Задание 1

Выбрать по справочной литературе необходимые приборы для реализации информационной цепи (датчик – преобразователь – контрольно-измерительный прибор) и управляющей цепи (регулятор – преобразователь, если необходим, – исполнительный механизм – регулирующий орган).

Дать краткое описание приборов и их параметров.

Приборы в цепи должны иметь согласованные параметры входные – и выходные сигналы, соответствовать уровню технологического параметра (информационная цепь) и мощности, требуемой для перемещения регулирующего органа в цепи управления.

Если мощность выходного сигнала датчика или его преобразователя позволяет, то этот сигнал можно одновременно подать на вход контрольно-измерительного прибора (КИП) и регулятора. В обратном случае для подачи на вход регулятора информации о текущей величине регулируемого параметра необходимо установить отдельный датчик (например, двойную термопару). Обратить внимание на класс точности используемых в информационной цепи приборов и диапазон шкалы контрольно-измерительного прибора. Номинальная величина технологического параметра должна находиться в последней трети диапазона шкалы контрольно-измерительного прибора.

Составить:

Структурную схему автоматизации.

Функциональную схему автоматизации.

Спецификацию оборудования.

Исходные данные:

Вариант – последняя цифра шифра	Технологический параметр и условие	Величина параметра	Регулирующий орган	Техническая характеристика рег. органа	Дополнительные требования к цепи приборов
10	Температура Среда щелочная	300 0С	Поворотная заслонка	Момент равен 80 Нм	Приборы пневматические

Датчик – преобразователь температуры.

Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73

1. Назначение

Предназначен для преобразования в унифицированный пневматический сигнал температуры жидких и газообразных агрессивных сред, в т.ч. в условиях АЭС.

2. Технические характеристики

1. Верхние пределы измерения:	+100…+400;
2. Длина соединительного капилляра, м	4
3. Длина погружения термобаллона, мм	200
4. Классы точности	0,6
5. Давление питания, кгс/см 2	1,4±0,14
6. Рабочий диапазон выходных пневматических сигналов, кгс/см 2	0,2…1
7. Температура окружающей среды, °С	–50…+80
8. Относительная влажность, %, не более	95
9. Давление измеряемой среды, кгс/см 2, до	64 без защитной гильзы 250 с защитной гильзой
10. Изготавливаются по	ТУ 25–7310.032–86
11. Габаритные размеры, мм	182х140х97

Регулятор.

Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1

1. Назначение

Приборы контроля работают совместно с пневматическими датчиками и другими устройствами, выдающими унифицированные аналоговые сигналы в пределах 20…100 кПа. ПВ10.1Э – прибор для непрерывной записи и показания величины регулируемого параметра, указания положения контрольной точки и величины давления на исполнительном механизме.

2. Технические характеристики

Параметры	Значение
Диапазон аналоговых давлений, подаваемых на вход.	20…100 кПа
Питание прибора осуществляется осушенным и очищенным от пыли и масла воздухом давлением.	40 кПа ± 14 кПа
Класс загрязненности сжатого воздуха питания.	0 и 1
Предел допускаемой основной погрешности по всем шкалам и диаграмме.	не превышает ± 1,0% от номинального диапазона входного сигнала
Нижний предел измерения приборов с расходной шкалой.	30% верхнего предела измерения
Изменение показаний прибора, вызываемое отклонением давления питания в пределах.	± 14 кПа от номинального, не превышает 0,5 абсолютного значения предела допускаемой основной погрешности.
Погрешность хода диаграммы.	не превышает ± 5 мин. за 24 часа
Длина шкал приборов и ширина поля записи диаграммы.	100 мм
Шкалы приборов.	0–100 линейные
Скорость движения диаграммы.	20 мм/ч
Температура окружающей среды.	+5…+50 °С
Относительная влажность воздуха при 35 °С и более низких температурах, без конденсации влаги.	80%
Синхронный двигатель привода диаграммы питается от сети переменного тока напряжением.	220 В
Расход воздуха:	6,5 л/мин
Масса прибора:	8,0 кг

Исполнительный механизм.

Механизм исполнительный пневматический МИП-П

1. Назначение

Предназначены для перемещения регулирующих и запорно-регулирующих органов в системах автоматического и дистанционного управления.

