Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Тепловые электрические станции» ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Лабораторные работы М и н с к 2 0 0 9 Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Тепловые электрические станции» ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Лабораторные работы для студентов специальности 1-53 01 04 «Автоматизация и управление теплоэнергетическими объектами на ТЭС» на стенде-тренажере систем автоматизации отопления и горячего водоснабжения М и н с к 2 0 0 9 УДК 681.5.01 (076.5) ББК 32.965я7 Т 33 С о с т а в и т е л и : Г.Т. Кулаков, М.Л. Горелышева, Н.В. Воюш Р е ц е н з е н т ы : В.А. Седнин, А.А. Москаленко Т 33 Теория автоматического управления: лабораторные работы для студентов специальности 1-53 01 04 «Автоматизация и управление теплоэнергетическими объектами на ТЭС» на стенде-тренажере систем автоматизации отопления и горячего водоснабжения / Сост.: Г.Т. Кула- ков, М.Л. Горелышева, Н.В. Воюш. – Минск: БНТУ, 2009. – 105 с. Лабораторный практикум предназначен для более глубокого изучения курса путем практического ознакомления студентов с ос- новами физического эксперимента по определению динамики систем отопления и горячего водоснабжения, изучения конструкции стенда, расходомера, теплосчетчика, регулятора температуры, основ наладки систем отопления и горячего водоснабжения, изучения экспресс- методов идентификации объектов регулирования, определения па- раметров оптимальной динамической настройки ПИД-регуляторов. Издание рассчитано на студентов специальностей 1-43 01 04 «Тепловые электрические станции» и 1-53 01 04 «Автоматизация и управление теплоэнергетическими объектами на ТЭС» дневного и заочного обучения. Может использоваться для выполнения лабора- торных работ по специальности «Промышленная теплоэнергетика». ISBN 978-985-525-072-3 © БНТУ, 2009 3 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Прежде чем приступить к работе, необходимо внимательно ознакомиться с заданием, правилами техники безопасности (ТБ) работы и противопожарными требованиями, а также проверить ис- правность приборов и инструментов. О замеченных неисправностях немедленно сообщить руководителю работ. При выполнении лабораторных работ на специализированном трена- жере для исследования и настройки систем отопления и горячего водо- снабжения используются электронагревательные приборы и устройства. Запрещается включать и выключать электрические приборы и установки без разрешения руководителя. При проведении работ на столах должны находиться только те приборы, которые необходимы для выполнения указанной препода- вателем работы. Перед проведением лабораторных работ студенты должны прой- ти инструктаж по ТБ. Запрещается допускать к выполнению лабо- раторных работ студентов, не прошедших предварительный ин- структаж по ТБ и не знающих противопожарных требований. Каждый студент должен строго выполнять правила ТБ и немед- ленно сообщать своему непосредственному руководителю об их нарушении, а также неисправностях технических средств и систем управления, которые могут представлять опасность или привести к отказу (аварии) технологического оборудования. Каждый студент и руководитель работ должен быть обучен прие- мам освобождения от действия электрического тока и оказания первой медицинской помощи пострадавшему от электрического тока, тепло- вого удара, термического ожога и при других несчастных случаях. При несчастном случае пострадавшему необходимо оказать первую медицинскую помощь. Для этого в лаборатории должна быть аптечка, укомплектованная необходимыми лекарствами. Во всех случаях по- страдавшего необходимо отправить в ближайший медицинский пункт для оказания квалифицированной медицинской помощи. При возникновении пожара необходимо прекратить доступ воз- духа к горящему предмету и локализовать очаг пожара. При силь- ном пламени применить огнетушители и вызвать пожарную охрану. 4 ВВЕДЕНИЕ Создание специализированного тренажера-стенда для исследо- вания и настройки систем отопления и горячего водоснабжения (ГВС), сочетающего реальные регулирующие приборы, регулиру- ющие органы и характерные объекты регулирования, позволяет ис- следовать большинство соответствующих систем отопления и ГВС в реальном масштабе времени и избежать многих упрощений и ошибок, неизбежно возникающих при полном моделировании. Работа стенда с реальным регулятором, расходомером, тепло- счетчиком позволяет получить практические навыки наладки, вы- полнять параметрическую оптимизацию системы автоматического регулирования (САР) различными методами для выбранных крите- риев оптимизации, исследовать оптимизацию структурного постро- ения систем при различных возмущениях. Тренажер позволяет исследовать критичность САР к изменяю- щимся в процессе эксплуатации параметрам систем автоматическо- го регулирования. Для успешной работы на тренажере необходимо изучение основ линейной теории автоматического регулирования, знание свойств исследуемой аппаратуры. Обучающемуся на тренажере предлагает- ся программа исследований с решением конкретных задач по иден- тификации динамики объектов регулирования, а также оптимиза- ции параметров динамической настройки САР различными метода- ми. Освоение полной программы обучения позволяет квалифициро- ванно решать вопросы дальнейшего совершенствования работы САР, направленной на увеличение коэффициента использования автоматических регуляторов, повышение качества их работы, обес- печение отработки технологическим оборудованием аварийных си- туаций и расширение диапазона их работы. Экспериментальные исследования всегда были и остаются до настоящего времени одним из наиболее важных этапов создания САР различного назначения. Большое разнообразие этих систем и входящих в них элементов часто требует особых методов экспери- ментального исследования каждого из них. Наряду с этим методы исследования любых динамических объектов содержат много об- щего, что создает возможность и необходимость их освещения без- относительно к каким-либо конкретным САР. Прежде всего это ка- 5 сается вопроса определения типа динамического звена, к которому относится исследуемый объект. Экспериментальные исследования динамических свойств объек- тов регулирования имеют ряд особенностей. Это объясняется не- сколькими причинами: во-первых, тем, что иногда работа объекта недопустима без системы регулирования; во-вторых, в условиях нормальной эксплуатации объектов регулирования система работа- ет при малых отклонениях переменных, вызванных различного рода случайными воздействиями. Поэтому более достоверные данные о динамических свойствах объекта могут быть получены, если их определять, прибегая к статистическим методам исследования слу- чайных процессов, протекающих в САР. Объект регулирования от- личается от других элементов системы регулирования тем, что он имеет, как правило, несколько степеней свободы и его режим рабо- ты зависит от большого числа различных факторов. Все это должно быть учтено при экспериментальном исследовании объектов регу- лирования. Экспериментальные методы требуют минимальных сведений о сущности процессов, протекающих в исследуемых объектах, однако позволяют с приемлемой для практики точностью определять ко- эффициенты дифференциальных уравнений динамики. Эти методы просты в применении и позволяют сравнительно быстро получить математическое описание объекта. Вследствие этого они получили широкое распространение при исследовании динамики объектов для целей автоматизации. 6 ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО СНЯТИЮ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК На объекте устанавливается и стабилизируется выбранный ре- жим работы, характеризуемый значениями x0, y0 входной и выход- ной координат. Проверяется правильность подключения и показа- ний измерительной и регистрирующей аппаратуры, включая ПК, предназначенной для записи координаты y(t). Студент-экспериментатор вручную или с помощью сервомеха- низма наносит несколько пробных кратковременных возмущений х(t) заданной формы. Опыты по снятию переходных характеристик заключаются в следующем. Экспериментатор внимательно анализирует график координаты y(t) и, убедившись, что на некотором небольшом отрез- ке времени y(t) = const = y0; у (t) = 0; у (t) ≈ 0, вводит испытательное возмущение, например, ступенчатую функцию с амплитудой А. Помимо регистрации y(t) желательно записывать изменения основ- ных возмущающих координат объекта. Окончание переходного процесса определяется студентом визуально – опыт считается за- конченным, если, начиная с некоторого времени Ту, выходная коор- дината остается практически неизменной, или при наличии в объек- те интегрирующих элементов, после установления постоянной ско- рости изменения y(t). В процессе проведения опыта следует внима- тельно наблюдать за тем, чтобы изменения y(t) не превысили норм допустимых отклонений ±Δ y выходной координаты объекта. После стабилизации координаты y(t) наносится новое возмуще- ние х(t) = –А и снова записывается переходная характеристика (ри- сунок 1). Затем опять устанавливается рабочий режим объекта и наносится испытательное воздействие с амплитудой –А, а спустя время Ту снимается следующая, четвертая, переходная характери- стика при возмущении х(t) = +А. Описанная серия опытов повторяется при увеличенной в 1,5–2 раза амплитуде испытательного сигнала х(t). Линейный или линеаризованный характер статической зависимо- сти еще не позволяет считать линейной динамику объекта. Для под- тверждения гипотезы о линейности динамических свойств объекта в малом необходимо убедить в выполнении принципа суперпозиции, для чего опыты проводятся при различных знаках и амплитудах 7 апериодических входных воздействий. Первоначальная проверка осуществляется экспериментатором непосредственно при проведе- нии опытов: вычисляются величины коэффициентов усиления объ- екта k = h(Ту) / А и сравниваются. При существенном различии (например, 20–40 %) коэффициентов k в разных опытах, следует уменьшить амплитуду А и снова провести снятие переходных ха- рактеристик. Более тщательная проверка принципа суперпозиции осуществляется на стадии обработки результатов. Рисунок 1 – Снятие переходной характеристики Проверку принципа суперпозиции следует проводить при возмущающих воздействиях различной формы, например: х(t) = А; х(t) = Аsinωt; х(t) = А0 + A1t и т.п. Это объясняется тем, что фактиче- ское дифференциальное уравнение объекта может иметь члены сле- дующего типа: ( ) ( )  n k n k d y t d y t dt dt ; ( )( ) k k d y t dt  ; ( ) ( ) k n n k k n d y t d y t a a dt dt       , где μ, k, n – вещественные числа. При использовании испытательного сигнала одной формы эф- фекты от действия подобных нелинейностей могут оставаться неза- 8 меченными. Однако практика исследования динамики широкого класса промышленных объектов показывает, что нелинейности, связанные с производными, встречаются исключительно редко. По- этому выполнение принципа суперпозиции достаточно проверить путем нанесения возмущений типа ступенчатая функция с амплиту- дой разного знака и величины. В некоторых случаях гладкие переходные характеристики, сни- маемые при одном и том же режиме работы объекта, имеют суще- ственные отличия, заключающиеся в разбросе ординат при фикси- рованных значениях времени. Этот разброс можно объяснить неза- метными или неконтролируемыми изменениями некоторых вход- ных координат, ненулевыми начальными условиями при снятии переходных характеристик, проявлением неизвестной, низкоча- стотной помехи и т.п. Для получения более достоверных сведений о динамических свойствах такого рода объектов требуется снятие большего количества переходных характеристик. Для проверки стационарности динамических свойств объекта эксперименты по снятию переходных характеристик следует повто- рить еще несколько раз через определенные большие промежутки времени (по сравнению с величиной Ту). При этом крайне важно все опыты проводить на одном и том же рабочем режиме, т.е при оди- наковых равновесных значениях x0, y0 входной и выходной коорди- нат объекта. 9 Лабораторная работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПК Цель работы: изучить работу стенда по исследованию динамики изменения параметров систем отопления и горячего водоснабжения. Назначение стенда Стенд предназначен: 1) для исследования динамики изменения параметров систем отопления в процессе регулирования с последующей передачей ос- новных технических параметров на персональный компьютер; 2) исследования динамики изменения параметров горячего водо- снабжения (системы горячего водоснабжения без рециркуляции и с рециркуляцией) в процессе регулирования с последующей передачей основных технических параметров на персональный компьютер; 3) изучения конструкции и принципа действия теплосчетчика ТС-07К; 4) для изучения конструкции и принципа действия системы ре- гулирования на основе регулятора температуры РТМ-03А; 5) исследования и наладки системы регулирования с трехходо- вым и двухходовым регулирующим клапаном; 6) изучения систем отопления с ПИ-законом регулирования и с ПИД-законом регулирования. Схемы применения стенда Стенд может применяться как для исследования динамики измене- ния параметров системы отопления, так и для исследования динамики изменения параметров системы горячего водоснабжения (ГВС) в про- цессе регулирования с последующей передачей основных техниче- ских параметров на персональный компьютер. На рис. 1.1 приведе- на общая гидравлическая схема стенда. Обозначения на схеме: 10 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 «Т3-2» «Т3-1» t4 tт-1 10 11 «Т4-1» «Т4-2» t5 P2 Q1 H2 t6 t7 tт-2 7 8 9 12 13 Рис. 2.1 Гидравлическая схема стенда Рис. 1.1 Гидравлическая схема стенда: Т1, Т2 – входной и выходной трубопроводы первичного контура; Т3-1, Т3-2, Т4-1, Т4-2 – входные и выходные трубопроводы вторичного контура; Н1, Н2 – циркуляционные насосы первичного и вторичного контуров; 1, 2, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13 – запорные краны; 3 – фильтр; 4 – трехходовой регулирующий клапан с электроприводом; 6 – теплообменник; 8 – обратный клапан; Q1, tт-1, tт-2 – теплосчетчик с датчиками температуры; P1, P2 – манометры С помощью запорных кранов 5, 7, 9–13 обеспечивается форми- рование различных гидравлических схем. Манометры Р1 и Р2 обеспечивают измерение давлений в пер- вичном и вторичном контурах стенда. Источник тепла внешний. Подключение источника тепла выпол- няется к трубопроводам Т1 и Т2. Циркуляция теплоносителя по первичному контуру стенда обеспечивается насосом Н1. Включение насоса ручное со шкафа управления. Для имитации различных гидравлических схем к стенду подключены источник холодной воды и канализация (для утилизации горячей воды). Датчики температуры теплоносителя t1–t7 обеспечивают изме- рение температуры теплоносителя в различных точках гидравличе- ской схемы. Для измерения температуры воздуха в помещении ис- пользуется датчик температуры воздуха. Гидравлическая схема с двухходовым регулирующим клапаном Гидравлическая схема стенда для изучения работы двухходового регулирующего клапана приведена на рис. 1.2. 