автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка системы управления водогрейным котлом тепловой станции с использованием частотно-регулируемого привода

□□3450565

На правах рукописи

Белов Михаил Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОДОГРЕЙНЫМ КОТЛОМ ТЕПЛОВОЙ СТАНЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ПРИВОДА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники

и систем управления.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з о о::т г"1

Москва 2008

003450565

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете)"

Ведущая организация: ИПУ РАН им В.А. Трапезникова.

Защита состоится "25" ноября 2008 г. в 14.00 часов. На заседании диссертационного совета Д 212.133.03 в ГОУ ВПО "Московском государственном институте электроники и математики (МИЭМ) (технический университет)" по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З, зал Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.

Автореферат разослан "2.5" 2008 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Каперко Алексей Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Домрачев Вилен Григорьевич

кандидат технических наук, профессор Немчинов Валерий Михайлович

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.133.03 кандидат технических наук, доцент

Ю.Л. Леохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Согласно существующей статистики, большинство тепловых станций нуждаются в модернизации средств контроля и измерения. Состояние и технические возможности установленных ранее аппаратных средств оцениваются как удовлетворительные. Необходимость в модернизации средств управления подтверждается ухудшением экономических-, экологических показателей. Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную точность и быстродействие технологических процессов на объектах управления. Радикальным решением в данной ситуации, является модернизация устаревших систем управления с использованием современных программно-технических комплексов. Использование промышленных сетей, а так же построение систем управления с использованием распределенной архитектуры, обеспечивает связность системы управления в целом. Применение контрольно-измерительных средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных, позволяет оптимизировать работу старого оборудования в различных режимах, и обеспечить эффективное и безопасное функционирование основного технологического оборудования в целом.

Целью работы является разработка математической и функциональной модели, информационной структуры системы управления водогрейного котла с использованием частотно-регулируемого привода и направляющих аппаратов тягодутьевых механизмов.

Для достижения поставленной цели в данной работе решены следующие задачи:

1.) исследован объект управления на примере водогрейного котла;

2.) разработана функциональная и структурные схемы системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения в топке котла;

3.) разработана модель системы управления разрежением в топке водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования;

4.) исследовано качество процесса регулирования параметра разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования и выполнено сравнение с экспериментальными данными;

5.) разработана функциональная и структурные схемы системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода для системы регулирования параметра разрежения водогрейного котла;

6.) разработана модель системы управления разрежением в топке водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода и проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными;

7.) исследована система управления разрежением в топке водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода для управления тягодутьевыми механизмами;

8.) выполнено сравнение полученных данных для оценки качества процессов регулирования системы управления параметра разрежения;

9.) реализованы результаты моделирования системы управления водогрейным котлом и элементов управления направляющими аппаратами и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов на тепловой станции.

Методы исследований. Решение поставленных задач выполнено на основе использования методов теории проектирования систем управления, теории автоматического управления, методов дифференциального и интегрального исчисления, теории случайной функции для оценки точности технологических процессов, статистического метода анализа точности и устойчивости технологических процессов.

Научная новнзна диссертационной работы состоит в следующем:

1.) Предложена математическая модель топки и элементов системы управления водогрейного котла.

2.) Разработана функциональная модель объекта управления водогрейным котлом с использованием направляющих аппаратов тягодутьевых механизмов системы регулирования параметра разрежения;

3.) Разработана функциональная модель объекта управления водогрейным котлом с использованием частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов системы регулирования параметра разрежения;

4.) Проведен анализ качества процесса регулирования параметра разрежения с использованием направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов системы на основе статистического метода;

5.) Разработан программно-технический комплекс для работы теплостанции с использованием цифрового управления частотно-регулируемым приводом.

6.) Разработана информационная структура программно-технического комплекса для организации информационного обмена между операторскими станциями управления и контроллерами котла.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1.) Разработаны функциональная и структурные схемы программно-технического комплекса АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения;

2.) Разработаны функциональная и структурные схемы программно-технического комплекса АСУ водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод по цифровому каналу управления системы регулирования параметра разрежения;

3.) Результаты, полученные в ходе настоящей диссертационной работы, могут быть использованы при разработке программно-технических комплексов для систем управления водогрейных котлов.

4.) Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИЭМв дисциплине "Теория автоматического управления".

На защшу выносится:

1.) Структурная схема объекта - водогрейного котла с системой регулирования параметров с использованием направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов;

2.) Математическое описание объекта - топки котла, элементов системы регулирования параметров системы - направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода;

3.) Функциональная и структурные схемы, ориентированные на поддержание параметра разрежения в топке водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования газо-воздушного тракта;

4.) Функциональная и структурные схемы, ориентированные на поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов системы регулирования газовоздушного тракта.

5.) Структурная и информационная схемы программно-технического комплекса системы управления водогрейным котлом.

Реализации результатов диссертационной работы:

В качестве практического применения системы управления тяшдутьевыми механизмами поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла, приведен пример реализации системы управления с современным программно-техническим комплексом с использованием частотно-регулируемого привода на районо тепловой станции г.Москвы.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ, 2005-2008);

- на научно-технической конференции "РАО ЕЭС России" (Москва, ФГУП НИИ Теплоприбор, 2005г);

- на научно-методическом семинара по промышленным системам управления "Автоматизация технологических процессов в энергетике" (г. Шатура, 2008г);

Публикации.

По теме диссертации опубликовано б работ, в т.ч. 2 статьи входящих в список ведущих научных журналов рекомендованных ВАК , 4 тезиса докладов и материалов научных конференций.

Структура п объем дпссертацпонпой работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения, библиографии. Работа содержит 180 страниц основного машинописного текста, 80 рисунков. Список литературы состоит из 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения.

Во введеппп обоснована актуальность темы, поставлены цель работы и задачи для ее достижения, определены объект и предметы исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор о промышленных объектах управления и системах регулирования. В качестве объекта регулирования рассматривается водогрейный котел (ВК). Задача системы регулирования котлоагрегата -согласовать потоки подаваемых в котел воды, топлива и воздуха, для обеспечения требуемой теплопроизводительности котла при заданных параметрах. КПД котла в значительной мере зависит от качества процесса сгорания топлива (газа). От этого также зависит количество вредных выбросов в атмосферу. В реальных условиях в топку котла подается природный газ с примесями и воздух. Вследствие этого в процессе горения могут образовываться угарный газ, NOx и другие неблагоприятно влияющие на экологию загрязняющие вещества. Поэтому одной из принципиально важных задач является обеспечение оптимального сжигания топлива при правильном соотношении смеси воздух-газ, подаваемой в горелки. При оптимальном сгорании топлива в уходящих газах количество NOx незначительно, а СО практически отсутствует. Автоматическая система поддержания качества процесса сгорания топлива состоит из системы регулирования общего воздуха и системы регулирования разрежения. Обе системы регулируются производительностью своих тягодутьевых механизмов. Анализ систем показал что существует три способа воздействия на производительность тягодутьевых механизмов: за счет воздействия на поворотные многоосные дроссельные заслонки и шиберы (дроссельное регулирование)', за счет воздействия на направляющие аппараты (смешанное регулирование); за счет изменения частоты вращения вала приводного электродвигателя (скоростное регулирование). В настоящее время возникла необходимость оснащения водогрейного котла высоконадежными и быстродействующими системами автоматики, в основе которых используются последние достижения в области микроэлектроники и программного регулирования процессов. В работе проведен анализ наиболее известных программно-технических комплексов (ПТК) промышленной автоматизации. Предложен вариант структурной схемы технического уровня программного комплекса, представленный на рисунке 1.