2. Технические характеристики

Рабочая среда	Сжатый воздух
Ход поршня (мм)	200
Давление питания (МПа)	0,4.. 1,0
Входной сигнал (МПа)	0,02.. 0,15
Величина расхода воздуха при неподвижном штоке	1,2 м3/ч
Скорость перемещения штока при отсутствии нагрузки (при давлении питания 0,6 МПа) (м / с)	0,08
Максимальные усилия, развиваемые при давлении питания 0,6 МПа (кН) толкающее: тянущее:	4,1 3,1
Рабочая температура окружающего воздуха (°С)	-30..+50
Относительная влажность (%)	95
Габаритные размеры (мм)	175Ч190Ч560
Масса (кг)	20

Регулирующий орган.

Заслонка поворотная. Nemen серия 5000

1. Назначение

Заслонки поворотные используются в качестве запорно-регулирующей трубопроводной арматуры.

2. Технические характеристики

Диаметр	125 мм.
Температура	-100 – +6000С
Давление	2,0 МПа
Среда	агрессивные среды, щёлочи
Исполнение	В-сквозные отверстия Т – резьбовые отверстия
Возможности управления	-ручной рычаг (ручка) – гребенка на площадке заслонки обеспечивает ступенчатую регулировку через каждые 15 градусов поворота ручки – ручная червячная передача (редуктор) – плавная регулировка – электропривод – пневмопривод
Крутящий момент для управления заслонкой	80 Нм

Аппаратура воздухоподготовки.

Редуктор давления РДФ-3–1

1. Назначение

РДФ-3–1 – редукторы давления с фильтром, предназначены для регулирования и автоматического поддерживания давления воздуха, необходимого для индивидуального питания пневматических приборов и средств автоматизации, а также очистки его от пыли, масла и влаги. Применяются в машиностроении, нефтяной, сахарной, химической промышленности и других отраслях.

ТУ 25.02.1898–75.

2. Технические характеристики

Максимальный расход воздуха.	1,6 мі/ч
Допускаемое давление питания.	0,25…0,8 МПа (кгс/смІ)
Пределы регулирования давления на выходе.	0,02…0,2 МПа (кгс/смІ)
Допускаемое отклонение выходного давления при температуре окружающего воздуха (20±5) °С: при изменении входного давления воздуха 0,25…0,8 МПа (кгс/смІ); при изменении расхода воздуха 0,15…1,6 мі/ч.	0,008 МПа; 0,01 МПа.
Отклонение выходного давления при изменении температуры окружающей среды на каждые 10 °С.	0,002 МПа (кгс/смІ)
Размер твёрдых частиц на выходе	не более 10 мкм
Масса	не более 0,71 кг
Загрязненность воздуха после редуктора, не ниже класса	3

Поз. обозначение	Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
1	TE	Преобразователи температуры с пневматическим выходным сигналом 13ТД73	1
2	TRC	Приборы контроля пневматические с электрическим приводом диаграммы ПВ10.1	1
3		Механизм исполнительный пневматический МИП-П	1
4		Заслонка поворотная. Nemen серия 5000	1

Дано:

ωнм = 0,37 (с-1) – Наибольшая скорость вращения исполнительного вала;

εнм = 1,48 (с-2) – Амплитуда ускорения исполнительного вала;

Mнс = 61 (НЧм) – Статистический момент на исполнительном валу;

Jн = 36,2 (кгЧм2) – Момент инерции нагрузки;

η = 0,97 – КПД одной ступени редуктора;

α = 4 – Допустимый коэффициент перегрузки ДПТ.

Требуемая мощность на валу:

Ртреб = (2ЧJн Ч εнм + Мнс) Ч ωнм = (2 Ч 36,2 Ч 1,48 + 61) Ч 0,37 = 62.2162 (Вт).

Типоразмер ДПТ с номинальной мощностью:

Рном ≥ Ртреб = 175 (Вт) – двигатель типа СЛ – 521.

Технические данные двигателя постоянного тока серии СЛ типа 569

Тип	Рном, Вт	Uня, В	ωня, с-1	Iня, А	rя, Ом	Jя Ч 10–6, кгЧм2	d, м
СЛ – 569	77	110	314	1,1	8,5	127	10-2

Рном = 77 (Вт) – номинальная мощность двигателя;

Uня = 110 (В) – номинальное напряжение якоря;

Iня = 1,1 (А) – номинальный ток якоря;

ωня = 314 (c-1) – номинальная скорость якоря;

Jя = 127Ч10-6 (кгЧм2) – момент инерции якоря;

rя = 8,5 (Ом) – сопротивление якоря;

d = 10-2 (м) – диаметр вала двигателя.

Номинальный полезный момент двигателя:

Коэффициент противоЭДС обмотки якоря:

Момент потерь на валу двигателя:

Момент с учетом потерь:

МS = С Ч Iня = 320 Ч 10-3 Ч 1,1 = 352,55 Ч 10-3 (Н Ч м).