11 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 Кран 5 закрыт Рис. 1.2. Гидравлическая схема с двухходовым клапаном Для имитации работы двухходового регулирующего клапана кран 5 должен быть закрыт. Циркуляция теплоносителя через теп- лообменник имеет переменную величину, т.к. происходит количе- ственное регулирование по первичному контуру. Гидравлическая схема с трехходовым регулирующим клапаном Гидравлическая схема стенда для изучения работы трехходового регулирующего клапана приведена на рис. 1.3. Для имитации работы трехходового регулирующего клапана кран 5 должен быть открыт. Циркуляция теплоносителя через теп- лообменник имеет постоянную величину. Циркуляция теплоносителя через теплообменник обеспечивается насосом Н1. 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 Кран 5 открыт Рис. 1.3. Гидравлическая схема с трехходовым клапаном 12 Гидравлическая схема ГВС тупиковая (без рециркуляции) Гидравлическая схема создана для изучения тупиковой схемы ГВС (без рециркуляции) (рис. 1.4). 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 «Т3-2» «Т3-1» t4 tт-1 10 11 «Т4-1» «Т4-2» t5 P2 Q1 H2 t6 t7 tт-2 7 8 9 12 13 Горячая вода Холодная вода Рис. 1.4. Гидравлическая схема имитации системы ГВС без рециркуляции Для имитации схемы ГВС без рециркуляции краны 7, 9, 11, 13 должны быть закрыты. Насос Н2 выключен. Расходомер теплосчетчика Q1 измеряет мгновенный расход хо- лодной воды и накопленный расход. Гидравлическая схема ГВС с рециркуляцией Гидравлическая схема стенда для изучения работы гидравличе- ской схемы ГВС с рециркуляцией приведена на рис. 1.5. Для имитации схемы ГВС с рециркуляцией краны 10–13 должны быть открыты. Насос Н2 необходимо включить. Краны 7 и 9 позволяют организовать измерение расхода холод- ной воды с учетом или без учета рециркуляции. Имитация потребления тепла системой рециркуляции обеспе- чивается внешней батареей, подключенной к трубопроводам Т3-2 и Т4-2. 13 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 «Т3-2» «Т3-1» t4 tт-1 10 11 «Т4-1» «Т4-2» t5 P2 Q1 H2 t6 t7 tт-2 7 8 9 12 13 Горячая вода Холодная вода Рис. 1.5. Гидравлическая схема имитации системы ГВС с рециркуляцией Гидравлическая схема системы отопления Гидравлическая схема стенда для изучения работы гидравличе- ской схемы отопления приведена на рис. 1.6. Для имитации схемы системы отопления краны 7, 10, 12 должны быть закрыты. Насос Н2 необходимо включить. Имитация потребления тепла системой отопления обеспечивает- ся внешней батареей, подключенной к трубопроводам Т3-2 и Т4-2. Для имитации схемы отопления краны 7, 10, 12 должны быть за- крыты. Насосы H1 и Н2 включены. Имитация потребления тепла системой отопления обеспечивает- ся внешней батареей (теплообменником), подключенной к трубо- проводам Т3-2 и Т4-2. Теплосчетчик Q1 обеспечивает измерение мгновенных значений рас- хода теплоносителя и тепловой мощности во вторичном контуре стенда. Выбор схемы первичного контура регулирования осуществляется в соответствии с двухходовым или трехходовым регулирующим клапаном. 14 6 «Т1» М «Т2» t1 t2 t3 P1 H1 1 2 3 4 5 «Т3-2» «Т3-1» t4 tт-1 10 11 «Т4-1» «Т4-2» t5 P2 Q1 H2 t6 t7 tт-2 7 8 9 12 13 Рис. 1.6. Гидравлическая схема системы отопления Задание 1. Изучить гидравлические схемы для имитации различных ре- жимов. 2. Исследовать на стенде гидравлическую схему системы отопле- ния с двухходовым и трехходовым клапаном в первичном контуре. 3. Полученные данные занести в отчет. Контрольные вопросы 1. Назначение стенда-тренажера для исследования динамики си- стем отопления и ГВС. 2. Назовите основные элементы гидравлической схемы стенда и укажите их назначение. 3. Дайте классификацию различных вариантов гидравлических схем систем отопления и ГВС. 15 Лабораторная работа № 2 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ РТМ-03 Цель работы: 1. Ознакомиться с назначением стенда. 2. Изучить общую гидравлическую схему стенда. 3. Изучить назначение и устройство регулятора температуры РТМ-03А. Стенд предназначен: 1) для исследования динамики изменения параметров систем отопления в процессе регулирования с последующей передачей ос- новных технических параметров на персональный компьютер; 2) исследования динамики изменения параметров горячего во- доснабжения (системы горячего водоснабжения без рециркуля- ции и с рециркуляцией) в процессе регулирования с последую- щей передачей основных технических параметров на персональ- ный компьютер; 3) изучения конструкции и принципа действия теплосчетчика ТС-07К; 4) изучения конструкции и принципа действия системы регули- рования на основе регулятора температуры РТМ-03А; 5) исследования и наладки системы регулирования с трехходо- вым и двухходовым регулирующим клапаном; 6) изучения систем отопления с ПИ- и с ПИД-законом регулиро- вания. Технические характеристики регулятора температуры (РТ) Технические характеристики РТ приведены в табл. 2.1. При необходимости увеличения каналов ввода-вывода к РТ подключа- ется блок расширения БР 8/4 Д (табл. 2.2). В табл. 2.3 приведены необходимые для работы контура регули- рования датчики температуры. Дополнительные датчики темпера- туры указываются в заказе. 16 Рис. 2.1. Общая гидравлическая схема стенда: Т1, Т2 – входной и выходной трубопроводы первичного контура; Т3-1, Т3-2, Т4-1, Т4-2 – входные и выходные трубопроводы вторичного контура; t1–t7 – датчики температуры, подключенные к шкафу управления стендом; Н1, Н2 – циркуляцион- ные насосы первичного и вторичного контуров; 1, 2, 5, 7, 9, 10, 11, 12, 13 – запор- ные краны; 3 – фильтр; 4 – трехходовой регулирующий клапан с электроприводом; 6 – теплообменник; 8 – обратный клапан; Q1, tТ-1, tТ-2 – теплосчетчик с датчиками температуры; Р1, Р2 – манометры Таблица 2.1 Технические характеристики РТ Наименование параметра Характеристика 1 2 Число контуров регулирования 1 или 2 Параметры выходов Релейный, 220 В, 50 Гц, 2 А Число выходов До 4 Параметры дискретных входов «Сухой контакт» Число входов До 6 Максимальное количество подключаемых датчиков температуры До 8 Тип датчика температуры DS-18S20 Максимальная длина линии связи с датчи- ком температуры 100 м Диапазон измеряемых датчиком температур От –55 до 125 ºС Типы регулирования (для каждого контура в отдельности) · горячей воды (постоянная температура) · по температурному графику · по температуре в помещении 17 Окончание табл. 2.1 1 2 · по температурному графику с коррекцией по температуре в помещении Режим работ (для каждого контура в отдельности) · ручной · автоматический Режим регулирования (для каждого контура в отдельности в автоматическом режиме работы) · постоянно нормальный · постоянно пониженный · программный · режим «СТОП» Максимальное количество команд в про- граммном режиме 21 Дискретность задания времени в програм- мах 1 мин Дискретность задания температуры 1 ºС Количество каналов последовательного интерфейса RS-232 или RS-485 или оптический порт 1 Электропитание (24±5) В, 50 Гц Мощность, потребляемая электронным блоком, не более 5 Вт Габаритные размеры электронного блока, не более 160×90×58 мм Масса электронного блока, не более 0,4 кг Наработка на отказ, не менее 35000 ч Таблица 2.2 Технические характеристики блока расширения БР 4/8 Д Наименование параметра Характеристика 1 2 Максимальное количество и тип дискретных выходов 4, релейный Максимальное количество дискретных входов 8 Параметры выходов Релейный, 220 В, 50 Гц, 2 А Параметры дискретных входов «Сухой контакт» Электропитание (24±5) В, 50 Гц 18 Окончание табл. 2.2 1 2 Мощность, потребляемая электронным блоком, не более 5 Вт Габаритные размеры электронного блока, не более 90×90×58 мм Масса электронного блока, не более 0,2 кг Таблица 2.3 Датчики температуры, необходимые для работы контура регулирования Тип регулирования Тип датчика температуры Т Н О В 1 + 2 + + 3 + 4 + + + Назначение датчиков температуры: T – датчик температуры теплоносителя (для контура отопления тип контура 2), датчик температуры горячей воды (для контура горячей воды тип контура 1); Н – датчик температуры наружного воздуха; О – датчик температуры обратного трубопровода; В – датчик температуры воздуха в помещении. Устройство и назначение РТ В процессе настройки и изменения параметров и коэффициентов регулятора РТМ-03А для различных гидравлических схем возможно: – изучение работы гидравлических схем с ПИ- и ПИД-законами регулирования; – изучение влияния коэффициентов и настроек регулятора на ка- чество регулирования, различных влияющих факторов (двух- или трехходовые клапаны, изменение расхода теплоносителя, место установки датчика температуры); – архивирование температурных графиков работы регулятора; – изучение работы вспомогательных функций регулятора. 19 Регулятор температуры РТМ-03А «Струмень» предназначен • для автоматической регулировки подачи тепла по отопительному гра- фику с коррекцией по температуре воздуха в отапливаемых помещениях; • регулирования температуры горячей воды с возможностью программного понижения температуры или отключения горячей воды по недельной или годовой программам; • формирования управляющих сигналов при выходе параметров за указанные пределы; • управления циркуляционными и напорными насосами; • управления технологическим оборудованием тепловых узлов. Регулятор РТМ-03А позволяет управлять тремя контурами (си- стемами) регулирования. Количество контуров регулирования про- граммируется. При этом следует иметь в виду следующее: 1) каждый контур регулирования самостоятелен, может быть настроен и запрограммирован индивидуально; 2) переменный состав исполнительного оборудования каждого контура: • привод регулирующего клапана; • один или два циркуляционных насоса; 3) каждый из контуров регулирования для формирования сигна- лов управления исполнительным оборудованием может использо- вать информацию: • от 1 до 8 датчиков температуры; • 8 дискретных входов; • от внешних дискретных датчиков, подключенных к РТ посред- ством блоков расширения БР4/8Д; 4) дополнительно имеется контур (блок) управления уровнем давления. Назначение данного блока: • формирование необходимого уровня давления во вторичном контуре отопления (подпитка вторичного контура отопления); • формирование необходимого уровня давления в любом трубо- проводе. Контур управления давлением может управлять: • приводом регулирующего клапана; • основным и резервным напорными насосами. Управление режимами работы контуров регулирования, програм- мирование параметров и настроек, просмотр параметров и настроек выполняется с помощью кнопок. Функциональное назначение кнопок: 20 Возможные типы контуров регулирования: • тип контура регулирования 1 – ГВС: РТ поддерживает за- данную (постоянную) температуру теплоносителя (горячей воды); • тип контура регулирования 2 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру теплоносителя в соответствии с отопительной кривой температурного графика в зависимости от температуры наружного воздуха; • тип контура регулирования 3 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру в помещении; • тип контура регулирования 4 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру теплоносителя в соответствии с отопительной кривой температурного графика (ТГ) в зависимости от температуры наружного воздуха с коррекцией по температуре в помещении. Организация меню РТ Работа в начальном меню индикации РТ После подачи напряжения питания ~24 В экран РТ имеет вид: Для перехода в начальное меню индикации необходимо нажать кнопку . РТ для управления прибором и установки параметров его работы снабжен меню, разбитым на разделы согласно их функциональному назначению. На дисплее появятся названия разделов меню, которые можно пролистать путем нажатия на кнопки . Начальное меню индикации имеет вид: «Основное» – раздел просмотра основных пара- метров работы РТ; «Система» – раздел просмотра 21 системных параметров РТ; «Параметры» – раздел просмотра пара- метров РТ; «Ручное» – раздел просмотра работы оборудования, управление оборудованием в режиме работы «Ручное». Выбор раздела – кнопки ; вызов раздела – ; выход из раздела – . Начальное меню индикации позволяет: 1) просматривать показания датчиков температуры; 2) просматривать системные параметры РТ; 3) просматривать параметры работы РТ; 4) изменять режимы работы и регулирования РТ; 5) выполнять ручное управление исполнительными устройствами. Структура начального меню индикации РТ представлена на рис. 2.2. Основное График Настройка РучноеПараметрыСистема График Настройка Темпер-ры Архивы Отладка Основное Система Параметры Ручное Темпер-ры Архивы Отладка Рис. 2.2. Структура меню просмотра РТ Раздел «Основное» К1 – индикация номера контура. Переключе- ние контуров – кнопка . – индикация режима работы и регулирования РТ может принимать значение: 15:10 – индикация текущего времени. *5* – индикация текущего дня недели. 22 ! – индикация наличия ошибки в работе РТ. ? – индикация наличия предупреждения в работе РТ. Просмотр параметров в разделе «Основное» выполняется по кругу с помощью кнопок и . tT – температура теплоносителя. tH – температура наружного воздуха. tО – температура воды в обратном трубопроводе. tВ – температура воздуха в помещении. tHС – средняя температура наружного воздуха. В конце списка индикации в данном меню в программном режи- ме индицируется текущая команда недельной или годовой про- граммы, которую выполняет РТ. Раздел «Система» «График» – про- смотр параметров температурного графика. «Настройка» – просмотр настроек РТ. Просмотр параметров в разделе «Система» выполняется по кругу с помощью кнопок и . Для работы системы регулиро- вания отоплением по ТГ устанав- ливаются следующие параметры: • tОСН – температура основания ТГ – температура наружного воз- духа, при которой начинается 23 подъем ТГ, т.