Единое время

Л""**"! -л

Рабочие стадцнн

Инженерная Операторские Анализа

Событийная

^ *

Сервер архива

к АСУП^

САПР

Сетевые концентраторы

Промышленнь|е сети

ОРС

Бесшпюзовые контроллеры К системам других фирм

Контроллеры

Рис.1. Структурная схема технического уровня ПТК

Для информационного обмена предложена информационная структура ПТК, которая представлена на рисунке 2.

Рис 2. информационная структура ПТК.

1 - прием сигналов от датчиков, 2 - команды на исполнительные устройства, 3 - текущая информация для оператора, 4 - команды ручного управления, 5 - сбор архивной технологической информации, 6 - информация об ошибках технических средств, 7 -текущие сигналы и параметры контроллеров для наладчиков, 8 - команды изменения настроек, 9 - архивирование действий персонала, 10 - графики, 11 - представление оператору текущих событий, 12 - анализируемая архивная информация, 13 - информация для расчетов, 14 - распечатка протоколов и ведомостей, 15 - информация для руководителей, 16 - обмен информацией между АСУ ТП и АСУ П, 17 - единое время (ко всем абонентам). 18 - обмен информацией между контроллерами.

В результате анализа автоматизированных систем управления процессами выработки тепла, реализуемыми водогрейными котлами, были выявлены основные способы регулирования производительности тягодутьевых устройств, и элементы системы управления, для поддержания оптимального соотношения "топливо-воздух", косвенно отражающего его экономичность процесса сжигания топлива. Для обеспечения наилучшего способа поддержания процесса горения в топке котла, необходимо разработать математическую и функциональную модель топки водогрейного котла осуществить выбор элементов системы управления тяго дутьевыми механизмами, оценить качество регулирования параметра разрежения системы водогрейного котла. Для взаимодействия программно-технического комплекса с системой управления водогрейным котлом, необходимо определить круг задач для информационного обеспечения между контроллерами котла и элементами верхнего уровня автоматизированной системы управления.

Вторая глава посвящена математическому описанию объекта управления водогрейного котла. Рассматриваемый технологический объект управления (ТОУ) и система его автоматизированного управления относятся к классу динамических систем (ЦС). В основе дифференциальных уравнений, описывающих ДС, лежат уравнения сохранения вещества и энергии для нестационарного режима, уравнения материального и теплового баланса. На рисунке 3, схематично представлен исследуемый объект водогрейный котел в частности топка котла.

РО_НА

/-гтттг:-ч-в^Гч/1—^г..

приток воздуха

ДВ впрО)

Рис.3. Схема исследуемого объекта

Рсеч- поперечное сечение топки котла, Но - условно объем топки, К- клапан, Осток-выход объекта, Опр- вход объекта, а - положение клапана К, РО НА -регулирующий орган направляющих аппаратов.

топка котла

I К н„

ч сток газов

Дс

Запишем уравнения для стационарного режима.

= стационарный режим [Onp(t)-G_(t)]-dt = dV = FdH (1)

V = F • Н => dV = FdH - приращение объема

Уравнение материального баланса для нестационарного режима. dH

F • — = G „р (t) - G CI01. (t) - дифференциальное уравнение для емкости котла GCI0I(t) =ал/н,а-приращение клапана К

F~ = Gjp(t)-WH (3)

Уравнение (3) - нелинейное уравнение, правая часть характеризует вынужденное движение. Так как в процессе регулирования отклонения небольшие, то принимают гипотезу о линеаризации дифференциальных уравнений. В основе линеаризации гладких (дифференциальных) функций лежит метод разложения в ряд Тейлора. Примем, что Gllp(t)-GIip0 + AGnp(t)

a^J H(t) =a%/H0(t) + a—¿=ДН, a^H^t) = GnoM),a—¡L= ДН - производная

Для стационарного режима G^ = G„olt0, при этом Н = Н0

= (4)

dH

-^- = 0, так как Н„ = const, G^ -GCI„0 = 0, тогда

dt (5)

Можно принять, что AH(t) = y(t);AGnp(t) = x(t)

F^^^^t) (6)

a dt a

j T ' | [

Примем следующие обозначения: F • 2Ju^ • — = T, ——- = k

a a

Тогда окончательное дифференциальное уравнение запишется в виде:

TM) + y(t) = k.x(t) (7)

dt

Если задать x(t) = const = l(t), Т - постоянная времени объекта, к - коэффициент усиления объекта, то воспользуемся интегральным преобразованием Лапласа, для получения передаточной функции объекта управления.

Выражение (8) - является передаточной функцией объекта. Передаточная функция (8) - представляется апериодическим звеном первого порядка, характер поведения такого объекта известен. Для многих регулируемых объектов отклонение параметра, вызванное нарушением материального или энергетического баланса, в свою очередь оказывает влияние на приток или расход в сторон}' уменьшения возникшего разбаланса, т.е. в сторону восстановления нового установившегося состояния. Способность объекта приходить после возмущения в новое установившееся состояние без вмешательства регулятора называется свойством самовыравнивания (саморегулирования) объекта. У объектов с самовыравниванием каждому положению регулирующего органа соответствует свое установившееся значение регулируемого параметра. В работе проанализированы свойства основных динамических звеньев Для детального исследования и анализа промоделированы переходные процессы в динамических звеньях с помощью программного комплекса для моделирования процессов в технических системах ("МВТУ"). К системам управления предъявляются основные требования: по точности в установившихся режимах, по устойчивости и по качеству переходных процессов. Устойчивость, т.е. затухание переходных процессов, является необходимым, но не достаточным условием практической пригодности системы. Необходимо, чтобы система обладала еще рядом качественных показателей, о которых можно судить по характеру протекания переходных процессов. Эти показатели отражают быстродействие и запас устойчивости систем. Не менее важным является способность системы обеспечить необходимое качество процесса регулирования. Качество регулирования чаще всего определяется тем, как точно выдерживает регулятор заданное значение регулируемого параметра и как быстро заканчивается процесс регулирования. Склонность системы к колебаниям, а следовательно, и запас устойчивости могут быть охарактеризованы максимальным значением регулируемой величины ЬП1ах или так называемым перерегулированием ст,%. В большинстве случаев считается, что запас устойчивости является достаточным, если величина перерегулирования не превышает 10+30%. Быстродействие системы определяется по длительности переходного процесса (процесса регулирования) 1.р. Временем регулирования tp называется время, в течение которого, начиная с момента приложения воздействия на систему, отклонения значений регулируемой величины от ее установившегося значения не будут превышать некоторого наперед заданного значения. Одним из показателей качества может служить колебательность - количество полных колебаний за это время. Нормальным считается 1+2 колебания за время регулирования 1Р. Степенью затухания »|/ называется отношение разности двух соседних амплитуд одного знака кривой переходного процесса к большей из них. В среднем эта величина должна находиться в пределах 0,75+0,9.

Третья глава посвящена разработке системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения в топке котла. Функциональные возможности программно-технического комплекса позволили интегрировать современную систему управления поддержанием параметра разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования водогрейного котла, без серьезных изменений элементов управления процессом. Открытая сетевая архитектура NetLinx и разработанные функциональная и структурные схемы, позволили создать распределенную систему управления газо-воздушным трактом водогрейного котла.

Операторски« станции ^fm-j ь * Сигналы по 1аданиьо параметров системы

¿ВМЯ& iSBSS; "......

Сеть Ethernet Щ '

Контроллер котла АСУ

•

Промышленная с еть ControlNet { Сигналы управления РО

Рис. 4. Структурная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы. НА-направляющие аппараты, ТК-гопка котла, ДВ-дутьевой вентилятор, ДС-дымосос, ДТ-дымовая труба, РО-регулирующий орган.