Предварительная оценка передаточного числа редуктора ip:

ip1 Ј ip Ј ip2

ip1 и ip2 находятся из уравнения:

1,7 · 10-3 · ip2 – 1,9 · ip + 118,1 = 0.

ip1 » 58;

ip2 » 1058.

Диапазон передаточного числа редуктора:

58 Ј ip Ј 1058

Проверка рассчитанного передаточного числа редуктора по ipmax = 1058.

А) Выполнение условия по скорости:

ip · wнм ≤ (1,1.. 1,2) · ωня;

ip · wнм = 1058 · 1,4 = 386,4 (с-1);

1,1 · ωня = 1,1 · 377 = 414,7 (с-1).

386,4 (с-1) ≤ 414,7 (с-1) – условие выполняется.

В) Выполнение условия по моменту:

MНОМ ≤ (3..4) · Mn;

MНОМ = 0,29 + 0,13 + 0,08 = 0,5 (Н·м);

3 · Mn = 3 · 464,2 · 10-3 = 1,4 (Н·м).

0,5 (Н·м) ≤ 1,4 (Н·м) – условие выполняется.

С) Выполнение условия по перегреву:

Mt ≤ Mn;

Mn = 464,2 · 10-3 (Н·м).

248,8 (Н·м) ≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.

Выбранный двигатель удовлетворяет всем условиям.

Расчёт редуктора с цилиндрическими колёсами для ip = 200:

ip = i1 · i2 ·…· in = 200;

где:

Zn – число зубьев n-ой шестерни.

Соотношение передаточных чисел ступеней редуктора:

Из расчёта, что:

in = 11,2;

ИТОГ – 4 ступени.

i1 = 1,88;

i2 = 2,39;

i3 = 3,98;

i4 = 11,2.

ip = 1,88 · 2,39 · 3,98 · 11,2 = 200,29 » 200;

Расчёт числа зубьев:

Число зубьев ведущих шестерен:

Z1 = Z3 = Z5 = Z7 ≤ 15 = 15.

Число зубьев ведомых шестерен:

Z2 = Z1 · i1 = 15 · 1,88 = 28;

Z4 = Z3 · i2 = 15 · 2,39 = 36;

Z6 = Z5 · i3 = 15 · 3,98 = 60;

Z8 = Z7 · i4 = 15 · 11,2 = 168.

Расчёт диаметра колёс:

Модуль зуба выбирается из стандартного ряда при условии обеспечения прочности зуба по удельному давлению на зуб:

Для стальных цилиндрических прямозубых колёс с эвольвентным профилем:

σн	Удельное давление на зуб	≤ 1,372·108
kД	Динамический коэффициент	1,7
Мнс	Статистический момент на исполнительном валу	35,4 (НЧ м)
kε	Коэффициент перекрытия	1,25
ψ	Коэффициент смещения (5..10)	5
kф	Коэффициент формы	0,12
π		3,14
R	Радиус последней шестерни редуктора	(Z8 · m) / 2
Z8	Количество зубьев последней шестерни редуктора	168

m ≥ 1,3 = 2,0.

Диаметр ведущих шестерен:

D1 = D3 = D5 = D7 = m · Z1 = 2,0 · 15 = 30 (мм).

Диаметр ведомых шестерен:

D2 = m · Z2 = 2 · 28 = 56 (мм);

D4 = m · Z4 = 2 · 36 = 72 (мм);

D6 = m · Z6 = 2 · 60 = 120 (мм);

D8 = m · Z8 = 2 · 168 = 336 (мм).

Проверка:

A) Меньшего диаметра из колёс, относительно диаметра вала:

D1 ≥ 2d.

30 (мм) ≥ 20 (мм) – условие выполняется.

B) Передаточного числа пар и всего редуктора:

ip = 1,86 · 2,4 · 4,0 · 11,2 = 199,99 » 200;

Передаточное число соответствует заданному.