е. если температура наружного воздуха tH больше температуры основания tОСН, РТ поддерживает минимальную тем- пературу теплоносителя (tT= tmin); если температура наружного воз- духа tH меньше температуры основания tОСН, РТ увеличивает тем- пературу теплоносителя в соответствии с отопительной кривой ТГ до тех пор, пока температура наружного воздуха не будет меньше Kmax, РТ будет поддерживать максимальную температуру тепло- носителя (tmax). Вид температурного графика показан на рис. 2.3. • Кру1 – крутизна первого участка отопительной кривой (первый участок отопительной кривой – это диапазон температур наружного воздуха от температуры основания до температуры перегиба). • Кру2 – крутизна второго участка отопительной кривой (второй участок отопительной кривой – это диапазон температур наружного воздуха от температуры перегиба до Kmax). Крутизна первого и вто- рого участка определяет, на какую величину изменится температура теплоносителя tT с изменением температуры наружного воздуха tH. • tmax – максимальная температура теплоносителя. Ограничивает значение максимальной температуры теплоносителя ТГ. • tmin – минимальная температура теплоносителя. Ограничивает значение минимальной температуры теплоносителя ТГ. • tперег – температура перегиба. Наружная температура начала второго участка крутизны ТГ. Рис. 2.3. Температурный график 24 Просмотр параметров в подразделе «Настройка» выполняется по кругу с помощью кнопок . К1 – тип первого контура 1/1 (установлен тип контура 1, рабочий тип контура 1); К2 – тип второго контура 2/2 (установлен тип контура 2, рабочий тип контура 2); К3 – 0/0 контур отсутствует. Примечание: в случае, когда цифры (например, 2/2) совпадают, РТ ра- ботает нормально, в случае несовпадения (например, 2/9) – РТ работает в аварийном режиме, следовательно, следует проверить ошибки и преду- преждения и принять меры по их устранению. Индикация ошибок и предупреждений имеет вид: Индикация функций работы имеет вид: Индикация исполнения РТ, серийный номер, версия программ- ного обеспечения имеют вид: Раздел «Параметры» «Темпер-ры» – просмотр температур и дав- лений (или напряжений аналоговых входов). «Визит» – архив посещений. Отмечает время начала обслуживания и время окончания обслуживания РТ. «Отладка» – просмотр работы РТ. 25 Просмотр параметров в разделе «Основное» выполняется по кругу с помощью кнопок . Подраздел «Визит» – архив посеще- ний. В этом подразделе выполняется от- метка об обслуживании РТ. – приход – время начала обслуживания – отметка кнопкой . – уход – время окончания обслуживания – отметка кнопкой . Раздел «Ручное» К1 – номер контура. Выбор кнопкой . – показывает установленный режим работы. КОТ – устройство, сигналы управления ко- торым индицируются. Параметр может принимать вид: КОТ – электропривод клапана управления; Н1 – насос 1 (основной); Н2 – насос 2 (резервный); Подп – управление подпиткой. Д – уровень сигнала датчиков насосов, конечных выключателей привода клапан, датчиков уров- ня устройства подпитки вто- ричного контура. Просмотр параметров в разделе «Основное» выполняется по кругу с помощью кнопок . 26 Выбор устройства для индикации – , выход в начальное меню – . Управление устройством – кнопки . Работа в меню режима программирования В режиме программирования РТ выполняются настройки функ- ций и коэффициентов работы РТ. Переход в режим программирова- ния осуществляется путем одновременного нажатия клавиш – установка параметров температурного графика и пере- ключения режимов регулирования. Структура разделов программирования РТ представлена на рис. 2.4. Рис. 2.4. Разделы программирования РТ 27 Задание 1. Изучить устройство и назначение РТ. 2. Ознакомиться с организацией основного меню РТ. 3. Ознакомиться с разделом меню «Основное». 4. Ознакомиться с разделом меню «Система». 5. Ознакомиться с разделом меню «Параметры». 6. Ознакомиться с разделом меню «Ручное». Контрольные вопросы 1. Назначение и область применения регулятора температуры РТМ-03. 2. Назовите основные технические характеристики РТМ-03. 3. Меню просмотра основных параметров работы РТ «Основ- ное». 4. Меню просмотра основных параметров работы РТ «Система». 5. Меню просмотра основных параметров работы РТ «Параметры». 6. Меню просмотра основных параметров работы РТ «Ручное». 28 Лабораторная работа № 3 ИЗУЧЕНИЕ СПОСОБОВ ПОДКЛЮЧЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ РТМ-03 С ПЭВМ Цель работы: изучить способы подключения и взаимодействия РТМ-03 с ПЭВМ. Общие сведения Для связи с ПЭВМ регулятор имеет последовательный канал связи типа RS232 или RS485. Параметры интерфейсов RS232 и RS485: скорость обмена 9600 бод; тип паритета нет; число информационных бит 8; число стоповых бит 1. Протокол обмена Диалог между компьютером и регулятором основан на принципе «главный-подчиненный». Роль «главного» всегда играет компьютер, а «подчиненного» – регулятор. Основные положения протокола:  протокол предусматривает одно главное и до 255 подчинен- ных устройств;  сообщения, которыми обмениваются между собой главное и подчиненное, устройства, помещаются в пакеты;  каждое подчиненное устройство, включенное в сеть, имеет свой уникальный адрес;  для повышения надежности передачи данных используется избыточный циклический код (CRC);  если задержка между байтами будет превышать 0,02 с, регу- лятор будет считать, что это конец посылки и следующий байт вос- примет как начало следующей посылки. Байт 1 Байт 2 Байт n и n+1 Адр. устр. Код ко- манды. Сообщение Сум. 29 Адр. устр. – физический адрес регулятора. Адрес устанавливает- ся в регуляторе. Код команды – коды команд. № Блока равен «0», предназначен для дальнейшего расширения возможностей системы. Сум – контрольная сумма (CRC подробно рассмотрена в описа- нии циклического избыточного кода). После того как регулятор принял пакет и проверил правильность параметров, он формирует ответ. В случае, если пакет сформирован верно, регулятор возвращает положительный ответ либо пакет не- сущий в себе какую-то информацию (чтение температур, чтение памяти). Иначе регулятор возвращает ошибку и ее код. Если регулятор не отвечает на пакет, то была допущена одна из ошибок:  не верно указано Адр. устр.;  ошибка CRC (контрольной суммы);  регулятор не отвечает на команду RESTART. Чтение температур Структура пакета команды «чтение температуры»: Адр. устр. Код команд. № Блока № датч. Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Структура пакета команды «ответ на чтение температуры»: Адр. устр. Код команд. № Блока № датч. Код темпер. Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) № датч. – физический номер опрашиваемого датчика темпера- туры. Принимает значения от 1 до 8. Код темпер. – код температуры, который представляет число с плавающей точкой. 30 Число с плавающей точкой представляет собой трехбайтное чис- ло (первый байт – порядок (характеристика) данного числа, а сле- дующих два байта – мантисса). Формат трехбайтного числа с пла- вающей точкой состоит из пяти полей: знак порядка, порядок, знак мантиссы, переполнение, мантисса. Поле знака порядка – однобитное, содержит единицу, если поря- док отрицательный, и нуль, если порядок положительный. Поле порядка – семибитное. Оно указывает число битовых пози- ций, на которое нужно сдвинуть мантиссу, чтобы представить его в форме «0.ппп». Если знак порядка содержит нуль, то мантисса сдвигается влево на порядок, если же знак порядка содержит еди- ницу, то мантисса сдвигается вправо на порядок. Поле знака мантиссы – однобитное. Оно содержит единицу, если мантисса (число) отрицательная, и нуль, если положительная. Поле переполнения – однобитное. Оно предназначено для фик- сирования переполнения мантиссы, полученной в результате вы- полнения различных операций. Поле мантиссы – 14-битное. Оно содержит мантиссу числа. Примеры представления чисел с плавающей точкой: десятичное число число с плавающей точкой (HEX) 0 00 00 00 1 01 20 00 –1 01 a0 00 0,5 00 20 00 –8 04 a000 Примечание. Максимальное число, которое может быть преобразовано в число с плавающей точкой без потери точности: 16383 – 0.1638*10^5. Двоичное значение числа может быть вычислено по формуле d = (–1)s · (2e · 1)p) · (f), где s – знак мантиссы; р – знак порядка (s и p равны нулю, если число положительное, и единице, если число отрицательное); е – значение порядка; f – значение мантиссы. 31 Установка режима Структура пакета команды «установка режима»: Адр. устр. Код команд № Блока № Контура Режим работы Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Регулятор имеет пять режимов работы: 1. Ручной режим (режим можно включить только на регу- ляторе). В случае если в регуляторе один из контуров работает в ручном режиме, программирование его будет невозможным (ошиб- ка _ER_MODE_R). 2. Стоп (Код режима работы равен 1). 3. Постоянно «нормальный» (код режима работы равен 2). 4. Постоянно «пониженный» (код режима работы равен 3). 5. Программный (код режима работы равен 4). № Контура принимает значения 0 или 1. 0 – первый контур. 1 – второй контур. Установка типа контура Структура пакета команды «установка типа контура». Адр. устр. Код команд. № Блока № Контура Тип контура Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Тип контура регулирования может принимать следующие значения: 0 – нет контура регулирования; 1 – регулятор горячей воды; 2 – регулятор температуры теплоносителя по ТГ; 32 3 – регулятор температуры теплоносителя по ТГ; 4 – регулятор температуры теплоносителя по ТГ с коррекцией по температуре в помещении. Для корректной установки типа контура регулирования необхо- димо: 1. Установить режим ДИСТ. 2. Установить тип контура регулирования. 3. Перегрузить регулятор, подав команду RESTART. Установка режима ДИСТ Структура пакета команды «установка режима ДИСТ»: Адр. устр. Код команд № Блока Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Установка режима RESTART Структура пакета команды «RESTART»: Адр. устр. Код команд № Блока Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Команда RESTART приводит к полному перезапуску регулятора. Чтение памяти Структура пакета команды «чтение памяти»: Адр. устр. Код ко- манд. № Блока Адр. (мл.б) Адр. (ст.б) Кол-во б-т Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Кол-во б-т – количество байт, значения которых нужно прочи- тать. В случае если количество байт будет превышать 6, регулятор выдаст ошибку параметров. 33 Структура пакета команды «ответ на чтение памяти»: Адр. устр. Код команд № Блока Адр. б-та (мл.б) Адр (ст.байта) Кол-во б-т Значение Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Адр. ст/мл байта указывает адрес в памяти, по которому нахо- дятся те или иные коэффициенты и функции регулятора. Значение – информация, которую присылает регулятор. Количество байт информации равно Кол-во б-т. Запись памяти Структура пакета команды «запись памяти»: Адр. устр. Код команд. № Блока Адр. б-та (мл.б) Адр. б-та (ст.б) Кол-во б-т Значение Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Кол-во б-т – количество байт, значения которых нужно записать. Значение – информация, которую нужно записать в регулятор. Количество байт информации равно Кол-во б-т. Примечание: В случае если Кол-во б-т будет превышать 6, регулятор не ответит на посылку. Чтение архива Чтение архива выполняется после установки режима «Чтение архива». Структура пакета команды «Чтение архива»: Адр. устр. Код команд. № Блока Адр. б-та (мл.б) Адр. б-та (ст.б) Кол-во б-т Сум. (ст.б) Сум. (мл.б) Кол-во б-т – количество байт, значения которых нужно прочи- тать. В режиме «чтение архива» осуществляется по 64 байта. Адрес начала архива равен 0ч4000. 34 Программа по взаимодействию РТ с ПЭВМ Программа «STRUMEN-RTM Utilities» предназначена для рабо- ты с регулятором температуры РТМ-03А «Струмень» по каналам связи RS-232, RS-485 (в зависимости от комплектации). Программа позволяет выполнять чтение архива температур, архива давлений, архива событий, архива ошибок и архива посещений. Программа обеспечивает выполнение следующих операций: • считывание архива температур: – настройка конфигурации архива температур; – считывание данных с РТ и построение ГТ; – сохранение архива на диск; – загрузка сохраненного архива; – печать архива на принтере; • считывание архива давлений: – настройка конфигурации архива давлений; – считывание данных с РТ и построение графика давлений; – сохранение архива на диск; – загрузка сохраненного архива; – печать архива на принтере; • считывание архива событий: – считывание данных с РТ; – сохранение архива на диск; – загрузка сохраненного архива; – экспорт данных в Excel c последующей возможностью печати архива на принтере; • считывание архива ошибок: – считывание данных с РТ; – сохранение архива на диск; – загрузка сохраненного архива; – экспорт данных в Excel c последующей возможностью печати архива на принтере; • считывание архива посещений: – считывание данных с РТ; – сохранение архива на диск; – загрузка сохраненного архива; – экспорт данных в Excel c последующей возможностью печати архива на принтере. 35 Подключение регулятора к ПЭВМ Регулятор температуры следует подключить в соответствии с рис. 3.1 и 3.2 в зависимости от канала связи. Рис. 3.1. Схема подключения РТМ-03А и РТМ-02 к ПЭВМ по каналу связи типа RS232 Рис. 3.2. Схема подключения РТМ-03 и РТМ-02 к ПЭВМ по каналу связи типа RS485 Максимальное количество регуляторов, подключенных по кана- лу связи типа RS485, не должно превышать 31. Запуск программы После запуска программы экран примет вид, изображенный на рис. 3.3. 36 Рис. 3.3. Панель управления «Архив температур» Назначение управляющих элементов: 1. Меню Файл – содержит ВЫХОД. 2. Меню Помощь – имеет поле «О Программе». Содержит ин- формацию о программном продукте. 3. Меню Порт – имеет поле «Настройка порта». Позволяет вы- брать необходимый порт и произвести его настройку. Выполнить установку модемного соединения. 