С операторских станций поступает сигнал по заданию параметров системы управления. Информационная сеть Ethernet обеспечивает обмен данными между контроллером системы управления водогрейным котлом и операторскими станциями объекта управления. Контроллер котла, реализует алгоритмы управления, воздействия на параметры системы, выдает сигналы управления регулирующими органами. Промышленная сеть ControlNet, обеспечивает обмен данными с контроллером и удаленными модулями УСО, расположенными в близи объекта. Информационные сигналы поступают в удаленные модули ввода вывода.

На рисунке 5 представлена функциональная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметров газо-воздушного тракта.

Рис. 5. Функциональная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы. НА-паправляющие аппараты, ТК-топка котла, ДВ-дутьевой вентилятор.ДС-дымосос, ДТ-дымовая труба, РО-регулирующий орган, CV-переменная управления, Д - сигнал рассогласования.

Представленная функциональная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметров газо-воздушного тракта включает в себя элементы системы управления состоящие из: Контроллера ControlLogix серии L55 (CPU), модуля организации передачи данных между операторскими станциями и контроллером управления ENBT, модулей гарантированной передачи данных по промышленной сети ControlNet - CNBR, входных модулей для приема аналоговых сигналов IF6I, входного дискретного модуля IB32, входного модуля приема токовых сигналов IM16, выходного релейного модуля OW16, блоков питания БП необходимых для питания контроллера и удаленных модулей системы управления . Задание параметров управления технологическим процессом и их отображение происходит на операторских станциях, с использованием программы визуализации и организации человеко-машинного интерфейса SCADA -системы RSView32, и коммуникационного пакета организации данных между верхним уровнем системы управления и контроллером, ОРС - RSlinx. Реализованы алгоритмы функционирования и управления котлом с помощью пакета программирования RSLogix5000. Созданная модель исследуемого объекта в программном комплексе для моделирования "МВТУ", а так же элементов системы управления, представленной на рисунке 6, показала схожесть с реальным объектом.

Вксцной сигнал изменен положения РО

ЗвеноЗИМ w|hm)

Зеено вентилятора

еоздуххода Мвенг)

Звено объекта

Графическое представление выходного сигнала

Рис. 6. Структурная схема модели регулирования Входной сигнал изменение положения РО - устанавливаемое значение параметра системы; \У(им) - передаточная функция РО совместно с ЭИМ, Щвент) - вентилятора и воздхловода (дымохода), \¥(об) - передаточная функция объекта является топка котла.

На рисунке 7 представлены реальные динамические характеристики исследуемого объекта и его модели. Отклонение параметра разрежегнгя пргг моделировании не превышает 1.83% от заданного значения. Коэффициент передачи объекта при моделировании составляет 0,56 (мм.вод.ст)/%уп, условное запаздывание объекта 1 секунда, постоянная времени объекта 13 секунд.

и Разгонные характеристики объекта

ш г S 12 X

ёш

Г О £ f - * ""

а °

(Я а 1 /

и 6 Р V 1/ I/

я & Г ^

с ,

9) S

? 0

Я Z п 1 2 Э 4 S 6 7 8 9 10 11 12 13 К 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Время регистрации (сек). 27 20 29 30

| * Вогиуи^нне » Кривая режима НИ Криви рахона №2 Крнваяраими N¿1 - Крпэал ражона №г4 * Кривая модели |

Рис. 7. Реальные динамические характеристики объекта и его модели

Для расчета настройки автоматической системы регулирования параметра разрежения, определены динамические характеристики исследуемого объекта. Рассчитанный коэффициент передачгг исследуемого объекта топки водогрейного котла, с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежегнгя, составляет 0,59 (мм.вод.ст)/%уп, условное запаздывание объекта 1 секунда, постоянная времени объекта 8,2 секунды.

Четвертая глава посвящена разработке системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый электропривод системы регулирования параметра разрежения в топке котла. Современный частотно-регулируемый электропривод состоит из асинхронного или синхронного электрического двигателя и преобразователя частоты. На рисунке 8, представлен состав ЧРП. Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию и приводит в движение исполнительный орган технологического механизма.

Ao-j-Ео+-?СТ

пч

ио

ЧРП

Рис. 8. Состав ЧРП. ПЧ - преобразователь частоты, М - электрический двигатель, ИО - исполнительный орган, ЧРП-частотно-регулируемый электропривод.

Одним из основных преимуществ использования частотно регулируемых приводов - установка его на уже существующие двигатели. Следовательно это позволит не только экономить энергию, но и не разрушать уже построенную систему управления технологическими процессом. На рисунке 9, представлена структурная схема системы управления с применением ЧРП в системе регулирования параметра разрежения водогрейного котла.

Операторские станции

Сигналы по заданию параметров системы

Сеть Ethernet

1,1.......1,

it ~ »t-л, - 1 Л ' :

Контроллер | | котла АСУ

Промышленная сеть ControlNeti;

.<>. —Mis

: Сигналы управления ЧРП

*

удаленные модули УСО

Сигнал по дав лани» воздуха

Сигнал по разрежению в топке

Рис. 9. Структурная схема АСУ с воздействием на ЧРП системы регулирования параметра разрежения водогрейного котла. ЧРП- частотно-регулируемый привод, ТК- топка котла, ДТ-дымовая труба, ДВ-дутьевой вентилятор, ДС-дымосос.

На двигатель устанавливается частотный преобразователь и система управления приводом PowerFlex7000 подключается к текущей системе управления по цифровому' каЕгалу с использованием промышленной сети с гарантированной доставкой по времени ControlNet.C операторских станций поступает сигнал по заданию параметров системы управления. Информационная сеть Ethernet обеспечивает обмен данными между контроллером системы управления и операторскими станциями. Контроллер котла, реализует алгоритмы управления, воздействия на параметры системы, выдает сигналы управления регулирующими органами. Промышленная сеть ControlNet, обеспечивает обмен данными с контроллером и удаленными модулями УСО. расположенными в близи объекта. На рисунке 10 представлена функциональная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод системы регулирования параметров газовоздушного тракта.

Рис. 10. Функциональная схема АСУ водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод системы. ТК-топка котла. ДВ-дутьевой вентилятор. ДС-дымосос, ДТ-дымовая труба, С\'-переменная управления. Л - сигнал рассогласования.

Отличительная особенность модернизированной системы управления подачей воздуха и удаления газов от системы управления с направляющими аппаратами, это возможность непосредственно воздействовать на обороты двигателей за счет установки ЧРП, тем самым, регулируя потоки воздуха и газов уже переменной скоростью вращения электропривода по цифровому' каналу-. Проведено моделирование системы управления с частотным регулированием параметров водогрейного котла. Для расчета динамических показателей системы регулирования по технологическом}' параметру.

представляется система регулирования в виде отдельных звеньев. Схема модели системы представлена на рисунке 11.

В-щдноногиал изменение скчжсти вращения дынгагеля

Рис. 11. Структурная схема модели регулирования. Входной сигнал изменение скорости вращения двигателя - устанавливаемое значение параметра системы; и7(дв) - передаточная функция двигателя, \У(вент) - вентилятора и воздуховода (дымохода), \¥(об) - передаточная функция объекта является топка котла.

Созданная функциональная и структурные модели исследуемого объекта с воздействием на частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов водогрейного котла, а так же элементов системы управления, показала схожесть с реальным объектом. На рисунке 12 представлены реальные динамические характеристики исследуемого объекта и его модели.