Расчёт приведённого к валу двигателя момента инерции редуктора:

Расчёт момента инерции для шестерен по формуле для сплошного цилиндрического колеса:

J1 = J3 = J5 = J7 = KJ · D14 = 7,752 · (3 · 10-2)4 = 6,279 · 10-6 (кг·м2);

J2 = KJ · D24 = 7,752 · (5,6 · 10-2)4 = 76,237 · 10-6 (кг·м2);

J4 = KJ · D44 = 7,752 · (7,2 · 10-2)4 = 208,326 · 10-6 (кг·м2);

J6 = KJ · D64 = 7,752 · (1,2 · 10-1)4 = 1,6 · 10-3 (кг·м2);

J8 = KJ · D84 = 7,752 · (3,36 · 10-1)4 = 98,8 · 10-3 (кг·м2);

Расчёт полного момента инерции:

π		3,14
ρ	Плотность стали (кг/м3)	7,9 · 103
b = m · ψ	Ширина шестерни (м)	10-2
Di	Диаметр шестерни	30..336

= 6,279 · 10-6 + 23,851 · 10-6 + 10,769 · 10-6 + 3,495 · 10-6 + 2,47 · 10-6 =

= 46,864 · 10-6 (кг·м2).

Jред = 46,864 · 10-6 кг·м2.

Проверка пригодности двигателя с рассчитанным редуктором.

А) Выполнение условия по скорости:

ip · wнм ≤ (1,1.. 1,2) · ωня;

ip · wнм = 200 · 1,4 = 280 (с-1);

1,1 · ωня = 1,1 · 377 = 414,7 (с-1).

280 (с-1) ≤ 414,7 (с-1) – условие выполняется.

В) Выполнение условия по моменту:

MНОМ.ред ≤ (3..4) · Mn;

= 288,387 · 10-3 + 182,474 · 10-3 + 81,167 · 10-3 = 0,552 (Н·м);

3 · Mn = 3 · 464,2 · 10-3 = 1,393 (Н·м).

0,552 (Н·м) ≤ 1,393 (Н·м) – условие выполняется.

С) Выполнение условия по перегреву:

Mt.ред ≤ Mn;

Mn = 464,2 · 10-3 (Н·м).

276,3 (Н·м) ≤ 464,2 (Н·м) – условие выполняется.

Двигатель с редуктором подходят для использования.

Построение семейств механических и регулировочных характеристик двигателя.

Механическая характеристика строится по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:

1 точка – скорость холостого хода, при M = 0:

2 точка – рабочая точка, при М = Mn = 464,2 · 10-3 (Н·м),

и ω = ωня = 377 (с-1).

3 точка – пуск двигателя, при ω = 0:

Регулировочная характеристика строится также, по уравнению механической характеристики ДПТ с независимым возбуждением:

1 точка – рабочая точка, при U = Uня = 110 (В),

и ω = ωня = 377 (с-1).

2 точка – трогание двигателя, при U = UТр, и ω = 0;

Расчёт усилителя мощности.

Максимальное напряжение усилителя мощности Umax.ум и добавочный резистор Rдоб, ограничивающий ток якоря при пуске:

Umax.ум = α Ч Iня Ч (Rдоб + rя); – (уравнение якорной цепи для пускового режима).

Umax.ум = = Iня Ч Rдоб + Uня. – (уравнение якорной цепи для номинального режима).

α Ч Iня Ч (Rдоб + rя) = = Iня Ч Rдоб + Uня;

Umax.ум = = Iня Ч Rдоб + Uня.

Umax.ум = = 2 Ч Rдоб + 110.

Rдоб = 13,5 (Ом) – добавочный резистор;

Umax.ум = = 137,1 (В) – максимальное напряжение усилителя мощности.

Как следует из уравнения механической характеристики, скорость двигателя, а, следовательно, и его мощность (P = M · ω), при постоянном моменте нагрузки, можно регулировать изменением напряжения на якоре двигателя. Напряжение на якоре изменяется либо с помощью реостата, либо с помощью усилительно – преобразовательного устройства, при этом поток возбуждения остаётся постоянным.

Из уравнений для ДПТ и воспользовавшись графиками характеристик можно рассчитать напряжение на выходе усилительно – преобразовательного устройства в зависимости от требуемой мощности; и мощность в зависимости от напряжения.

ω2 = (U2 – UТр) · tgφ;

В итоге:

Используя паспортные данные, получается расчёт усилителя для данного двигателя:

U2 = P2 · 0,6 + 6,13;

P2 = U2 · 1,68 – 10,33.

Пример:P2 = 200 Вт;

U2 = 200 · 0,6 + 6,13 = 126 В;

ω2 = P2 / Мn = 200 / 0,4642 = 431 с-1.

U3 = 60 В;

P3 = 60 · 1,68 – 10,33 = 90 Вт;

ω2 = P2 / Мn = 90 / 0,4642 = 195 с-1.

Параметры нагрузки для AD

N	wнм, с-1	eнм, с-2	Мнс, Н·м	Jн, кгЧм2
4	2,2	45	0,32	2,17·10-3