4. Установка физического адреса программируемого регулятора, с которым необходимо установить связь. Диапазон возможных ад- ресов от 0 до 255. Адрес 255 является общим для всех регуляторов. Значение адреса регулятора в программе должно совпадать с адре- сом, запрограммированным в регуляторе. На данном этапе пользователь должен выполнить следующие операции: 1. Установить физический адрес регулятора, с которым необхо- димо установить связь. 37 2. Настроить порт в соответствии с конфигурацией регулятора и подключением к компьютеру. 3. Установить режим работы РТ. В случае если в регуляторе один из контуров работает в ручном режиме, программирование его будет невозможным. В дальнейшем изменение физического адреса регулятора может выполняться в любой момент времени за исключением времени процесса чтения или записи. Панели управления Выбор панели управления Для выбора панели управления необходимо выбрать одну из за- кладок. Назначение панелей управления: «Архив температур» – чтение и графическое отображение ар- хива температур; «Архив давлений» – чтение и графическое отображение архива давлений; «Архив событий» – чтение и текстовое отображение архива со- бытий; «Архив ошибок» – чтение и текстовое отображение архива ошибок; «Архив посещений» – чтение и текстовое отображение архива посещений; Панель управления «Архив температур» Вид экрана панели управления «Архив температур» показан на рис. 3.3. Назначение управляющих элементов панели управления «Архив температур»: 1. Чтение архива. 2. «+», «–» масштаб. 3. Сохранение данных архива. 4. Загрузка сохраненных данных архива. 5. Распечатка графика архива температур. 6. Установка номеров датчиков температуры для архивирования. 7. Включение записи архива температур. 38 8. Включение циклической записи архива температур. 9. Установка периода архивирования температур. 10. Чтение настроек архива температур. 11. Запись настроек архива температур. Манипуляции над областью графика выполняются при помощи мыши компьютера. Левая клавиша позволяет выполнить масштаби- рование, правая – перемещает график в плоскостях. Панель управления «Архив давлений» Для выбора панели управления «Архив давлений» необходимо выбрать закладку «Архив давлений». Вид экрана изображен на рис. 3.4. Рис. 3.4. Панель управления «Архив давлений» Назначение управляющих элементов панели управления «Архив давлений»: 1. Чтение архива. 39 2. «+», «–» масштаб. 3. Сохранение данных архива. 4. Загрузка сохраненных данных архива. 5. Распечатка графика архива давлений. 6. Установка номеров датчиков давлений для архивирования. 7. Включение записи архива давлений. 8. Включение циклической записи архива давлений. 9. Установка периода архивирования давлений. 10. Чтение настроек архива давлений. 11. Запись настроек архива давлений. Манипуляции над областью графика выполняются при помощи мыши компьютера. Левая клавиша позволяет выполнить масштаби- рование, правая – перемещает график в плоскостях. Панель управления «Архив событий» Для выбора панели управления «Архив событий» необходимо вы- брать закладку «Архив событий». Вид экрана изображен на рис. 3.5. Рис. 3.5. Панель управления «Архив событий» 40 Назначение управляющих элементов панели управления «Архив событий»: 1. Чтение архива. 2. Сохранение данных архива. 3. Загрузка сохраненных данных архива. 4. Экспорт архива в Excel. Для сохранения, загрузки и экспорта архива необходимо нажать пра- вую клавишу мыши компьютера и выбрать соответствующее действие. Панель управления «Архив ошибок» Для выбора панели управления «Архив ошибок» необходимо вы- брать закладку «Архив ошибок». Вид экрана изображен на рис. 3.6. Рис. 3.6. Панель управления «Архив ошибок» Назначение управляющих элементов панели управления «Архив ошибок»: 1. Чтение архива. 41 2. Сохранение данных архива. 3. Загрузка сохраненных данных архива. 4. Экспорт архива в Excel. Для сохранения, загрузки и экспорта архива необходимо нажать пра- вую клавишу мыши компьютера и выбрать соответствующее действие. Панель управления «Архив посещений» Для выбора панели управления «Архив посещений» необходи- мо выбрать закладку «Архив посещений». Вид экрана изображен на рис. 3.7. Рис. 3.7. Панель управления «Архив посещений» Назначение управляющих элементов панели управления «Архив посещений»: 1. Чтение архива. 2. Сохранение данных архива. 42 3. Загрузка сохраненных данных архива. 4. Экспорт архива в Excel. Для сохранения, загрузки и экспорта архива необходимо нажать правую клавишу мыши компьютера и выбрать соответствующее действие. Задание 1. Изучить способы подключения регулятора к ПЭВМ. 2. Изучить настройки регулятора для передачи сигнала на ПЭВМ. 3. Изучить программу по обработке данных. 4. Составить отчет о проделанной работе. Контрольные вопросы 1. Назовите способы подключения РТМ-03 к ПЭВМ. 2. Каким образом осуществляется настройка РТМ-03 для пере- дачи сигналов на ПЭВМ? 3. В чем сущность программы обработки данных?. 43 Лабораторная работа № 4 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОСЧЕТЧИКОВ Цель работы: изучить принцип действия, установку и монтаж теплосчетчиков («Струмень ТС-07» и «Струмень ТС-07К»). Назначение и область применения теплосчетчиков Теплосчетчик – это прибор или комплект приборов (то же сред- ство измерения), предназначенный для определения количества теплоты и измерения массы и параметров теплоносителя. Известно, что тепловая энергия, потребленная тем или иным объектом (зданием), вычисляется как функция расходов температур и давлений теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы теплоснабжения на границе данного объекта. Поэтому теплосчетчик состоит из двух преобразователей расхода (один на подающем, другой – на обратном трубопроводе), двух датчиков (преобразователей) температуры, а также тепловычислителя. На объектах с большой тепловой нагрузкой применяются еще и датчи- ки давления (с ними точность измерений тепла выше). К вычисли- телю теплосчетчика может подключаться один или несколько до- полнительных преобразователей объема/расхода (водосчетчиков) для учета и регистрации параметров холодного и/или горячего во- доснабжения. Существуют также и теплосчетчики, обеспечиваю- щие учет сразу по нескольким тепловым вводам, т.е. по нескольким парам «подающий – обратный трубопроводы». В качестве преобразователей температуры в составе теплосчет- чиков используются обычно термопреобразователи сопротивления. Их принцип действия един, поэтому различные типы теплосчетчи- ков различаются лишь типом преобразователей расхода. Именно исходя из этого типы теплосчетчиков могут быть тахометрически- ми, вихревыми, ультразвуковыми, электромагнитными и т.п. Суще- ствуют и так называемые комбинированные теплосчетчики, вычис- литель которых может работать с расходомерами различных типов. 44 Назначение и область применения теплосчетчика «Струмень ТС-07» Теплосчетчик ультразвуковой «Струмень ТС-07» предназначен для измерения потребляемой или отпущенной тепловой энергии в закрытых и открытых водяных системах централизованного тепло- снабжения или горячего водоснабжения (ГВС). Область применения теплосчетчика: системы учета и контроля выработки и потребления тепловой энергии на предприятиях про- мышленности и коммунального хозяйства. Теплосчетчик может иметь (в зависимости от исполнения) один или два независимых измерительных контура. Исполнение изме- рительного контура теплосчетчика определяется выбранным ти- пом системы теплоснабжения:  измерение объема воды;  тупиковая ГВС;  закрытая система. Первичный преобразователь расхода (ППР) на подающем трубопроводе или обратном трубопроводе;  открытая система;  открытая система с учетом питания по обратному трубопроводу;  источник тепла. Теплосчетчик предназначен для работы с ультразвуковыми ППР (УЗР), имеющими:  максимальные расходы (1,2; 3,0; 5,0; 7,0; 12,0; 20; 30; 50; 80 и 120) м3/ч;  диапазон температуры теплоносителя от 10 до 150 °С;  максимальное давление 1,6 МПа;  предел допускаемой относительной погрешности измерения объема ±2 % во всем диапазоне расходов от Qmin до Qmax. Теплосчетчик в максимальном исполнении может иметь 4 кана- ла измерения расхода и 4 канала измерения температуры. Примеры схем установки одноконтурных теплосчетчиков для разных типов систем теплоснабжения и их обозначения приведены на рис. 4.1–4.8. Схемы установки двухконтурных теплосчетчиков формиру- ются как набор схем одноконтурных теплосчетчиков. Возможно по отдельному заказу увеличение количества измерительных кон- туров до четырех в пределах аппаратных ресурсов теплосчетчика. 45 Назначение и область применения теплосчетчика «Струмень ТС-07К» Теплосчетчик ультразвуковой «Струмень ТС-07К» «компактно- го» исполнения предназначен для измерения потребляемой или от- пущенной тепловой энергии, температуры теплоносителя в подаю- щем и обратном трубопроводах, разности этих температур, времени наработки и времени работы с ошибкой, объема и объемного расхо- да теплоносителя, тепловой мощности, а также индикации измерен- ных величин и при необходимости для дистанционной передачи измерительной и служебной информации. Теплосчетчик предназначен для учета, в том числе коммерческо- го, тепловой энергии в закрытых системах теплоснабжения. Примеры схем установки теплосчетчика приведены на рис. 4.9 и 4.10. Примеры схем установки теплосчетчиков Рис. 4.1. Струмень ТС-07 20.Х-0ХХХ. Тупиковая система ГВС (программиро- вание температуры холодной воды) Рис. 4.2. Струмень ТС-07 20.Х 1ХХХ. Тупиковая система ГВС (измерение температуры холодной воды) Рис. 4.3. Струмень ТС-07 30.Х 1ХХХ. Закрытая система теплоснабжения (УЗР на подающем трубопроводе) Рис. 4.4. Струмень ТС-07 40.Х 1ХХХ. Закрытая система теплоснабжения (УЗР на обратном трубопроводе) 46 Рис. 4.5. Струмень ТС-07 50.ХХ 0ХХХ. Открытая система теплоснабжения (программирование температуры холодной воды) Рис. 4.6. Струмень ТС-07 50.ХХ 1ХХХ. Открытая система теплоснабжения (измерение температуры холодной воды) Рис. 4.7. Струмень ТС-07 60.ХХХ 0ХХ. Открытая система теплоснабжения с учетом питания по обратному трубопроводу (программирование температуры холодной воды) Рис. 4.8. Струмень ТС-07 70.ХХХ 1ХХХ. Система теплоснабжения «Источник тепла» 47 Рис. 4.9. Теплосчетчик «Струмень ТС-07 30.X 1110-К». Закрытая система теплоснабжения (расходомер (ППР) на подающем трубопроводе) Рис. 4.10. Теплосчетчик «Струмень ТС-07 40.X 1110-К». Закрытая система теплоснабжения (расходомер (ППР) на обратном трубопроводе) 48 Технические характеристики теплосчетчиков Основные технические характеристики теплосчетчиков «Стру- мень» приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Наименование параметра Значение параметра 1 2 Количество измерительных контуров теплосчетчика 1 или 2* (для ТС-07) Класс теплосчетчика: – по СТБ ГОСТ Р 51649-2004; – по СТБ ЕН 1434-2004 В 2 Пределы допускаемой относительной погрешности каждого измерительного канала ТС при измерении тепловой энергии δ,% δ = ±(3 + 4∆tн / ∆t + 0,02Gв/G), где ∆t и ∆tн – значение разности температур и его наименьшее зна- чение в подающем и обратном трубопроводах, °С; G и Gв – значение расхода теп- лоносителя и его наибольшее значе- ние в подающем трубопроводе, м3/ч Пределы допускаемой относительной погрешности ТВ для каждого измерительного канала при вычислении тепловой энергии δТВ, % δТВ = ±(0,5 + ∆tн / ∆t), где ∆t и ∆tн – значение разности температур и его наименьшее зна- чение в подающем и обратном трубопроводах, °С Пределы допускаемой относительной погрешности УЗР при измерении объема теплоносителя δV, % в диапазоне расходов от наименьшего значения расхо- да теплоносителя GН до наибольшего значения расхода теплоносителя GВ δV = ±(2 + 0,02 GВ/G ), где G и GВ – значение расхода теп- лоносителя и его наибольшее значе- ние в подающем трубопроводе, м3/ч Диапазон измерения температур теплоносителя, °С От 5 до 150 Диапазон измерения разности температур теплоносителя,°С От 3 до 145 Пределы допускаемой абсолютной по- грешности измерения разницы температу- ры теплоносителя, не более, °С ∆t = ±(0,6 + 0,004 – t), где t – температура теплоносителя 49 Продолжение табл. 4.1 1 2 Информационный выход (по отдельному заказу) (для ТС-07) Интерфейс RS-232, M-BUS Основной информационный выход (для ТС-07К) Оптический интерфейс согласно EN 61107 Дополнительный информационный выход (по отдельному заказу) (для ТС-07К) M-Bus, импульсные выходы, пассивная токовая петля Тип архива (по отдельному заказу) (для ТС-07) Суточный, часовой, суточный и часовой Тип архива (для ТС-07К) Месячный Относительная погрешность тепловычислителя при измерении текущего времени, не более, % +0,02 Источник питания тепловычислителя (для ТС-07) Литиевая батарея емкостью 2,1 А·ч, напряжением 3,6 В, срок службы не менее 4 лет ** Источник питания УЗР(для ТС-07) Литиевая батарея емкостью 7,2 А·ч, напряжением 3,6 В, срок службы не менее 4 лет ** Источник питания тепловычислителя (для ТС-07К) Литиевая батарея емкостью 7 А·ч, напряжением 3,6 В, срок службы не менее 4 лет ** Класс защиты теплосчетчика от поражения электрическим током по ГОСТ 12.2.007.0-75 III Степень защиты оболочки ТВ и УЗР IP54 Масса тепловычислителя, не более, кг 1.0 Диаметры условного прохода УЗР Dу, мм 15, 20, 25, 40, 50, 65, 80, 100 Диапазон значений расхода теплоносителя, м3/ч 0,012–120 Тип термопреобразователя сопротивления Pt500 Класс допуска термопреобразователя сопротивления В Диапазон температуры окружающего воздуха в рабочих условиях, °С От 5 до 50 50 Окончание табл. 4.1 1 2 Температура хранения и транспортирования, °С От –20 до +50 Средний срок службы теплосчетчика, не менее, лет 12 Средняя наработка на отказ, не менее, ч 35000 Температура хранения, °С (для ТС-07К): – в упаковке – без упаковки От 0 до 40 От 10 до 35 * Возможно увеличение количества измерительных контуров до 4 в преде- лах аппаратных ресурсов ТС. ** Срок службы батареи указан для температуры эксплуатации не более 35 °С и периодичности считывания информации через последовательный порт не чаще одного раза в час. Карта заказа теплосчетчика Карта заказа теплосчетчика «Струмень ТС-07К» Заказ теплосчетчика для основных типов систем теплоснабжения производится по карте заказа: 51 Карта заказа теплосчетчика «Струмень ТС-07» 52 Таблица 4.2 Услов- ное обозна- чение ППР Ду Тип со- единения Макс. расход Qmax Мин. рас- ход Qmin Порог чув- стви- тель- ности Падение давления при 0,5Qmax Мон- таж- ная длина