ние параметра разрежения Ж мм.вод.ст. Разгонные характеристики объекта с ЧРП

1

1 1 У

1 / I /

а> » т СО I п 1 2 3 ♦ 5 6 7 е 9 1 0 11 12 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 20 21 22 23 24 25 26 27 20 29 30 31 32 33 34 33 36 37 Время регистрации (сек).

| *■ В о «оме ние » Кривая ркготПЛ Кривая ре кони N¿2 Кривая района И.З • Кривая р«ггои« Иа4 ■* Кривая модели |

Рис. 12. Реальные динамические характеристики объекта и его модели с ЧРП.

Отклонение параметра разрежения при моделировании не превышает 0.16% от заданного значения. Коэффициент передачи объекта при моделировании составляет 0,89 (мм.вод ст)/Герц, условное запаздывание объекта 1 секунда, постоянная времени объекта 6.4 секунды. Для расчета настройки автоматической системы регулирования параметра разрежения, определены динамические характеристики исследуемого объекта. Рассчитанный коэффициент передачи исследуемого объекта топки водогрейного котла, с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения, составляет 0,89 (мм.вод.ст)/Герц,

Звено ЧН1 двн гаге ля И»!

_^ . 1_

Звено вентилятора

Звено объема «(об)

ГраЧ»месксе преястаекзнив вынодного сигнала

условное запаздывание объекта 1 секунда, постоянная времени объекта 6,2 секунды. Система управления с воздействием на частотно-регулируемый привод обеспечивает поддержание регулируемого параметра разрежения в топке водогрейного котла, путем изменения частоты вращения тягодутъевых механизмов.

Пятая глава посвящена сравнению систем автоматического регулирования параметра разрежения водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты и частотно-регу лируемого привода. Точность регулирования задается допуском, т.е. предельно допустимым отклонением от номинального параметра. Автоматическое регулирование процесса должно обеспечить поддержание в заданных пределах параметра разрежения. Согласно требованиям предъявляемыми на станции, для оптимального технологического процесса значение разрежения устанавливается равным 12 мм.вод.ст. Для поддержания параметра разрежения, величина допуска составляет 2% от шкалы измерения датчика. Диапазон измерения параметра датчиком, составляет ±20 мм.вод.ст. Согласно величине допуска, допустимое отклонение параметра от заданной величины, не должно превышать +0,8 мм.вод.ст.

Для сравнения систем регулирования с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования и ЧРП, необходимо провести испытание систем с включенным регулятором, так же оценить работу систем по значению установившегося параметра регулирования, запаса устойчивости систем и быстродействия. Функциональная схема регулирования параметров газовоздушного тракта водогрейного котла, с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования представлена на рисунке 13.

* Г- 1--4-

Задание параметра по разрежению

~Т1

Регулятор разрежения

Регулирующий орган •'направляющего аппарата -дымососа

Рис. 13. Функциональная схема регулирования параметров при направляющие аппараты ппо-воздушного тракта водогрейного котла.

воздействий на

Получены значения кривых параметров разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования с различными настройками регулятора разрежения реального объекта, представлены в таблице 1.

Настройки Пи регуляторе максимальное отшкжзййе (ьш.аод.ст ) Б^УМЯ регулирования тр {сек). установившееся значение параметре разрешения Нт (мм. вод. о)

Коэффициент усиления Кр Постоянная интегрирования перерегулирование РЧ 0 ЧИ^ЙС колеЁанин Степень затучзння ^

4 3 17.4; 50 53 11,57 ; 0.86

жяжш 17.37 52 51 11,55 2 0,31

20.37 73.1 72 11,27 3 0 63

|||||1 111111: 1®:! ¡111 13,06 12.1 24 11,65 1 0,78

12.92 14.! 26 11,3 1 0.8

По полученным данным таблицы 1, в качестве настроек регулятора выбираются настройки, где Кр=5, Ти=2.5. При выбранных настройках регулятора, установившееся значение параметра разрежение в топке котла составляет 11,65 мм.вод.ст., время регулирования с момента подачи возмущения составляет 24 секунды. Ощутимое запаздывание реакции системы обусловлено медленной реакцией исполнительного механизма. Невозможность быстро отработать возвещающее воздействие на систему, свидетельствует о длительном времени регулирования параметра, до момента его установившегося значения.

Для анализа системы регулирования с воздействием на ЧРГ1 тягодутьевых механизмов, необходимо провести испытание системы с включенным регулятором, так же оценить работу системы по значению установившегося параметра регулирования, запаса устойчивости системы и быстродействия. Функциональная схема регулирования параметров газо-воздушного тракта водогрейного котла, с воздействием на ЧРП представлена на рисунке 14.

ЧИП ВЕНТИПЯТОИД

Давление возд/ха

Т.

параметра по разрежоыню

./Оч Регулятор -разрежения

Возмущения |

_________Чг

Объею" топка котла

Рагреженяе 8топке котла н топ.

Рис. 14. Функциональная схема регулирования параметров с ЧРП газо-воздушного тракта водогрейного котла.

Получены значения кривых параметров разрежения с воздействием на ЧРП системы регулирования с различными настройками регулятора разрежения реального объекта, представлены в таблице 2.

Настройки Пи - регулятора (■■аксимальноя отклонение (ММ ЕОД.Л ) рийХС перерегулирование (%) С рраПЯ регулирования 'р (секз. ус-яновиешэес.а зндчэния параметра разрешения Нт (Ы1.Г ЗСД СП колебаний Стетечь затухания

Коэффициент усиления Кр Постоянная интегрирования Ти

:: " 27 ' ... : 2 17,46 26,7 48 12,7996 2 0,71

2.3 2.5 14,33 12,2 32 12,6396 1 0,73

09 3,6 12,49 о.е 25 12.3993 0 1

3,1 12,64 10,Б 16 11 8423 1 0,81

1329 15,7 20 11,2004 1 1

По полученным данным таблицы 2, в качестве настроек регулятора выбираются настройки, где Кр=1,7, Ти=3.1. При таких настройках регулятора, система регулирования с ЧРП дает наименьшее время регулирования, более близкое к заданному установившееся значение, и допустимую степень затухания процесса. Для сравнения систем регулирования с воздействием на ЧРП тягодутьевых механизмов и направляющих аппаратов системы, целесообразным будет оценка их точности поддержания технологического процесса, на основе теории случайных функций и сравнить результаты наблюдений изменения параметра разрежения в один и тот же промежуток времени при одинаковых условиях. Значения параметра разрежения при регулировании берутся в интервале равным 24 часа, с дискретностью изменения параметра 1 секунда, заданное значение параметра разрежения 12 мм.вод.ст, величина допуска составляет +0.8 мм.вод.ст .

На рисунках 15 и 16 , представлены временные изменения параметра разрежения за 24 часа, при регулировании с помощью направляющих аппаратов и ЧРП соответственно. В таблице 3, представлены расчетные данные оценки точности этих технологических процессов.

Диаграмма параметра разрежения при регулировании направляющими аппаратами

-

» > 1

^ ¿¿-Зона

допуска

- Регулирование направляющ им аппаратом

Изменения параметра разрежения за интервал времени 24 часа.

Рис. 15. Временные изменения параметра разрежения при регулировании с помощью направляющих аппаратов реального объекта. Величина допуска составляет +0.8 мм.вод.ст .

Изменения параметра разрежения за интервал времени 24 часа.

Рис. 16. Временные изменения параметра разрежения при регулировании с помощью ЧРП реального объекта . Величина допуска составляет+0.8 мм.вод.ст .

Таблица 3.

