачи воды, которая будет отвечать техническим требованиям, сформированным заказчиком станции и предъявляемых заводу-изготовителю насосной станции. Результатом проверки станут показатели переходных процессов компьютерного моделирования, выполненных при помощи среды разработки MatLab.
Технические решения и способы проектирования, примененные в данной работе, могут быть адаптированы для проектирования насосных станций других назначений с различными типами перекачиваемых сред.
Основными этапами выполнения цели и задач данной работы являются:
• Описание мехатронной системы
• Анализ требований к объекту проектирования
• Описание алгоритма работы мехатронной системы
• Выбор элементной базы системы управления
• Математическая модель объекта управления
• Реализации системы управления объектом
• Моделирование основных режимов работы
Для обоснования уместности применения данной работы на практике, а также доказательства достигнутых показателей переходных процессов будут сделаны выводы, описывающие результат работы.
В данной работе была разработана мехатронная система управления группой насосов модульной станция водоснабжения. В результате анализа научной литературы, примеров реализации похожих проектов и технической документации касательно объекта проектирования была принята структура индивидуального управления насосными агрегатами с помощью преобразователей частоты. Данный метод позволяет наиболее эффективно и отказоустойчиво управлять технологическим процессом поддержания давления на выходе станции при различном водопотреблении. Использование регулируемого электропривода в системе водоснабжения позволяет добиться таких моментов как: снижение потребления электроэнергии; оптимизация режимов работы водопроводной сети; сокращение потерь воды; повышение ресурса работы основного оборудования; сокращение порывов водопроводов.
После проработки технического задания, была спроектирована гидравлическая схема насосной станции, которая включает 5 насосных агрегатов, 3 из которых могут одновременно быть в работе, остальные предназначены для резервирования и автоматического ввода резерва, данное решение обосновано высокой степенью подачи воды. Помимо насосных агрегатов гидравлическая схема включает устройства автоматики: датчики и сигнализаторы, которые предназначены для технологической защиты оборудования, обратной связи, которая необходима для замкнутого контура регулирования давления.
Для правильной работы станции был разработан алгоритм управления насосными агрегатами и спроектирована структурная схема автоматизации, которая соответствует техническим требованиям по перечню входных и выходных данных системы автоматизации и протоколу, передаваемому на верхний уровень автоматизации.
Для физической реализации проекта было подобрано как силовое, так и контрольное оборудование автоматизации, а именно: насосный агрегат Grundfos CR 125-3-1, совместно с электродвигателем Siemens 200L, преобразователь 89
частоты Danfoss Aqua FC 202, программируемый логический контроллер Siemens CPU1214C, приборы КИПиА и оборудование, входящее комплекс автоматизации насосной станции. Вся элементная база была подобрана исходя из сформулированного технического задания, включающего в себя требования к технологическому оборудованию, а также требования к системе автоматизации.
Спроектированная система управления позволяет осуществлять автоматическое управление насосной станцией. Для этого были спроектированы принципиальные электрические схемы шкафа автоматики, позволяющие осуществлять ручное управление частотными преобразователями. Также был разработан алгоритм управления станцией, смысл которого заключается в вводе дополнительных насосных агрегатов при недостаточном давлении на выходе из станции. Алгоритм реализован посредством лестничных диаграмм, написанных в программной среде TIA Portal. Помимо основного алгоритма, для равномерного износа силового оборудования предусмотрено переключение насосов по наработке. Для обеспечения мониторинга и настройки логики работы станции были сформированы экраны сенсорной панели оператора, которая устанавливается на лицевой стороне шкафа автоматизации и позволяет просматривать список событий, изменять уставочные параметры и наглядно отслеживать изменения давления в водопроводной сети.
Благодаря методам компьютерного моделирования, спроектированная система была проверена в программном пакете Simulink MatLab. При моделировании использовались математические уравнения из проанализированной литературы и параметры из технической документации на оборудование. Система была протестирована при различном изменении расхода (линейном и постоянном). Величина расхода соответствует максимальному расходу станции. Показатели переходных процессов соответствуют требуемым.
Таким образом, можно заключить, что спроектированная насосная станция соответствует техническим требованиям Поставленные задачи выполнены, а необходимая цель работы достигнута.
После проработки технического задания, была спроектирована гидравлическая схема насосной станции, которая включает 5 насосных агрегатов, 3 из которых могут одновременно быть в работе, остальные предназначены для резервирования и автоматического ввода резерва, данное решение обосновано высокой степенью подачи воды. Помимо насосных агрегатов гидравлическая схема включает устройства автоматики: датчики и сигнализаторы, которые предназначены для технологической защиты оборудования, обратной связи, которая необходима для замкнутого контура регулирования давления.
Для правильной работы станции был разработан алгоритм управления насосными агрегатами и спроектирована структурная схема автоматизации, которая соответствует техническим требованиям по перечню входных и выходных данных системы автоматизации и протоколу, передаваемому на верхний уровень автоматизации.
Для физической реализации проекта было подобрано как силовое, так и контрольное оборудование автоматизации, а именно: насосный агрегат Grundfos CR 125-3-1, совместно с электродвигателем Siemens 200L, преобразователь 89
частоты Danfoss Aqua FC 202, программируемый логический контроллер Siemens CPU1214C, приборы КИПиА и оборудование, входящее комплекс автоматизации насосной станции. Вся элементная база была подобрана исходя из сформулированного технического задания, включающего в себя требования к технологическому оборудованию, а также требования к системе автоматизации.
Спроектированная система управления позволяет осуществлять автоматическое управление насосной станцией. Для этого были спроектированы принципиальные электрические схемы шкафа автоматики, позволяющие осуществлять ручное управление частотными преобразователями. Также был разработан алгоритм управления станцией, смысл которого заключается в вводе дополнительных насосных агрегатов при недостаточном давлении на выходе из станции. Алгоритм реализован посредством лестничных диаграмм, написанных в программной среде TIA Portal. Помимо основного алгоритма, для равномерного износа силового оборудования предусмотрено переключение насосов по наработке. Для обеспечения мониторинга и настройки логики работы станции были сформированы экраны сенсорной панели оператора, которая устанавливается на лицевой стороне шкафа автоматизации и позволяет просматривать список событий, изменять уставочные параметры и наглядно отслеживать изменения давления в водопроводной сети.
Благодаря методам компьютерного моделирования, спроектированная система была проверена в программном пакете Simulink MatLab. При моделировании использовались математические уравнения из проанализированной литературы и параметры из технической документации на оборудование. Система была протестирована при различном изменении расхода (линейном и постоянном). Величина расхода соответствует максимальному расходу станции. Показатели переходных процессов соответствуют требуемым.
Таким образом, можно заключить, что спроектированная насосная станция соответствует техническим требованиям Поставленные задачи выполнены, а необходимая цель работы достигнута.