Вес (муф- та) Вес (фла- нец) мм муф- та фла- нец м3/ч м3/ч м3/ч мбар мм кг кг 0 15 + 1,2 0,012 0,0012 130 110 1 1 + 3 0,03 0,003 130 110 1 2 20 + + 5 0,05 0,005 140 190 1,5 3 3 25 + + 7 0,07 0,007 60 260 3 5 4 + + 12 0,12 0,012 170 260 3 5 5 40 + + 20 0,2 0,02 120 300 4 7 6 50 + 30 0,3 0,03 120 270 8 7 65 + 50 0,5 0,05 70 300 11 8 80 + 80 0,8 0,08 120 300 13 9 100 + 120 1,2 0,12 150 360 22 Длина кабеля от термопреобразователей сопротивления до теп- ловычислителя может быть выбрана 3, 5 и 10 м, или индивидуально для каждого термопреобразователя (длиной не более 25 м). Устройство и работа теплосчетчика Для определения количества потребленной тепловой энергии теплосчетчику требуются две физические переменные:  расход теплоносителя;  разница температур теплоносителя в прямом и обратном тру- бопроводах. Расход теплоносителя измеряется статически, без использования движущихся частей. Температура теплоносителя в прямом и обрат- ном трубопроводах фиксируется платиновыми термопреобразова- телями сопротивления. В состав теплосчетчика входят:  от одного (ТС-07К) до четырех (ТС-07) ультразвуковых рас- ходомеров (УЗР); 53  тепловычислитель (ТВ);  от одного до четырех термопреобразователей сопротивления (ТПС) (ТС-07);  согласованная пара термопреобразователей сопротивления (ТС-07К). Устройство УЗР с фланцевым соединением представлено на рис. 4.11. Рис. 4.11. Устройство ультразвукового расходомера В состав УЗР входят:  электронный блок;  расходомер. Внешний вид электронного блока представлен на рис. 4.12. Электронный блок УЗР закреплен на расходомере при помощи монтажной пластины. Иногда требуется снять электронный блок с расходомера, для чего прижимают блокирующий рычаг (рис. 4.12), расположенный справа в нижней части электронного блока, как по- казано на рис. 4.13, и снимают электронный блок, потянув его на себя. Для того чтобы закрепить электронный блок на монтажной пластине, зацепляют верхнюю часть крепления электронного блока за монтажную пластину, прижимают и фиксируют его. В окошке индикации батарейного отсека (см. рис. 4.12) указан рекомендуемый год замены батареи. Для проведения монтажных работ и доступа к сервисной кнопке (рис. 4.14) необходимо снять крышку вычислителя. Для чего снача- ла удаляют пломбы теплоснабжающей организации (это не пломба государственной поверки) с крышки вычислителя. Это может быть выполнено только соответствующим персоналом тепло- снабжающей организации. Затем прижимают четыре фиксатора по бокам крышки корпуса (см. рис. 4.12) и снимают ее, потянув на себя. 54 Рис. 4.12. Внешний вид электронного блока УЗР Рис. 4.13. Снятие и установка электронного блока УЗР с монтажной пластины. Размеры монтажной пластины Рис. 4.14 Внешний вид вычислителя (со снятой крышкой) 55 Клеймо-наклейку государственного поверителя не повре- ждайте и не удаляйте! В противном случае гарантийный срок и поверка теплосчетчика становятся недействительными. Внешний вид и габаритные размеры тепловычислителя пред- ставлены на рис. 4.15. Расположение органов управления, индикации и разъемов под- ключения показано на рис. 4.16. Рис. 4.15. Внешний вид и габаритные размеры тепловычислителя (ТС-07) Рис. 4.16. Внешний вид тепловычислителя (ТС-07) 56 Задание 1. Определить какой теплосчетчик установлен на стенде. 2. Составить заказ на приобретение теплосчетчика по данным, взятым у преподавателя. 3. Оформить отчет. Контрольные вопросы 1. Назначение и область применения теплосчетчиков «Струмень ТС-07» и «Струмень ТС-07К». 2. В чем отличие закрытых систем теплоснабжения от открытых? 3. Основные технические характеристики теплосчетчиков. 4. Особенности устройства, установки и работы теплосчетчиков. 57 Лабораторная работа № 5 ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИДЕАЛЬНОГО И РЕАЛЬНОГО ПИД-РЕГУЛЯТОРОВ Цель работы: 1. Изучить динамические характеристики идеаль- ного ПИД-регулятора. 2. Изучить динамические характеристики реального ПИД-регу- лятора. 3. Провести сравнительный анализ двух регуляторов. Общие сведения Задача автоматического регулирования состоит в поддержании требуемого значения регулируемой величины путем воздействия на объект с помощью его регулирующего органа. При отклонении ре- гулируемой величины от заданного значения регулятор воздейству- ет на объект до тех пор, пока регулируемая величина не вернется к требуемому значению. Регулирующее воздействие может происходить по определенно- му закону, положенному в основу работы регулятора. Зависимость регулирующего воздействия хр от отклонения регулируемой вели- чины ε называется законом регулирования. При создании промыш- ленных регуляторов стремятся сконструировать их таким образом, чтобы закон его действия с достаточной точностью описывался ли- нейным дифференциальным уравнением, связывающим выходную переменную (хвых = хр) с входной (хвх = ε). Процессом регулирования называется переходный процесс в за- мкнутой САР, т.е. процесс перехода во времени из одного установив- шегося состояния системы в другое под действием возмущений, при- ложенных в различных местах системы одновременно или порознь. Переходные процессы могут быть определены расчетным путем по известным динамическим характеристикам, опытным путем при помощи моделей объекта и регулятора, а также на действующих объектах с промышленными регуляторами. В большинстве случаев при проектировании автоматических си- стем регулирования на тепловых электрических станциях возмож- ность выбора типа регулятора по виду реализуемого в нем 58 закона регулировании ограничена, поскольку большинство систем предназначено для автоматической стабилизации параметров при ограниченном диапазоне допустимых отклонений. Выбор закона регулирования осуществляется в зависимости от сложности и от- ветственности объекта управления и требований к точности под- держания регулируемой величины. В тех случаях, когда допускают- ся относительно большие колебания регулируемой величины, целе- сообразно устанавливать позиционные регуляторы, работающие по принципу «открыто-закрыто». При более жестких требованиях к автоматической системе, напри- мер, при нежелательности автоколебательных режимов, возникающих в системах с позиционными регуляторами, целесообразно проверить возможность установки П-регулятора прямого действия. Если данные типы регуляторов не удовлетворяют требованиям, то следует приме- нять более сложные законы регулирования – ПИ или ПИД. При выборе типа регулятора следует руководствоваться: 1) ди- намическими характеристиками объекта по каналам регулирующе- го и возмущающего воздействий; 2) требованиями к качеству си- стемы регулирования при всех возможных возмущениях. Расчет настроек предусматривает определение численных значе- ний параметров настройки регуляторов, при которых переходные процессы в замкнутых автоматических системах удовлетворят за- данным или приемлемым показателям качества, т.е. являются опти- мальными. Существующие методы расчета позволяют определить численные значения параметров настройки регуляторов (с помо- щью формул или графиков) по показателям, характеризующим ди- намические свойства объекта или системы. При этом динамические свойства объекта могут быть представлены в виде временных ха- рактеристик, передаточных функций или частотных характеристик. Расчетные формулы или графики по определению оптимальных настроек основываются на оценке временных, частотных или стати- стических характеристик замкнутой системы с помощью показате- лей и критериев качества. Качество является одной из важнейших характеристик, опреде- ляющих эффективность автоматических систем регулирования. Чтобы управлять качеством сложных технических систем, необходимо установить уровень качества и уметь его измерять. Получить такую характеристику качества системы в общем виде функциональной 59 зависимости от множества ее структурных, технических, аппарат- ных и эксплуатационных характеристик сложно. Поэтому о каче- стве САР сложными технологическими процессами судят по их функциональным свойствам (устойчивость, статическая и динами- ческая точности). Устойчивость САР, т.е. затухание переходных процессов в ней, является необходимым, но не достаточным условием практической пригодности системы. Существенное значение имеет качество про- цессов регулирования, т.е. сам характер протекания переходных процессов: их длительность и колебательность. Система регулиро- вания должна отвечать двум основным требованиям: а) с макси- мальной точностью отрабатывать задающий сигнал; б) по возмож- ности не реагировать на внутреннее и внешнее возмущения, т.е. ошибка ε(t), возникающая под действием возмущения, должна быть наименьшей и ее необходимо максимально быстро ликвидировать. Автоматические регуляторы должны обладать не только высо- кой надежностью, но и высокой чувствительностью к изменению входного сигнала, необходимой для точного поддержания регули- руемых величин вблизи заданного значения. Для этого в составе регулятора предусматривается измерительное устройство. Кроме того, автоматический регулятор должен развивать на выходе уси- лие, достаточное для перемещения регулирующих органов (клапа- нов, задвижек), т.е. содержать в своей структуре мощный исполни- тельный механизм. Для реализации выбранного закона регулирова- ния и изменения параметров настройки регулятора в необходимых пределах в его состав должны входить устройства формирования закона регулирования и изменения (коррекции) параметров настройки. Необходимо также иметь возможность изменения в ши- роких пределах заданного значения регулируемой величины, с ко- торым сравнивается ее текущее значение. Автоматические регуляторы делят: 1) на стабилизирующие, программные, следящие, самонастраи- вающиеся (экстремальные); 2) реагирующие на отклонение регулируемого параметра или возмущения, а также того и другого; 3) релейные, непрерывного действия, импульсные, цифровые. Различают регуляторы прямого и непрямого действия, причем в ис- полнительных механизмах последних используется энергия внешнего 60 источника. Регуляторы непрямого действия в связи с этим делят- ся на электрические, пневматические, гидравлические и комби- нированные. Регуляторы непрерывного действия являются наиболее распро- страненными. По количеству реализуемых ими законов регулиро- вания, т.е. функциональных зависимостей выходной величины от входной, различают интегральные (И), или астатические; пропор- циональные (П), или статические; пропорционально-интегральные (ПИ), или изодромные; пропорционально-дифференциальные (ПД), или статические с предварением; и пропорционально-интегральные- дифференциальные (ПИД), или изодромные с предварением. В данной лабораторной работе рассматривается идеальный и ре- альный ПИД-регулятор. ПИД-регуляторы производят перемещение регулирующего ор- гана пропорционально отклонению, интегралу и скорости измене- ния отклонения регулируемой величины:           t e Tte T ekx t d d d 1 упр 0И pp П , где kp – коэффициент усиления регулятора; ТИ – время интегрирования; Тупр – время упреждения (опережения, предварения, дифферен- цирования), характеризующая степень ввода производной в закон регулирования. В динамическом отношении ПИД-регулятор подобен системе из трех параллельно включенных звеньев: пропорционального, инте- грирующего и идеально дифференцирующего. При Тупр = 0 ПИД- регулятор превращается в ПИ-регулятор; если, кроме того, ТИ стре- мится к бесконечности, то получается П-регулятор. Передаточная функция, амплитудно-фазовая и переходная характе- ристики идеального ПИД-регулятора определяются по формулам: pTk pT k kpW упрp И p pP )(  ,            упрp И p pp )( Tk T k jkjW ; хр(t) = ∞ при t = 0; 61 И p pp )( T tk ktx  при t > 0; На практике ПИД-регуляторы выполняют либо по структурным схемам с обратными связями, либо к ПИ-регулятору подключается реальное дифференцирующее звено (дифференциатор) с помощью параллельной коррекции (рис. 5.1, а) или с помощью положитель- ной и отрицательной обратной связи (рис. 5.1, б). Передаточная функция (см. рис. 5.1, б) имеет вид )()(1 )( )( ДПИ ПИ ПИД pWpW pW pW   , где pTpTkpW ИИpПИ /))1(()(  – передаточная функция ПИ- регулятора; )1/()()( ДДpД  рTрTkpW – передаточная функция дифферен- циатора; kД – коэффициент усиления дифференциатора; ТД – время дифференцирования. Wпи(p) Wд(p) + + 1е Wпи(p) Wд(p) + + (-) еХр Хр а б Рис. 5.1. Структурные схемы реализации реального ПИД-регулятора После несложных преобразований получаем pTkk T T kk pTpT pT k pW ДДP И Д Дp ДИ И P ПИД )1(1 )1)(1( )(          . 62 Для уменьшения инерционности реального регулятора необхо- димо, чтобы выполнялись условия 11 И Д Дp  T T kk , (1 ± kрkД)ТД → 0. Тогда передаточная функция реального ПИД-регулятора примет вид pT pTpT kpW И ДИ PПИД )1)(1( )(   . На рис. 5.2 представлено графическое изображение переходной характеристики реального и идеального ПИД-регулятора. Рис. 5.2. Графическое изображение переходной характеристики реального и идеального ПИД-регулятора ПИД-регуляторы конструктивно сложнее ПИ-регуляторов, одна- ко они в ряде случаев позволяют улучшить качество регулирования технологических параметров. Они как и ПИ-регуляторы относятся к астатическим регуляторам. Задание Исследовать влияние структуры ПИД-регулятора на качество процесса регулирования при отработке основных возмущений: за- дающего воздействия, внутреннего и внешнего возмущений. 