Управление процессом Дисперсия о* (Л*) Среднеквадра тическое отклонение и (X) Коэффициент смещения относительно середины поля допуска А1 Коэффициент точности процесса к2 Степень устойчивости технологичес кого процесса кЗ

с воздействием на направляющие аппараты 0,351 0,592 -0,038 1,25 0,74

с воздействием на ЧРП 0,521 0,721 -0,0096 0,625 0,9012

Таким образом, сравнительный анализ процессов регулирования параметра разрежения системы управления водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования и ЧРП наглядно показал, что в пределах границ определенных условием допуска отклонения параметра от заданного значения регулируемого процесса а именно: степень устойчивости *гЗ—>1, коэффициента точности в пределах 0.6 <к2< 0.85, и коэффициент смещения относительно середины поля допуска /Л-»0, наиболее устойчивым и удовлетворяющим требованию статического контроля, является выбранный процесс регулирования с воздействием на ЧРП тягодутьевых механизмов. Основные результаты и выводы диссертации:

1.) Исследованы основные варианты автоматических систем регулирования газо-воздушного тракта объекта управления - водогрейного котла. Основной особенностью системы регулирования, является регулирование параметров путем воздействия на направляющие аппараты. Данные схемы регулирования применяются на большинстве промышленных объектах.

2.) Предложена функциональная модель объекта с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения. Моделирование разработанной модели системы, показала достаточно хорошее совпадение с реальным объектом. Отклонение параметра разрежения при моделировании не превышает 1,83% от заданного значения.

3.) Предложена функциональная модель системы управления с воздействием на частотно-регулируемый привод доя регулировашгя параметра разрежения. Моделирование разработанной модели системы, показала хорошее совпадение с экспериментом. Отклонение параметра разрежешгя при моделировании не превышает 0.16% от заданного значения.

4.) Исследовано качество регулирования процесса поддержания параметра разрежения, путем воздействия на направляющие аппараты системы регулирования водогрейного котла. Результаты сравнения моделирования системы регулирования с экспериментальными данными показали, что узким местом регулирования данной системы является медленная реакция направляющего аппарата на изменение сигнала по заданию параметра разрежения. Длительное время хода исполнительного механизма направляющего аппарата системы регулирования параметра разрежения, определяет реакцию системы на изменение значения разрежения в топке котла. В динамическом отношении, медленная реакция системы на изменение параметра регулировашгя, определяет качество всей системы регулирования водогрейного котла. При управлении с воздействием на направляющие аппараты системы регулировашгя, удалось добиться минимального значения отклонения параметра разрежения от заданного <рмакс = 13.06 мм.вод.ст., величины перерегулирования <т= 12,1%, величина времени регулировашгя Тр составляет 24 секунды, степень затухания Т= 0.78 При величине допуска +0 8 мм.вод.ст., от заданного значения Нт=12 мм.вод.ст., параметра разрежения, установившееся значение параметра разрежения составляет 11.65 мм.вод.ст.

5.) Проведено исследование процесса регулирования параметра разрежения, путем воздействия на частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов системы регулирования водогрейного котла. Полученные данные при моделировании системы регулирования с ЧРП сравнивались с экспериментальными и показали, что при использовании частотно-регулируемых приводов тягодутьевых механизмов, значительно сократилось время регулировашгя параметра разрежения по сравнению с воздействием на направляющие аппараты системы, и составляет 16 секунд по сравнению с 24 секундами на направляющих аппаратах. Установившееся значение параметра регулировашгя разрежения с заданным допуском отклонения +0.8 мм.вод.ст., в топке котла, находится ближе к заданному значению чем при регулировании с направляющими аппаратами, и составляет 11.84 мм.вод.ст., по сравнению с 11.65 мм.вод.ст.. В динамическом отношении реакция на изменение параметра разрежешгя с частотно-регулируемым приводом, является более быстрой чем при регулировании с помощью направляющих аппаратов системы регулирования водогрейного котла. При управлении с воздействием на ЧРП, удалось добиться значения отклонен™

параметра разрежения от заданного ?>макс = 12.64 мм. во д. ст., величины перерегулирования ег = 10,6%, величина времени регулирования Тр составляет 16 секунд, степень затухания Ч' = 0.81. При величине допуска +0.8 мм.вод.ст., от заданного значения Нт=12 мм.вод ст., параметра разрежения, установившееся значение параметра разрежения составляет 11.84 мм.вод.ст.

6.) Сравнительная оценка точности поддержания параметра разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования с ЧРП показали, что при заданном значении параметра разрежения 12 мм вод ст., и величине допуска +0.8 мм вод.ст., регулирование направляющим аппаратом системы показало худший вариант по сравнешпо с регулированием при использовании ЧРП. При использовании коэффициентных оценок технологических процессов судят о точности регулируемого параметра. Так, при заданном коэффициенте точности процесса 0.6 <к2< 0.85, с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования, коэффициент составляет 1.25, по сравнению с ЧРП величина которого состаатает 0.625. Коэффициент степени устойчивости агЗ 1, при регулировании с воздействием на направляющие аппараты составляет 0.74, по сравнению с ЧРП величина которого составляет 0.9012.

7.) В качестве практического применения системы управления тягодутьевыми механизмами поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла, приведен пример реализации системы управления с современным программно-техническим комплексом с использованием частотно-регулируемого привода на районо тепловой станции г.Москвы.

Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах:

1.) Белов М.В.. Каперко А.Ф. Автоматизация тепловой станции на базе ПТК и частотно-регулируемых приводов. // Автоматизация в промышленности №5,2008, с 13-18

2.) Белов М.В.. Каперко А.Ф. Система управления техническим объектом с использованием частотного регулирования параметров. // Датчики и системы. №7,2008, с 48-51.

3.) Белов М.В.. Исследование влияния частотно-регулируемого привода в современных системах управления. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2008г. с 135-136.

4.) Белов М.В.. Автоматизированная система управления водогрейным котлами на базе программно-технических средств автоматизации "Allen-Bradley". // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2007г.с 127-128.

5.) Белов М.В , Бакластов Ю.А.. Интеграция частотно-регулируемого привода в современные системы управления // Научно-техническая конференция студентов, аспирагпов и молодых специалистов МИЭМ 2006г. с74-75.

6.) Белов М.В.. Реализация АСУ ТП в энергетике на базе современных программно-технических средств автоматизации "Allen-Bradley". // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2005г. с106.

Подписано в печать 21.10.2008 г. Тираж 100 экз. Заказ № 2680 Отпечатано в типографии «АллА Принт» Тел.: (495) 621-86-07 Факс: (495) 621-70-09 \v\vw.allaprint.ru

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Элементы и устройства системы управления водогрейным котлом.

1.1 Промышленные объекты управления.

1.2 Общие сведения о промышленных системах регулирования.

1.2.1 Котел как объект регулирования.

1.3 Автоматические системы регулирования

1.3.1 АСР расхода общего воздуха.

1.3.2 АСР разрежения в топке котла.

1.4 Программно-технический комплекс.

1.4.1 Выбор средств управления

1.4.2 Требования к промышленным системам регулирования.

1.4.3 Технический уровень ПТК.

1.5 Концепция ПТК

1.5.1 Функциональные возможности.

1.6 Состав Программно-технического комплекса.

1.7 Архитектура ПТК

1.7.1 Логическая структура

1.7.2 Физическая структура

1.7.3 Информационная структура.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Математическое описание системы управления.

2.1 Типовые динамические звенья систем управления

2.2 Математическое представление объекта регулирования.

2.3 Определение динамических характеристик объекта.

2.4 Понятие о качестве АСУ

2.5 Автоматические регуляторы

2.6 Определение настроек регулятора.

Выводы по главе

Глава 3. Система управления параметром разрежения водогрейного котла с использованием направляющих аппаратов тягодутьевых механизмов.

3.1 Разработка системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения в топке котла.

3.2 Исследование объекта с воздействием на направляющие аппараты системы управления.

3.3 Моделирование системы управления с направляющими аппаратами. 104 Выводы по главе

Глава 4. Применение Частотно-регулируемого привода в системе управления водогрейного котла

4.1 Состав ЧРП

4.2 Методы управления ЧРП

4.3 Преобразователи частоты

4.4. Применение ЧРП в системах управления

4.5 Исследование и разработка системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с применением ЧРП

4.6 Моделирование системы управления с частотным регулированием . 139 Выводы по главе

Глава 5. Сравнение систем регулирования параметра разрежения водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты и частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов.

5.1 Система регулирования водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты.

5.2 Система регулирования водогрейного котла с воздействием на ЧРП.

5.3 Сравнительная оценка точности элементов системы управления с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования и ЧРП тягодутьевых механизмов

Выводы по главе

Экономический подъем России требует постоянного роста производства электрической и тепловой энергии, повышения ее качества.

Концентрация усилий и ресурсов на проведении модернизации объектов генерации позволяет решить задачу энерго дефицита. Важнейшим инструментом повышения эффективности производства является модернизация АСУ ТП на базе современных микропроцессорных программно-технических комплексов (ПТК). Реальный опыт эксплуатации таких систем на объектах энергетики и ряда отраслей промышленности подтверждает кардинальное снижение сверхнормативных простоев оборудования, предотвращение аварийных ситуаций по вине оперативного персонала, повышение ресурса оборудования, прямую экономию энергоресурсов.

Модернизация нацелена, как правило, на создание новых АСУТП, которые должны обеспечить непрерывный контроль и эффективное управление технологическим оборудованием. Специфика современных АСУТП главным образом связана с тем, что они являются распределенными системами и их основными компонентами являются программно-технические комплексы (ПТК) сетевой организации.

Современные системы управления сложными объектами промышленной технологии строятся по иерархическому принципу. Это значит, что система управления такими объектами расчленяется на ряд систем, стоящие на разных уровнях подчинения. Система более высокого ранга, ориентируясь на общий (глобальный) критерий управления, выдает команды на включение или отключение отдельных локальных объектов, а также осуществляет выбор частных критериев управления этими объектами. Локальные системы управления осуществляют поддержание заданных оптимальных режимов, как в пусковых, так и в нормальных эксплуатационных условиях.

В связи со сложностью и многокомпонентностью программно-технической структуры АСУТП существует проблема эффективности реализации функции автоматического регулирования в составе всей системы. Задача автоматического регулирования является одной из многих функций, выполняемых ПТК, и должна рассматриваться в определенной взаимосвязи с ними. Кроме этого, имеется ряд дополнительных параметров и факторов, связанных с сетевой архитектурой ПТК и полевого оборудования, влияющих на динамические свойства алгоритмов регулирования в контроллерах ПТК.

В современных программно-технических комплексах ключевую роль в реализации управляющих функций, как правило, играет фирменное алгоритмическое обеспечение контроллеров, которое состоит из фиксированного набора типовых программных блоков (типовых алгоритмов), выполняющих преобразование сигналов в цифровой форме. При этом применение, для реализации цифровой системы регулирования, тех или иных аппаратных средств оказывает влияние на функционирование всей системы автоматического регулирования. Например, современная быстродействующая алгоритмическая схема управления частотно-регулируемым приводом для установленного ранее исполнительного механизма, оказывается не способной изменить время выполнения программы управления и регулирования, так как упирается в быстродействие самого механизма, что влияет на динамические свойства всего объекта управления в целом.

Таким образом, для правильного выбора и эффективного использования современных средств автоматического регулирования, необходимо знать не только ее технические параметры, принципы действия, но и учитывать реальные динамические характеристики управляющих средств контроля и измерения.

Исследуемый в качестве объекта, водогрейный котлоагрегат, в конечном счёте, является энергетической установкой, в процессе эксплуатации которой с высокой динамикой изменяются связанные между собой технологические параметры. Основная задача АСУ заключается в оптимизации технологических параметров системы, а так же поддержание их с заданной точностью.

Целью работы является разработка элементов управления водогрейного котла с использованием частотно-регулируемого привода и направляющих аппаратов тягодутьевых механизмов системы автоматического регулирования. Для достижения поставленной цели необходимо:

1.) исследовать объект управления на примере водогрейного котла;

2.) разработать функциональную и структурные схемы системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения в топке котла;

3.) разработать модель системы управления разрежением в топке водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования;

4.) исследовать качество процесса регулирования параметра разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования и сравнить с экспериментальными данными;

5.) разработать функциональную и структурные схемы системы управления газо-воздушным трактом водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода для системы регулирования параметра разрежения водогрейного котла;

6.) разработать модель системы управления разрежением в топке водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода и сравнить результаты с экспериментальными данными.

7.) исследовать систему управления разрежением в топке водогрейного котла с применением частотно-регулируемого привода для управления тягодутьевыми механизмами;

8.) выполнить сравнение полученных данных для оценки качества процессов регулирования системы управления параметра разрежения.

9.) реализовать результаты моделирования системы управления водогрейным котлом и элементов управления направляющими аппаратами и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов на тепловой станции.

Теоретическая основа исследования. Решение поставленных задач выполнено на основе использования методов теории проектирования систем управления, теории автоматического управления, методов дифференциального и интегрального исчисления, теории случайной функции для оценки точности технологических процессов, статистического метода анализа точности и устойчивости технологических процессов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1.) Предложена математическая модель топки и элементов системы управления водогрейного котла.

2.) Разработана функциональная модель объекта управления водогрейным котлом с использованием направляющих аппаратов тягодутьевых механизмов системы регулирования параметра разрежения;

3.) Разработана функциональная модель объекта управления водогрейным котлом с использованием частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов системы регулирования параметра разрежения;

4.) Проведен анализ качества процесса регулирования параметра разрежения с использованием направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов системы на основе статистического метода;

5.) Разработан программно-технический комплекс для работы теплостанции с использованием цифрового управления частотно-регулируемым приводом.

6.) Разработана информационная структура программно-технического комплекса для организации информационного обмена между операторскими станциями управления и контроллерами котла. Практическая значимость работы заключается в следующем:

1.) Разработаны функциональная и структурные схемы программно-технического комплекса АСУ водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения;

2.) Разработаны функциональная и структурные схемы программно-технического комплекса АСУ водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод по цифровому каналу управления системы регулирования параметра разрежения;

3.) Результаты, полученные в ходе настоящей диссертационной работы, могут быть использованы при разработке программно-технических комплексов для систем управления водогрейных котлов.

4.) Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Управление и информатика в технических системах» МИЭМ в дисциплине "Теория автоматического управления".

На защиту выносится:

1.) Структурная схема объекта - водогрейного котла с системой регулирования параметров с использованием направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода тягодутьевых механизмов;

2.) Математическое описание объекта - топки котла, элементов системы регулирования параметров системы - направляющих аппаратов и частотно-регулируемого привода;

3.) Функциональная и структурные схемы, ориентированные на поддержание параметра разрежения в топке водогрейного котла с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования газо-воздушного тракта;

4.) Функциональная и структурные схемы, ориентированные на поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов системы регулирования газо-воздушного тракта.

5.) Структурная и информационная схемы программно-технического комплекса системы управления водогрейным котлом. Реализация результатов диссертационной работы:

В качестве практического применения системы управления тягодутьевыми механизмами поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла, приведен пример реализации системы управления с современным программно-техническим комплексом с использованием частотно-регулируемого привода на районо тепловой станции г.Москвы. Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на научно-технических конференциях аспирантов и молодых специалистов (Москва, МГИЭМ , 2005-2008);

- на научно-технической конференции "РАО ЕЭС России" (Москва, ФГУП НИИ Теплоприбор , 2005г);

- на научно-методическом семинаре по промышленным системам управления "Автоматизация технологических процессов в энергетике" (г. Шатура, 2008г);

Основные выводы.