63 Wp(p) Wоб(p) Wв(p) f2 f1 y(t)Xзд Рис. 5.3. Структурная схема одноконтурной САР: Wp(p) – передаточная функция (ПФ) регулятора; Wоб(р) – ПФ объекта регулирования; Wв(р) – ПФ канала действия внешнего возмущения; Хзд – задающее воздействие; f1, f2 – внутреннее и внешнее возмущения № ва- рианта 1 2 3 4 5 6 7 Пара- метры объекта Тоб = 20 с τ = 10 с Тоб = 30 с τ = 13 с Тоб = 50 с τ = 20 с Тоб = 70 с τ = 18 с Тоб = 90 с τ = 25 с Тоб = 110 с τ = 28 с Тоб = 130 с τ = 30 с 1. По передаточной функции объекта определить параметры настройки ПИД-регулятора: Ти = Тоб; kр = Тоб /(2kоб τ); Тд = τ/4; kоб = 1; Тб = var. 2. Построить графики переходных процессов при отработке ос- новных возмущений с использованием различных структур ПИД- регулятора в среде MathCAD при различных значениях постоянной времени Тб (баластной). Для этого в рабочем окне пакета MathCAD необходимо ввести следующие значения: t:=0, 1...100 ω:=0, 10...1000 1: i Идеальный ПИД-регулятор Реальный ПИД-регулятор 1 2 3 ПФ регуля- тора Wip   kp 1 1 Ti i  Td i      Wrp   kp Ti i 1  Td i 1  Ti i  ПФ объекта 1iТ ek :)(W o )(i o o     ПФ внешнего возмущения Wv   10 30 i  1  Wrp   kp Ti i 1  Td i 1  Ti i  Wrp   kp Ti i 1  Td i 1  Ti i  64 Окончание таблицы 1 2 3 ПФ при отработке Хзд W   Wp   Wo   1 Wp   Wo    ПФ при отработке f1 W   Wo   1 Wp   Wo    ПФ при отработке f2 W   Wv   1 Wp   Wo    Формулы для постро- ения графи- ков пере- ходных процессов U   Re W    V   Im W    A   U   2 V   2  h t( ) 2  0 t  U    sin  t      d          3. Определить прямые показатели качества. Сравнить получен- ные результаты по времени регулирования и величине максималь- ной динамической ошибки. Результаты занести в таблицу. Вид возмущения Задающее воздей- ствие Внутрен- нее воз- мущение Внешнее возмуще- ние tp σ, % tp Ам1, % tp Ам1, % Численное значение (1) – идеальный ПИД-регулятор (2) – реальный ПИД-регулятор 4. Выводы о проделанной работе. Контрольные вопросы 1. К какому классу регуляторов относится ПИД-регулятор? 2. Дать определение ПИД-регулятору. 3. Преимущества и недостатки ПИД-регуляторов. 65 Лабораторная работа № 6 ИЗУЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПЕРЕХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Цель работы: 1. Изучить методику определения динамических характеристик объектов регулирования без запаздывания. 2. Изучить методику определения динамических характеристик объектов регулирования с запаздыванием. Общие положения Свойства САР определяются ее параметрами, характеризующи- ми способность отдельных звеньев этой системы накапливать или рассеивать энергию. Таким образом, понятие параметра тесно свя- зано с принципом действия звена, а его значение определяется кон- структивными размерами отдельных элементов звена, физическими свойствами применяемых материалов и т.д. Выражения, характеризующие параметры, входят в том или ином виде в дифференциальные уравнения, описывающие движе- ние звеньев САР. Конструктивные размеры, оказывающие влияние на динамические свойства элемента, обычно входят в это уравнение в виде постоянных величин. Переменные параметры определяются в основном теми физическими явлениями, которые протекают в элементе, или свойствами применяемых материалов. Значение пе- ременного параметра зависит, как правило, от координат звена – его входных и выходных величин. Это приводит к сложным функцио- нальным зависимостям между переменными и к нелинейному виду дифференциального уравнения, описывающего динамические свой- ства звена. Распределенные параметры определяются конструктив- ными размерами и протекающими в звене физическими явлениями. Исследование свойств сложной динамической системы, в част- ности, САР, осуществляется путем анализа дифференциального уравнения, определяющего связь между входной и выходной ее ве- личинами на неустановившихся режимах работы. Это уравнение находится из системы дифференциальных уравнений, каждое из 66 которых описывает движение определенного входящего в эту си- стему звена путем исключения промежуточных переменных. Зная дифференциальные уравнения, а, следовательно, и переда- точные функции входящих в систему элементов и связи между ними, можно определить передаточную функцию системы, если применять правила нахождения передаточных функций цепей, состоящих из динамических звеньев, соединенных определенным образом. Исследование динамических характеристик объекта регулирова- ния с целью получения его математической модели, например, в виде соответствующей передаточной функции, является необходи- мым этапом наладки любой САР. Полученные при этом передаточ- ные функции объекта регулирования служат основой для расчета параметров САР, а также определения переходных процессов в за- мкнутой системе с использованием ПК. Для расчета параметров динамической настройки двухконтур- ных САР для объектов без запаздывания и с самовыравниванием передаточную функцию чаще всего принимают в виде инерционно- го звена второго порядка без запаздывания: )1)(1( )( опоп оп оп   ррТ k рW , (6.1) где kоп – коэффициент усиления опережающего участка объекта регулирования; Топ и σоп – соответственно большая и меньшая постоянные вре- мени опережающего участка, численные значения которых опреде- ляются графическими построениями, приведенными на рис. 6.1. Вначале проводится касательная АВ к кривой разгона. Затем уча- сток ab общий для касательной и кривой делится на две равные ча- сти. В результате определяется середина участка ab в точке с, на которой восстанавливается перпендикуляр от с к горизонтали, рав- ный коэффициенту усиления участка kоп. Полученный при этом от- резок СВ равен сумме Топ + σоп. При этом исходные значения постоянных времени передаточной функции (6.1) определяют равенствами: σоп = ОА; Топ = СВ – ОА . (6.2) 67 Проверка правильности аппроксимации переходной характери- стики опережающего участка объекта передаточной функцией (6.1) определяется следующим образом. Проводится перпендикуляр BD на ось времени и определяется отношение σоп / Та = ОА/ AD = n. Ес- ли n ≤ 0,104, то аппроксимация проведена верно. Рис. 6.1. Методика обработки переходной характеристики опережающего участка объекта Если представить динамику объекта в виде передаточной функ- ции с различными постоянными времени, то получим )1)(1( 1 )( 21 оп   рТрТ рW . (6.3) Переходная функция объекта, соответствующая передаточной функции (6.3), определяется выражением 21 21 2 21 11 T t T t e TT T e TT T x      и представляет собой монотонную кривую (рис. 6.2), характерной точной которой является точка перегиба, соответствующая моменту изменения знака второй производной. Изменение знака второй про- изводной происходит в момент времени )ln( 2 1 21 21 п T T TT TT t   . 68 Рис. 6.2. Переходная функция элемента, состоящего из двух апериодических звеньев, соединенных последовательно Значение выходной координаты в точке перегиба определяется соотношением 1 п 1 21 п 1 T t e T TT x    . При определении параметров элемента, состоящего из двух апе- риодических звеньев, соединенных последовательно, по его пере- ходной функции используется равенство величины подкасательной функции 1 – х в точке ее перегиба tп сумме постоянных времени Т1 + Т2 апериодических звеньев (рис. 6.3): 21 2 п 1 п TT ee dt dx T t T t     . Пользуясь соотношением 1 п 2 п 21 T t T t eTeT   , (6.4) определенным из уравнения 0 2 2  dt xd , 69 получим 1 п 1 211 T t e T TT x    ; (6.5) 1 1 п п )( T e dt dx T t t   . Рис. 6.3. Методика обработки переходной характеристики инерционного участка объекта Пользуясь уравнением подкасательной, находим 21 п пк п )( 1 TT dt dx x t t    . Постоянная времени Т1 или Т2 может быть вычислена несколь- кими способами, большинство из которых основывается на реше- нии трансцендентных уравнений, например, такого вида:       1 1 2 1 21 B A )1()( 21 2 TT T T T T TT T T , (6.6) где ТА = Т1 + Т2; п )( 1 B t dt dx T  (см. рис. 6.2). 70 Очевидно, вычислять отношение 2 1 T T по формуле (6.6) невоз- можно. Поэтому для вычисления постоянных времени пользуются специальным графиком, что вызывает некоторые неудобства. Более удобен следующий метод вычисления постоянных времени. Сумма постоянных времени Т1 + Т2 находится описанным выше способом. Далее, пользуясь уравнением (6.4), находим 1 п2 2 1 2 221 2 1 п)2(1 T t e T TTTT tx   . (6.7) Введем обозначения а = 1 – хп и b = 1 – x(2tп) (см. рис. 6.2). Из выражений (6.5) и (6.7) получаем (принимая, что Т1 > Т2) 75,05,0 2 21 1   a b TT T . (6.8) Правило определения постоянных времени двух апериодических звеньев, соединенных последовательно, по их переходной функции можно сформулировать следующим образом. Проводится касатель- ная в точке перегиба переходной функции и определяется сумма постоянных времени, равная по своей величине подкасательной кривой 1 – х(t), где х(t) – переходная функция звеньев. Далее нахо- дится величина b, равная динамической ошибке в момент времени t = 2tп, где tп – абсцисса точки перегиба, а – динамическая ошибка в момент времени t = tп. Отношение большей постоянной времени к сумме постоянных времени находится по формуле (6.8). Передаточные функции объектов с запаздыванием для расчета параметров динамической настройки принимают обычно в виде инерционного звена первого порядка с запаздыванием: ре рТ k рW ин )1( )( ин ин ин    , где kин – коэффициент усиления инерционного участка объекта ре- гулирования; 71 τин и Тин – соответственно время запаздывания и постоянная времени инерционного участка, численные значения которых зави- сят от метода аппроксимации. Вначале проводится касательная АВ к переходной характеристи- ке инерционного участка (см. рис. 6.3). Затем участок ab общий для касательной и кривой делится на две равных части. В результате определяется середина участка ab в точке с. Из точки с проводим перпендикуляр. Полученный отрезок СВ обозначаем как Тк – вели- чина подкасательной. Из точки В проводим перпендикуляр к оси времени. Отрезок BD равен коэффициенту усиления участка kин. Отрезок DA обозначим как Та – постоянная времени; ОА – время запаздывания τа. Для расчета численных значений постоянных вре- мени инерционного участка Тин, σин и условного времени запазды- вания τу используют следующие формулы: σин = 0,104 Та = АЕ ; Тин = Тк – σин = СВ – АЕ ; τу = τа – σин = ОА – ЕА . Искомая передаточная функция имеет следующий вид: рр е рТ k е ррТ k рW уу 1)1)(1( )( к ин инин ин ин      , где Тк = Тин + σин. Рассмотрим несколько методов получения численных значений τин и Тин: 1. Методика аппроксимации Купфмюллера. Провести касательную АВ к переходной характеристике инерци- онного участка (рис. 6.4). Опустить перпендикуляр на ось времени. Полученные при этом отрезки обозначим: ОА = τа – время запаздывания, АС = Та – время разгона. Тогда искомая передаточная функция р а ае рТ k pW    1 )( ин1ин . 72 Рис. 6.4. Методика обработки переходной характеристики инерционного участка объекта методом Купфмюллера 2. Методика аппроксимации Гурецкого: Провести касательную АВ к переходной характеристике инерци- онного участка (рис. 6.5). Провести горизонталь до пересечения с переходной характери- стикой на уровне h(t) = 0,632 · kин в точке С. Опустить перпендикуляр CD на ось времени. Полученные при этом отрезки обозначим: ОА = τа – время запаздывания, AD = Т0 – постоянная времени. Искомая передаточная функция имеет вид рае рТ k pW    1 )( 0 ин 2ин . Рис. 6.5. Методика аппроксимации переходной характеристики по методу Гурецкого 3. Методика аппроксимации Ротача. Провести касательную АВ к переходной характеристике инерци- онного участка (рис. 6.6). 73 Найти условную точку перегиба С. Определить координаты точки перегиба С (OD = tп, ОЕ = Δhп). Опустить перпендикуляр BM на ось времени. Полученную подкасательную обозначить DM = Tp. Рассчитать величину запаздывания p a пp ln T T t  , где Та = АМ. Искомая передаточная функция имеет вид p е pT k pW p 1 )( p ин 3ин    . Рис. 6.6. Методика аппроксимации переходной характеристики по методу Ротача Задание 1. Определить численные значения коэффициента усиления и по- стоянных времени опережающего участка по переходной характеристи- ке, снятой со стенда, для исследования динамики изменения параметров систем отопления и горячего водоснабжения в процессе регулирования. 2. Определить численные значения коэффициента усиления, по- стоянных времени и условного времени запаздывания инерционно- го участка по переходной характеристике, снятой со стенда, для ис- следования динамики изменения параметров систем отопления и горячего водоснабжения в процессе регулирования. 74 Контрольные вопросы 1. Преимущества и недостатки определения динамики объекта регулирования с помощью переходных характеристик. 2. Какие методы аппроксимации переходных характеристик объ- екта регулирования знаете? 3. С какой целью необходимо определение численных значений коэффициентов передаточной функции объекта регулирования? 75 Лабораторная работа № 7 ИЗУЧЕНИЕ ЭКСПРЕСС-МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ В ВИДЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ЗВЕНЬЕВ n-го ПОРЯДКА Цель работы: 1. Изучить методику определения динамических характеристик объектов регулирования. 2. Определить параметры оптимальной динамической настройки ПИД-регулятора различными методами. Динамика объекта представлена в виде передаточной функции n- го порядка npT k pW )1( )( oб oб oб   , (7.1) где kоб – коэффициент усиления объекта регулирования; Тоб – постоянная времени объекта регулирования; n – степень уравнения. Разложим знаменатель формулы (7.1) и получим ...1)1( )( 2 21 oб oб oб oб     papa k pT k pW n . (7.2) Передаточная функция (7.2) при степени приближения m = 1 примет вид pb ek papa k pT k pW pt n 11 oб 2 21 oб oб oб oб 1...1)1( )( 31         , где t31 соответствует условному времени запаздывания τу, а b11 – постоянной времени объекта регулирования Тк (4) с запаздыванием: 1 )( y об* oб     pT ek pW K p . 76 Передаточная функция регулятора выглядит следующим образом: pTpW рT pW y ))(( 1 )( здбo ф p    ; у у Т Т     зд ф 1 5,0 , где Тзд – заданное время разгона. Если подставить в передаточную функцию регулятора передаточ- ную функцию Wоб(p) и условное время запаздывания τу = 0, то получим Тф = 0, pTk papa pW здoб 1 2 2 p 1 )(   , что представляет собой передаточную функцию ПИД-регулятора. Настройку ПИД-регулятора можно получить двумя способами: 1. pT рTрT Tk T pW и ди здoб и p )1)(1( )(   , где а1 = Ти + Тд и а2 = Тд·Ти. Время интегрирования 2 4 2 2 11 и aaa T   ; время дифференци- рования 2 4 2 2 11 Д aaa T   ; коэффициент усиления регулятора здoб и p Tk T k  . Если подставить значения постоянных времени а1 и а2 через по- рядок уравнения n, то получим oби 2 )2( T nnn T   ; oбд 2 )2( T nnn T   . 77 При n > 2 получаем корень из отрицательного числа. Так как па- раметры настройки регулятора не могут быть комплексными, то число под корнем необходимо брать по модулю и исследовать при- менимость такого допущения. 