1. Исследованы основные варианты автоматических систем регулирования газо-воздушного тракта объекта управления - водогрейного котла. Основной особенностью системы регулирования, является регулирование параметров путем воздействия на направляющие аппараты. Данные схемы регулирования применяются на большинстве промышленных объектах.

2. Предложена функциональная модель объекта с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования параметра разрежения. Моделирование разработанной системы, показало достаточно хорошее совпадение с реальным объектом. Отклонение параметра разрежения при моделировании не превышает 1.83% от заданного значения.

3. Предложена функциональная модель системы управления с воздействием на частотно-регулируемый привод для регулирования параметра разрежения. Моделирование разработанной системы, показало хорошее совпадение с экспериментом. Отклонение параметра разрежения при моделировании не превышает 0.16% от заданного значения.

4. Исследовано качество регулирования процесса поддержания параметра разрежения, путем воздействия на направляющие аппараты системы регулирования водогрейного котла. Результаты сравнения моделирования системы регулирования с экспериментальными данными показали, что узким местом регулирования данной системы является медленная реакция направляющего аппарата на изменение сигнала по заданию параметра разрежения. Длительное время хода исполнительного механизма направляющего аппарата системы регулирования параметра разрежения, определяет реакцию системы на изменение значения разрежения в топке котла. В динамическом отношении, медленная реакция системы на изменение параметра регулирования, определяет качество всей системы регулирования водогрейного котла. При управлении с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования, удалось добиться минимального значения отклонения параметра разрежения от заданного ^макс = 13.06 мм.вод.ст. величины перерегулирования сг= 12,1%, величина времени регулирования Тр составляет 24 секунды, степень затухания *Р= 0.78. При величине допуска ±0.8 мм.вод.ст. от заданного значения Нт=12 мм.вод.ст. параметра разрежения, установившееся значение параметра разрежения составляет 11.65 мм.вод.ст.

5. Проведено исследование процесса регулирования параметра разрежения, путем воздействия на частотно-регулируемый привод тягодутьевых механизмов системы регулирования водогрейного котла. Полученные данные при моделировании системы регулирования с ЧРП сравнивались с экспериментальными и показали, что при использовании частотно-регулируемых приводов тягодутьевых механизмов, значительно сократилось время регулирования параметра разрежения по сравнению с воздействием на направляющие аппараты системы, и составляет 16 секунд по сравнению с 24 секундами на направляющих аппаратах. Установившееся значение параметра регулирования разрежения с заданным допуском отклонения +0.8 мм.вод.ст., в топке котла, находится ближе к заданному значению чем при регулировании с направляющими аппаратами, и составляет 11.84 мм.вод.ст., по сравнению с 11.65 мм.вод.ст. В динамическом отношении реакция на изменение параметра разрежения с частотно-регулируемым приводом, является более быстрой, чем при регулировании с помощью направляющих аппаратов системы регулирования водогрейного котла. При управлении с воздействием на ЧРП, удалось добиться значения отклонения параметра разрежения от заданного <рмакс = 12.64 мм.вод.ст., величины перерегулирования 10,6%, величина времени регулирования Тр составляет 16 секунд, степень затухания ¥ 0.81. При величине допуска +0.8 мм.вод.ст., от заданного значения Нт=12 мм.вод.ст., параметра разрежения, установившееся значение параметра разрежения составляет 11.84 мм.вод.ст.

6. Сравнительная оценка точности поддержания параметра разрежения с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования с ЧРП показали, что при заданном значении параметра разрежения 12 мм.вод.ст., и величине допуска ±0.8 мм.вод.ст., регулирование направляющим аппаратом системы показало худший вариант по сравнению с регулированием при использовании ЧРП. При использовании коэффициентных оценок технологических процессов судят о точности регулируемого параметра. Так, при заданном коэффициенте точности процесса 0.6 <л:2< 0.85, с воздействием на направляющие аппараты системы регулирования, коэффициент составляет 1.25, по сравнению с ЧРП, величина которого составляет 0.625. Коэффициент степени устойчивости кЪ -»1, при регулировании с воздействием на направляющие аппараты составляет 0.74, по сравнению с ЧРП, величина которого составляет 0.9012.

7. В качестве практического применения системы управления тягодутьевыми механизмами поддержания параметра разрежения в топке водогрейного котла приведен пример реализации системы управления с современным программно-техническим комплексом с использованием частотно-регулируемого привода на районо тепловой станции г.Москвы.

1. Плетников С.Б., Силуянов Д.Б. Автоматизация технологических процессов тепловых электростанций. -М.: 2001.-318с.

2. Ротач В.Я. ТАУ теплоэнергетическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1985.-536с.

3. Под ред. Воронова A.A. Теория автоматического управления ч.1. М.: Высшая школа, 1977.-288с.

4. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических процессов. -М.: Энергия, 1972.-328с.

5. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. — М.: Наука, 1975.-767с.

6. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике. М: МЭИ, 2005.-351с.

7. Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Клюев A.C. Автоматизация настройки систем управления. -М.: Энергоатомиздат, 1984.-271с.

8. Иванов В.А. Регулирование энергоблоков. -JL: Машиностроение, 1982.-311с.

9. Зотов М.Г. Аналитическое конструирование стационарных управляющих устройств. -М.: Энергоатомиздат, 1987.-336с.

10. Ньютон Дж.К., Гулд JI.A., Кайзер Дж.Ф. Теория линейных следящих систем. -М.: Физматгиз, 1961.-620с.

11. Солодовников В.В. Статическая динамика линейных систем управления. -М.: Физматгиз, 1960.-576с.

12. Чанг Ш.С.Л. Синтез оптимальных систем автоматического управления. ~М.: Машиностроение, 1964.-440с.

13. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. -М.: Наука, 1979.-336с.

14. Ротач В.Я. Теория автоматического управления. — М.: Издательство МЭИ, 2004. -399с.

15. Изерман Р. Цифровые системы управления. —М.: Мир, 1984. -542с.

16. Гостев В.И. Синтез нечетких регуляторов систем автоматического управления -К.: Издательство "Радиоматор" ., 2003.-708с.

17. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование.- М.: Машиностроение, 1973.-607с.

18. Клюев A.C., Лебедев А.Т., Новиков С.И. Наладка систем автоматического регулирования барабанных паровых котлов. -М.: Энергоатомиздат, 1985.-280с.

19. Клюев A.C. Автоматическое регулирование. -М.: Энергия, 1973.-392с.

20. Стефани Е.П. Основы построения АСУ ТП. -М.: Энергоиздат, 1982. -352с.

21. Резников М. И., Липов Ю. М. Паровые котлы тепловых электростанций, -М.: Энергоиздат, 1981.-296с.

22. Аронов И.З. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных -М.: Энергия,1967.-192с.

23. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. -М.:Наука, 1989.-304с.

24. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М.: Машиностроение, 1985.-535с.

25. Макаров В.В., Лохин В.М., Петрыкин A.A. Дискретные системы автоматического управления теплотехническими объектами.-М.:Наука. Физматлит, 1997.-218с.

26. Боровиков М.А. Расчет быстродействующих систем автоматизированного электропривода и автоматики. -М.: Саратовский Университет, 1980.-390с

27. Лихачев В.Л. Электродвигатели асинхронные. -М.: Солон-Пресс, 2003.-303с.

28. Чиликин М.Г. Общий курс электропривода. М.: Энергия, 1971,- 431с.

29. Козлов В.Н., Куприянов В.Е, Шашихин В.Н. Управление энергетическими системами. СПб.: СПбГПУ 2006.-315с.

30. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электрические станции. -М.: Энергоатомиздат, 1995,- 414с

31. Клюев A.C., Лебедев А.Т., Семенов Н.П. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. -М.: Энергия, 1977.-368с.

32. Токарев Б.Ф. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-623с.

33. Добкин В.М., Дулеев Е.М., Фельдман Е.П. Автоматическое регулирование Теловых процессов на электростанциях. -Л.: Госэнергоиздат, 1959.-399с.

34. Ерофеев A.B. Электронные устройства контроля и регулирования тепловых процессов. Л.: Госэнергоиздат, 1955.-262с.

35. Макаров А.Н., Шерман М.Я. Расчет дроссельных устройств. -М.: Металлургиздат, 1955.-195с.

36. Миронов В.Д, Стефанин Е.П. Электронные автоматические регуляторы тепловых процессов. -Л.: Госэнергоиздат, 1958.-260с.

37. Миронов К.А., Шипетин Л.И. Теплотехнические измерительные приборы и автоматические регуляторы. Л.: Госэнергоиздат, 1956.-320с.

38. Первов Б.Н. Исполнительные устройства регулирования тепловыми установками. Л .: Госэнергоиздат, 1952.-224с.

39. Герасимов С.Г. Теоретические основы регулирования тепловых процессов. -Л.: Госэнергоиздат, 1969.-208с.

40. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых процессов. -М.: Энергия, 1978.-448с.

41. Филиппов Б.А., Ильинский Н.Ф. Основы электропривода. М.: МЭИ, 1977.-368с.

42. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: М.: Энергоатомиздат, 1986.-416с.

43. Мануйлов П.Н. Теплотехнические измерения и автоматизация тепловых процессов.-М.:Энергия,1976.-280с.

44. Яншин A.A. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА: -М.: Радио и связь, 1983.-311с.

45. Ильинский Н.Ф., Шакарян Ю.Г. Экономический расчет эффективности применения частотно-регулируемого электропривода. -М.: АО ВНИИЭ, МЭИ,-1997 г.-3118с.

46. Белов М.В. Каперко А.Ф. Автоматизация тепловой станции на базе ПТК и частотно-регулируемых приводов. // Автоматизация в промышленности №5.2008. с 13-18.

47. Белов М.В. Каперко А.Ф. Система управления техническим объектом с использованием частотного регулирования параметров. // Датчики и системы. №7. 2008. с 48-51.

48. Белов М.В. Исследование влияния частотно-регулируемого привода в современных системах управления. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2008г. с 135-136.

49. Белов М.В. Автоматизированная система управления водогрейным котлами на базе программно-технических средств автоматизации "Allen-Bradley". // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2007г.с 127-128.

50. Белов М.В., Бакластов Ю.А. Интеграция частотно-регулируемого привода в современные системы управления // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2006г. с74-75.

51. Белов М.В. Реализация АСУ ТП в энергетике на базе современных программно-технических средств автоматизации "Allen-Bradley". // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ 2005г. с106.

52. Ротач В.Я. К расчету оптимальных параметров ПИД регуляторов по экспертным критериям. // Промышленные АСУ и контроллеры. № 11. 2005. с 5 -9.

53. Сушков А.А. АСУТП водоподготовительной установки. // Промышленные АСУ и контроллеры. № 6. 2006. с34 38.

54. Смирнов Н.И., Сабанин В.Р., Репин А.И. Оптимизация одноконтурных АСР с многопараметрическими регуляторами. // Промышленные АСУ и контроллеры. №7. 2005. с24 28.

55. Еремин E.JI., Теличенко Д.А., Чепак Л.В. Дискретно-непрерывная система адаптивного управления температурным режимом пароперегревателя. // Адаптивные и робастные системы. №1(7).2004. cl 18 129.

56. Петров А., Татаринцев Н. Модернизация приводов на питателях сырого угля. // СТА №4. 2004. с 40-44.

57. Соколов М., Цветков Л. Автоматизированная система управления водогрейными котлами КВГМ-100 тепловой станции. // СТА№1. 2002. с 16-19.

58. Пшеницын А. Система управления паровым утилизационным котлом. // СТА №2. 2003. с 16-19.

59. Варламов Г., Сердюк С., Горбунов О., Гуща К. Модернизация системы контроля водогрейного котла. // СТА№3. 1999. с 74-78.

60. Кругляк К. Промышленные сети. // СТА №4. 2002. с 6-17.

61. Краевский JI.K. Программируемые контроллеры Allen-Bradley. // Автоматизация в промышленности. №4.2006. с 32-34.

62. Суслин Н.И. Автоматизация городской теплосети экономит большие средства. // Автоматизация в промышленности. №10.2006. с 52-54.

63. Сагитова С .И., Сайфуллина A.A., Фадеев C.B. Исследование возможностей ПТК T-FLEX для автоматизации подготовки производства.// Автоматизация и современные технологии. №1. 2006. с 28.

64. Гудкова Н.В. Адаптивное цифровое управление техническими объектами с применением виртуальной обратной связи. // Автоматизация и современные технологии. №2. 2006. с20-27.

65. Шубладзе A.M., Кузнецов С.И., Гуляев C.B., Малахов В.А. Управление ТП адаптивными импульсными регуляторами при работе с различными типами исполнительных органов. // Автоматизация в промышленности. №12.2006. с 16-20.

66. Шубладзе A.M. Автоматически настраивающиеся промышленные ПИ и ПИД регуляторы. // Автоматизация в промышленности. №2.2007. с 15-17.

67. Бармин А., Ташлицкий М. Преобразователи частоты фирмы Siemens. // СТА №4. 2000. с 6-19.

68. Мазуров В.М., Мерцалов А.Е. Модальные регуляторы для промышленных объектов с запаздыванием.// Автоматизация в промышленности. №9.2006. с 41-46.

69. Кудрявцев А. В., Ладыгин А. Н. Современные преобразователи частоты в электроприводе // Приводная техника. № 3. 1998. С. 21-28.

70. Ведерников В. А., Лысова О. А., Григорьев Г. Я. Особенности выбора преобразователей частоты для электропривода погружных насосных установок // Энергетика Тюменского региона. № 1. 2004. С. 32-35.

71. Лезнов Б. С. Энергосбережение и регулируемый привод в насосных установках. -М.: 1998.

72. Лезнов Б. С. и др. Окупаемость регулируемого электропривода в насосных установках // Водоснабжение и санитарная техника. № 12. 2002.С.26-29.

73. Куряпов В. Н., Мальцев А. П. и др.Потенциал энергосбережения и его практическая реализация // Энергонадзор и энергоэффективность. №3.2003.с. 12-16

74. Шкредин Д. Г. Преобразователи частоты в энергосберегающих приводах насосов //Водоснабжение и санитарная техника. № 7.2004.с. 11-14.

75. Шишков А. А., Андрианов В. А. Применение частотно-регулируемого привода в энергосберегающих системах управления насосными установками // Водоснабжение и санитарная техника. № 7.2004.с.8-10.

76. Корнеев С.В., Кофто А.Г., Мохор В.В. Модернизация систем управления в энергетике // Корпоративные системы. № 1. 2003. с. 35-42.1. АКТ-С

77. Заведующий кафедрой УиИТС д.т.н., профессор1. Каперко А.Ф.

78. Директор предприятия №8 филиала №5 "Юго-Восточный" •©АО"МОЭК"100163, г. Москва, Лермонтовский проспект, д. 1471. АКТ

79. Использованы функциональная и структурная схемы, ориентированные на поддержание параметра разрежения в топке водогрейного котла с воздействием на частотно-регулируемый привод системы регулирования газо-воздушного тракта;

80. Акт не является основанием для предъявления к генеральному директору предприятия финансовых и других претензий.1. Начальник станции