2. Передаточная функция ПИД-регулятора запишется следую- щим образом: ) 1 1()( 1 2 1здoб 1 p p a a paTk a pW  , где а1 = Ти, а2 = Тд·Ти; здoб 1 p Tk a k  , 1 2 д a a T  . Если подставить значения постоянных времени а1 и а2 через по- рядок уравнения n, то получим Ти = Тоб · n. Так как зачастую передаточная функция объекта заранее не из- вестна, то существуют методы определения параметров а1 и а2 опытным путем из графика переходной характеристики объекта. Для нахождения коэффициента а1 необходимо найти площадь между кривой переходной характеристики объекта при коэффици- енте усиления, равном 1, и прямой 1(t):  dttha    0 1 )(1 . Для нахождения коэффициента а2 вводится относительное время 1a t  , тогда      dtha )1()(1 0 2 . 78 Для проверки правильности формул необходимо подставить в них переходную функцию реального объекта. Для объекта вида npT k pW )1( )( oб oб oб   переходная функция имеет вид:               1 0 oб бo ! 1)( oб m n n T t nT t ekth . Данная методика сложна в применении, так как расчет коэффи- циента а1 не вызовет сложностей, а расчет а2 будет трудоемким. Для нахождения переходной функции объекта регулирования по графику можно использовать аппроксимацию передаточной харак- теристики по методу БНТУ с дальнейшим использованием обратно- го преобразования Лапласа. Для передаточной функции вида )1)(1( )( 1 oб    ppT e pW py пере- ходная функция имеет вид                t T t e T e T T kth 11 1 бo 11)( , а e-τуp по теореме запаздывания преобразовывается в смещение гра- фика по оси времени вправо на время τу. Коэффициенты а1 и а2 можно также определить с помощью до- полнительных построений на графике переходной характеристики объекта и с использованием дополнительных графиков зависимо- стей промежуточных величин h(t2), λ и от порядка уравнения n. Значение коэффициента а1 определяется по переходной характе- ристике объекта регулирования. Для этого на оси h(t) находим точ- ку А с координатами (0; 0,6321). Проводим параллельно оси t пря- мую до пересечения с кривой в точке В. Затем опускаем перпенди- куляр ВС на ось t и получаем значение времени t1. Полученный от- резок ОС соответствует значению коэффициента а1. После этого 79 находим 22 11 2 at t  . По значению t2 определяем значение h(t2). По рис. 7.2 и h(t2) определяем показатель степени n. Также значение h(t2) можно рассчитать по формуле n nth          2 11 2 )6321,01(1)( и по рис. 7.2 определить n, если пер- воначально задан только график переходной характеристики. Рис. 7.1. График переходной характеристики объекта регулирования в виде последовательно соединенных звеньев n-го порядка Рис. 7.2. График для определения порядка дифференциального уравнения 80 Если порядок уравнения известен, то можно определить коэф- фициент λ по формуле 8 1 ) 12 4 5( 72 1 2   n . По этому уравнению была построена зависимость λ = f(n) (рис. 7.3). По рис. 7.3 можно определить значение λ в зависимости от порядка уравнения. Рис. 7.3. Зависимость λ от порядка уравнения n Для расчета параметров динамической настройки ПИД-регулятора ) 1 1()( 1 2 1здoб 1 p p a a paTk a pW  необходимо определить три пара- метра: время интегрирования Ти; время дифференцирования Тд; ко- эффициент усиления kp. Для этого используем формулы: а1 = Ти = Тоб · n; а2 = Тд · Ти; 2 1 2 a a  => а2 = λ · а12, где λ ≤ 0,5 => Тд = λ · а1; здoб 1 p Tk a k  . При понижении порядка уравнения до первого с запаздыванием, при степени приближения m = 1, передаточная функция объекта регулирования запишется в следующем виде: 81 pb ek papa k pT k рW pt n 11 об 2 21 об об об об 1...1)1( )( 31         , где t31 + b11 = а1 = const. Время разгона Тзд равна времени условного запаздывания, т.е. Тзд = t31 = τу. Отсюда находим 2 2 1131 2aaat  . С учетом того, что а1 = t31 + b11 = const, определяем b11. Находим коэффициент усиления регулятора kp. Для определения параметров динамической настройки ПИД- регулятора по методу полной компенсации в общем виде (МПК ОВ) необходимо использовать следующие расчетные формулы: 1. Передаточная функция регулятора pT pTpTk pW p и ди p )1()1( )(   . 2. Время дифференцирования     зд д 1 5,0 T T , время разгона: 1) Тзд = τу; 2) Тзд = 0,5τу. 3. Время интегрирования Ти = b11. 4. Коэффициент усиления регулятора 31oб 11 p 2 tk b k  . Задание Необходимо определить параметры оптимальной динамической настройки ПИД-регулятора следующими методами: 1. Путем понижения степени уравнения и нахождением соответ- ствующих параметров t31 и b11. 2. По методу полной компенсации в общем виде при условии Тзд = τу. 3. По методу полной компенсации в общем виде при условии Тзд = 0,5τу. 82 Таблица 7.1 Вариант Параметры объекта Тоб kоб n 1 10 1,1 2 2 50 1,5 4 3 30 1 6 4 60 1,4 5 5 100 1,2 3 6 80 1,6 7 В отчете должна быть представлена табл. 7.2 и сделаны выводы: какой метод предпочтителен из условия minдд Тk . Таблица 7.2 Ти Тд Kр Kд Тд · Kд Метод 1 Метод 2 Метод 3 Контрольные вопросы 1. Особенности определения параметров передаточной функции объектов регулирования методом площадей. 2. По какому методу рассчитывались параметры оптимальной динамической настройки ПИД-регулятора? 83 Лабораторная работа № 8 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ФУНКЦИЙ РЕГУЛЯТОРА ТЕМПЕРАТУРЫ РТМ-03А Цель работы: 1. Изучить режимы работы и режимы регулиро- вания РТ. 2. Изучить программирование архива температур. 3. Изучить программирование функции «предел отопления». Режимы работы и режимы регулирования РТ РТ имеет два режима работы – «Автоматический» и «Ручной». Выбор режима «Ручной» выполняется кнопкой . Выбор режима работы «Автоматический» выполняется кнопкой , при этом включается один из режимов регулирования. Выбор режима регу- лирования в автоматическом режиме работы выполняется с помо- щью кнопки . При нажатии этой кнопки последовательно пере- ключаются режимы регулирования. Установленный режим отобра- жается в меню «Основное». В режиме работы «Ручной» можно управлять регулирующими клапанами, насосами, устройствами подпитки вторичного контура. Каждый контур регулирования может быть переведен в режим ра- боты «Ручной» независимо от режима работы других контуров ре- гулирования. Управление исполнительными устройствами осу- ществляется с помощью кнопок . Для ручного управления необходимо выполнить следующие действия: 1) установить ручной режим работы (кнопка ); 2) выбрать в начальном меню индикации раздел «Ручное», нажать кнопку ; 3) кнопкой выбрать устройство для ручного управления; 4) с помощью кнопок выполнить управление регулиру- ющими клапанами, насосами, устройствами подпитки вторичного контура. 84 В режиме работы «Автоматический» для каждого контура ре- гулирования устанавливается свой режим регулирования. В режиме работы «Автоматический» управление исполнительными устрой- ствами выполняет РТ по внутреннему алгоритму. В режиме работы «Автоматический» выполняются следующие режимы регулирования: – режим «СТОП». В этом режиме отопление отключено, клапан закрыт, насос выключен. Если установлена функция «защи- та от замерзания» РТ проводит контроль наружной температуры и температуры теплоносителя. При возникновении угрозы заморажи- вания трубопроводов включается разогрев системы теплоснабже- ния. В режиме «СТОП» может выполняться ежедневная прокрутка насосов. Режим используется для отключения отопления на некото- рое время, определяемое пользователем, но с работающими защит- ными функциями; – постоянно нормальный режим. В этом режиме поддер- живается постоянная температура, заданная пользователем (темпе- ратура горячей воды, температура теплоносителя или температура в помещении); – постоянно пониженный 1; – постоянно пониженный 2. В режимах «постоянно пони- женный 1» и «постоянно пониженный 2» поддерживается посто- янная температура горячей воды, температура теплоносителя или температура в помещении, сниженные на заданную величину; – программный режим. В этом режиме начинается выпол- нение недельной и годовой программ, ранее установленных пользо- вателем. Программа включает в себя команды, переключающие в заданное время режимы регулирования контура, включает и вы- ключает насос. Программирование архива температур Архив температур позволяет отследить температуры за опреде- ленный интервал времени. Для программирования архива темпера- тур необходимо выполнить следующие действия: 85 1) перейти в основное меню программирования. Для этого нажать сочетание кнопок: установка параметров температурного графика и переключение режимов регулирования ; 2) в основном меню программирования кнопками выбрать меню «Архив», нажать . Меню «Архив» имеет вид: 3) в меню «Архив» выбрать меню «Архив температур», нажать . Меню «Архив» имеет вид: Датчики – указываем номера датчиков необходимые для архивирования темпе- ратур. Период – устанавливаем период архи- вирования: Упр-ие – установить функцию пуск «+» для включения архиви- рования. В процессе работы эта функция может быть выключена для приостановки архивирования. Через некоторое время функция может быть включена для продолжения архивирования. Для разрешения работы «по кругу» необходимо включить функцию цикл «+». Если функция цикл «-», то по окончании буфера архива архивирование будет остановлено. Если функция цикл «+», то по окончании буфера программирования РТ начнет запись архива температур с начальной точки. Стереть – выполнить сброс архива. При этом устанавливается начальная точка архива. Ранее запрограммированные значения тем- ператур при этом теряются. Сброс архива с потерей информации выполняется также при изменении номеров архивируемых датчиков температуры и периода архивирования. Программирование функции «предел отопления» Функция «предел отопления» используется: ● для включения и выключения системы отопления по темпера- туре от указанного датчика температуры; 86 ● для защиты системы отопления или трубопровода от замора- живания по температуре от указанного датчика температуры. Для включения функции «предел отопления» необходимо вы- полнить следующие действия: В меню «ЭКО» кнопками выбрать меню «Ф_Предел», нажать и установить параметр «Предел» – Включена. Сохранить значение параметра кнопкой . Меню «Ф_Предел» имеет вид: Функция «Пр-раб» в меню «Ф_Предел» указывает, что должен делать РТ в случае срабатывания функции «предел отопле- ния». Если «Пр-раб» выключено, РТ после срабатывания функции «предел отопления» закрывает клапан. Если «Пр-раб» включено, РТ после срабатывания функции «предел отопления» открывает клапан. Функция используется в двух вариантах. Вариант 1. Настройка в меню «Предел»: датчик температуры 3 – наружный термо- метр. В меню «Ф_Предел» функция «Пр- раб» выключена. В этом случае при наруж- ной температуре выше 15 °С РТ через время Т = 3 ч закроет регулирующий клапан, пре- кратит регулирование. При снижении температуры наружного воз- духа ниже 15 °С РТ через время Т = 3 ч возобновит регулирование. Вариант 2. Настройка в меню «Предел»: датчик температуры 3 – наружный термометр. В меню «Ф_Предел» функция «Пр-раб» 87 включено. В этом случае при наружной температуре ниже –15 °С РТ через время Т = 3 ч откроет регулирующий клапан, прекратит регулирование. При увеличении температуры наружного воздуха выше –15 °С РТ через время Т = 3 ч возобновит регулирование. Задание Рис. 8.1. Схема лабораторной установки 1. Начать архивировать температуру в соответствии с вариантом. 2. Включить тумблеры «Насос 1» и «Насос 2». 3. Установить функцию «предел отопления» по соответствую- щим датчикам температуры. 4. Установить режим «Программный» на компьютере. 5. Внести в отчет график изменения температуры по соответ- ствующим датчикам температуры («Чтение архива»). 6. Выключить тумблеры «Насос 1» и «Насос 2». Вариант № датчика температуры для архива Время архиви- рования, мин № датчика для функции «предел отопления» Время ожида- ния срабаты- вания функ- ции, ч 1 1, 2, 3, 7 15 2 0,1 2 4, 5, 6, 7 15 7 0,1 3 2, 4, 6, 7 15 3 0,1 4 5, 3, 1, 7 15 4 0,1 Войти в программу для работы с регулятором РТМ -03А. Вы- брать закладку «Установить режим программирования». Выбрать закладку «Архивы». Выбрать закладку «Арх. компьютером» и 88 установить в полях номера датчиков, необходимых для архивиро- вания. После установления всех значений необходимо нажать на закладку «ЗАПИСЬ» Выбрать закладку «Функции». Выбрать закладку «Предел отоп- ления». Установить «v» в поле «Предел». Внести согласно вариан- ту данные: номер датчика температуры; уровень срабатывания; время срабатывания. Гистерезис – это зона нечувствительности. Значение гистерезиса – 2 °С. После установления всех значений необходимо нажать на закладку «ЗАПИСЬ». После чего нажать закладку «Отменить режим программирования». Для проверки, правильно ли внесены изменения в работу системы, необходимо нажать на закладку «ЧТЕНИЕ». Для установления режима «Про- граммный» войти в закладку «Управление». 89 Примечание: Перед началом проведения работ проверьте, открыт или закрыт регулирующий клапан, так как это связано с выбором знака в про- цессе регулирования температуры. Следует помнить, что если регулиру- ющий клапан закрыт, то необходимо установить знак «<». И наоборот, если регулирующий клапан открыт, то следует установить знак «>». Контрольные вопросы 1. Назовите режимы работы РТ. 2. Назовите режимы регулирования РТ. 3. Каким образом осуществляется программирование архива температур? 4. Каким образом осуществляется программирование функции «предел отопления»? 90 Лабораторная работа № 9 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НАСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПЛЕНИЯ ПО ТГ Цель работы: 1. Изучить возможные типы контуров регули- рования. 2. Изучить программирование типа контура регулирования. 3. Изучить программирование параметров для работы системы регулирования отопления по ТГ. Типы контуров регулирования ● тип контура регулирования 1 – ГВС: РТ поддерживает за- данную (постоянную) температуру теплоносителя (горячей воды); ● тип контура регулирования 2 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру теплоносителя в соответствии с отопительной кривой ТГ в зависимости от температуры наружного воздуха; ● тип контура регулирования 3 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру в помещении; ● тип контура регулирования 4 – ОТОПЛЕНИЕ: РТ поддер- живает температуру теплоносителя в соответствии с отопительной кривой ТГ в зависимости от температуры наружного воздуха с кор- рекцией по температуре в помещении. Просмотр типа контура регулирования В процессе работы РТ регулирует температуру теплоносителя и формирует управление исполнительными устройствами в зависи- мости от установленного типа контура регулирования по информа- ции от набора датчиков температуры. Для каждого типа контура регулирования необходим свой обязательный набор датчиков тем- пературы. При неработоспособности одного из своих обязательных датчиков температуры РТ формирует аварийные типы контура ре- гулирования. В идеале установленный тип контура регулирования и рабочий тип контура совпадают. Для просмотра типа контура регу- лирования необходимо выполнить следующие действия: 91 1) в начальном меню индикации кнопками выбрать меню «Система» и нажать кнопку . Меню «Система» имеет вид: 2) в меню «Система» кнопками выбрать меню «Настройка», нажать . Меню «Настройка» имеет вид: К1 – тип первого контура 1/1, уста- новлен тип контура 1, рабочий тип кон- тура 1; К2 – тип второго контура 2/2, уста- новлен тип контура 2, рабочий тип кон- тура 2; К3 – 0/0 контур отсутствует. Примечание: в случае когда цифры (например, 2/2) совпадают, РТ ра- ботает нормально, в случае несовпадения (например, 2/9) – РТ работает в аварийном режиме, следовательно, следует проверить ошибки и преду- преждения и принять меры по их устранению. Программирование параметров для работы системы регулирования отопления по ТГ Для системы регулирования отопления по ТГ используется тип контура регули- рования 2. Для настройки регулирования отопления по ТГ необходимо выполнить следующие действия: 1) перейти в меню установки параметров ТГ. Для этого в начальном меню работы РТ нажать кнопку . Меню установки пара- метров ТГ имеет следующий вид: Выбранный параметр подчеркнут. Пере- бор параметров осуществляется по кругу – кнопка . Изменение параметров – кноп- ки . Сохранение параметров – . Выход из меню – . Для работы системы регулирования отоплением по ТГ устанав- ливаются следующие параметры: а) tОСН – температура основания; 92 б) Кру1– крутизна первого участка; в) Кру2 –крутизна второго участка; г) tmax – максимальная температура теплоносителя; д) tmin – минимальная температура теплоносителя; е) tперег – температура перегиба. Назначение коэффициентов ТГ: ● tОСН – температура основания ТГ – температура наружного воздуха, при которой начинается подъем ТГ, т.е. если температура наружного воздуха tH больше температуры основания tОСН, РТ под- держивает минимальную температуру теплоносителя (tT = tmin); если температура наружного воздуха tH меньше температуры основания tОСН, РТ увеличивает температуру теплоносителя в соответствии с отопительной кривой ТГ до тех пор, пока температура наружного воздуха не будет меньше Kmax, РТ будет поддерживать макси- мальную температуру теплоносителя (tmax). Вид температурного графика показан на рис. 9.1; ● Кру1 – крутизна первого участка отопительной кривой (первый участок отопительной кривой – это диапазон температур наружного воздуха от температуры основания до температуры перегиба); ● Кру2 – крутизна второго участка отопительной кривой (вто- рой участок отопительной кривой – это диапазон температур наружного воздуха от температуры перегиба до Kmax). Крутизна первого и второго участка определяет, на какую величину изменит- ся температура теплоносителя tT с изменением температуры наруж- ного воздуха tH; ● tmax – максимальная температура теплоносителя. Ограничи- вает значение максимальной температуры теплоносителя ТГ; ● tmin – минимальная температура теплоносителя. Ограничива- ет значение минимальной температуры теплоносителя ТГ; ● tперег – температура перегиба. Наружная температура начала второго участка крутизны ТГ; ● Kmax – температура наружного воздуха для tmax; ● tн – температура наружного воздуха; ● tт – температура теплоносителя. 93 Рис. 9.1. Температурный график Программирование функции «усреднение наружной температуры» Функция позволяет при расчете ТГ использовать усредненную температуру наружного воздуха. Это позволяет уменьшить колеба- ния температуры теплоносителя, подаваемого на здание, использо- вать аккумулированное зданием тепло. Для включения функции «усреднение наружной температуры» необходимо в меню «Ком- пен-ия» установить параметр «Ф_tнср» – Включена. Для работы функции «усреднение наружной температуры» необходимо уста- новить следующие параметры: «ТкомпВ» – время усреднения наружной температуры. 94 Задание Рис. 9.2. Схема лабораторной установки 1. Начать программирование параметров для работы системы регулирования отопления по ТГ в соответствии с вариантом. 2. Включить тумблеры «Насос 1» и «Насос 2». 3. Установить функцию «усреднение наружной температуры» в соответствии с вариантом. 4. Установить режим регулирования «постоянно пониженный 1» или «постоянно пониженный 2», в которых поддерживается постоянная температура горячей воды, температура теплоноси- теля или температура в помещении, сниженные на заданную величину. 5. Внести в отчет ТГ в соответствии с вариантом задания. 6. Выключить тумблеры «Насос 1» и «Насос 2». 95 Вари- ант tОСН tmax tmin Кру1 Кру2 Кmax Кп tперег ТкомпВ, ч 1 18 45 25 0,2 4,5 –13 31 –10 0,15 2 20 60 24 1,5 0,7 –20 46 5 0,2 3 21 53 28 0,7 1,2 –5 36 9 0,17 4 19 48 23 0,2 1,0 –15 25 7 0,14 5 22 58 26 1,0 0,4 –22 51 –2 0,19 Войти в программу для работы с регулятором РТМ-03А. Вы- брать закладку «Установить режим программирования». Выбрать закладку «Управление». В окне «Тип контура» выберите установ- ленный тип контура – К2 «График», рабочий – К2 «График». По- сле установления типа контура необходимо нажать на закладку «ЗАПИСЬ». 96 Перейдите по закладке «Температурный график». Внесете па- раметры в соответствии с вариантом. Измените контур регулирова- ния на «Контур 2». После установления параметров необходимо нажать на закладку «ЗАПИСЬ КОЭФФИЦИЕНТОВ». Для включения функции «Усреднение наружной температу- ры» необходимо перейти на закладку «Функции» и выбрать под- раздел «Усреднение». Установить «v» в поле «Расчет температур- ного графика по усредненной температуре наружного воздуха». Установить «Время усреднения наружной температуры» в соответ- ствии с вариантом. Изменить контур регулирования на «Контур 2». После установления всех значений необходимо нажать на закладку «ЗАПИСЬ». После чего нажать закладку «Отменить режим про- граммирования». Для проверки, правильно ли внесены изменения 97 в работу системы, необходимо нажать на закладку «ЧТЕНИЕ». Для установления режима «постоянно пониженный 1» или «постоян- но пониженный 2» войдите в закладку «Управление». Контрольные вопросы 1. С какой целью осуществляется программирование настроеч- ных параметров регулятора по ТГ? 2. Каким образом можно выбрать тип контура регулирования? 3. В чем сущность программирования параметров для работы системы регулирования отопления по ТГ? 98 Лабораторная работа № 10 ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НАСТРОЕЧНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И ФУНКЦИЙ НАСОСА СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ГВС Цель работы: 1. Изучить настроечные коэффициенты и функ- ции насоса. 2. Изучить программирование функции насоса. При подготовке РТ к работе возможно изменение значений ко- эффициентов и функций насоса для каждого контура регулирова- ния. Для перехода в меню программирования коэффициентов и функций насоса необходимо: Выбор номера контура осуществляется кнопкой . Перебор па- раметров – . Изменение параметров – кнопки . Сохране- ние параметров – кнопка . Выход из меню – кнопка . Перечень коэффициентов и функций насоса: 1. «Предел» – функция «работа насоса по пределу отопления»; 2. «Н_темп» – функция «работа насоса по температуре»; 3. «Резерв» – функция «резервирования насоса»; 4. «Охрана» – функция «защита насоса от сухого хода»; 5. «РезВр» – функция «работа насоса по времени»; 6. «СбрОш» – функция «сброс ошибок насоса»; 7. «Трез» – время работы насосов; 8. «Твкл» – задержка на включение насоса (с); 9. «Твыкл» – задержка на выключение насоса (с); 10. «Прокр» – функция «прокрутка насосов»; 11. «Тпрокт» – время включения прокрутки насосов. 99 Программирование функции «работа насоса по температуре» Функция управляет насосами по температуре. Для включения функции «работа насоса по температуре» необходимо установить параметр «Н_темп» – Включена. Для работы функции «работа насоса по температуре» нужно установить следующие параметры в меню Упр. По_Т: 1) номер датчика температуры; 2) уровень срабатывания; 3) время срабатывания. Пример. Насос включится через три секун- ды при снижении температуры, определенной по датчику 3 ниже 15 °С. Программирование функции «работа насоса по времени» Функция управляет насосами по заданному интервалу времени. Для включения функции «работа насоса по времени» необходимо установить параметр «РезВр» – Включена. Для работы функции «работа насоса по времени» нужно установить следующие пара- метры: «Трез» – интервал работы насосов (ч). Задание 1. Выполнить программирование функции «работа насоса по температуре». 2. Выполнить программирование функции «работа насоса по времени». Вариант № датчика температуры Твкл, с Трез, ч 1 7 15 0,1 2 3 20 0,1 3 4 25 0,1 4 1 10 0,1 Последовательность действий: Первый способ: 1. Войти в режим программирования. 2. Выбрать раздел «Насос». 3. Выбрать подраздел «Функции». В подразделе «Функции» установить следующие параметры: «Н_темп» – Включена. Выйти из подраздела «Функции». 100 4. Выбрать подраздел «Упр По Т». Установить в подразделе следующие параметры: а) № датчика температуры; б) уровень сра- батывания; в) время срабатывания. 5. Выйти в основное меню. Второй способ: Пункты 1, 2, 3 первого способа совпадают. 4. Войти в программу для работы с регулятором РТМ-03А. Вы- брать закладку «Установить режим программирования». Выбрать закладку «Функции». Выбрать закладку «Насосы». Установить ре- жим «Включение по t». Внести согласно варианту данные: номер датчика температуры; уровень срабатывания; время срабатывания. Гистерезис – это зона нечувствительности. Значение гистерезиса – 2 °С. Установить «v» в поле «РезВр» – Работа насосов по времени. В поле «Трез» установить значение времени согласно варианту. После установления всех значений необходимо нажать на за- кладку «ЗАПИСЬ». После чего нажать закладку «Отменить режим программирования». Для проверки правильно ли внесены измене- ния в работу системы, необходимо нажать на закладку «ЧТЕНИЕ». 101 Контрольные вопросы 1. Назовите настроечные коэффициенты насоса систем отопле- ния и ГВС. 2. Укажите функции насоса систем отопления и ГВС. 3. Каким образом осуществляются программирование функций и работа насоса по температуре? 4. Каким образом осуществляются программирование функций и работа насоса по времени? 102 ЛИТЕРАТУРА 1. Кулаков, Г.Т. Инженерные экспресс-методы расчета промыш- ленных систем регулирования: справочное пособие / Г.Т. Кулаков. – Минск: Вышэйшая школа, 1984. – 192 с. 2. Кулаков, Г.Т. Анализ и синтез систем автоматического регу- лирования / Г.Т. Кулаков. – Минск: УП «Технопринт», 2003. – 135 с. 3. Кузьмицкий, И.Ф. Теория автоматического управления: учеб- ное пособие для студентов специальности «Автоматизация техно- логических процессов и производств» / И.Ф. Кузьмицкий, Г.Т. Ку- лаков. – Минск: БГТУ, 2006. – 486 с. 4. Справочник по наладке автоматических устройств контроля и регулирования: в 2 ч. / сост.: В.А. Дубровный [и др.]. – Киев: Нау- кова думка, 1976. – Ч. 1. – 940 с. 5. Плетнев, Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для студентов вузов / Г.П. Плет- нев. – 4-е изд., стереот. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 352 с.: ил. 6. Ротач, В.Я. Теория автоматического управления: учебник для вузов / В.Я. Ротач. – 4-е изд., стереот. – М.: Издательский дом МЭИ, 2007. – 400 с. 103 СОДЕРЖАНИЕ Правила техники безопасности и противопожарные требования при проведении лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Особенности проведения эксперимента по снятию переходных характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Лабораторная работа № 1 Изучение работы стенда для исследования динамики систем отопления и горячего водоснабжения в процессе регулирования с последующей передачей основных технологических параметров на ПК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Лабораторная работа № 2 Изучение принципа действия регулятора температуры РТМ-03А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Лабораторная работа № 3 Изучение способов подключения и взаимодействия регулятора температуры РТМ-03А с ПЭВМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Лабораторная работа № 4 Изучение принципа действия теплосчетчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Лабораторная работа № 5 Динамические характеристики идеального и реального ПИД-регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Лабораторная работа № 6 Изучение экспериментальных методов определения динамических характеристик объектов регулирования с помощью переходных характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Лабораторная работа № 7 Изучение экспресс-методов идентификации объектов регулирования в виде последовательного соединения инерционных звеньев n-го порядка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 104 Лабораторная работа № 8 Изучение основ программирования функций регулятора температуры РТМ-03А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Лабораторная работа № 9 Изучение основ программирования настроечных параметров для работы системы регулирования отопления по ТГ . . . . . . . . . . . . . 90 Лабораторная работа № 10 Изучение основ программирования настроечных коэффициентов и функций насоса систем отопления и ГВС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 105 Учебное издание ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ Лабораторные работы для студентов специальности 1-53 01 04 «Автоматизация и управление теплоэнергетическими объектами на ТЭС» на стенде-тренажере систем автоматизации отопления и горячего водоснабжения С о с т а в и т е л и : КУЛАКОВ Геннадий Тихонович ГОРЕЛЫШЕВА Марина Леонидовна ВОЮШ Николай Викторович Редактор Л.Н. Шалаева Технический редактор О.В. Дубовик Компьютерная верстка О.В. Дубовик Подписано в печать 27.11.2009. Формат 60841/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 6,05. Уч.-изд. л. 4,77. Тираж 100. Заказ 1. Издатель и полиграфическое исполнение: Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0494349 от 16.03.2009. Проспект Независимости, 65. 220013, Минск.