Регулирование концентрации кислоты. Структурная схема САУ. Выбор элементов и расчет их передаточных функций

Электрохимические ванны предназначены для электрохимической отделки поверхности металлов, в основном стали серной кислотой. Данный процесс используется для снятия заусениц, ржавчины, кромки, шлифования. Повышение уровня автоматизации работы электрохимических ванн, обеспечивает применение микропроцессорных средств. Автоматическое управление следит за ходом технологического процесса с одновременной подачей сигналов на пульт оператора-технолога. Вывод информации осуществляется с помощью сигнальных ламп на панели приборов и дисплея. Что позволяет оператору иметь полную информацию о состоянии технологического процесса.

С помощью управляющей клавиатуры в память микропроцессора программируется тип выполняемой работы. Выбранный тип работы и содержание серной кислоты высвечиваются на дисплее. При возникновении аварийных ситуаций срабатывает клапан, открывающий заслонку, и происходит слив серной кислоты. Это фиксируется на дисплее. Одновременно ЭВМ регистрирует расход серной кислоты.

Структурная схема САУ

Uk                             U                                 n      

	МП		ЦАП		Ус		Насос		Емк-ть		Клапан

 

Система автоматического управления состоит:

1.  микропроцессора, выполняющего функции задатчика, сравнивающего устройства,

2.  двигателя, использующегося в качестве элемента управления,

3.  насоса, или исполнительного механизма,

4.  концентратомера (измерительного органа) 

5.  рабочей емкости

6.  клапана

7.  усилителя

При помощи микропроцессора устанавливается требуемое значение регулируемой величины – концентрации кислоты. Сведения о действительном значении концентрации кислоты в рабочей емкости получают от специального измерительного органа – концентратомера. Информация о заданном и фактическом значении концентрации кислоты преобразуется в пропорциональное значение напряжения электрического тока. Заданное и фактическое значения напряжения сравниваются в микропроцессоре. Микропроцессор посылает команду элементу управления (двигателю), и двигатель включает исполнительный механизм (насос), который закачивает серную кислоту, на время, пока  концентрация не достигнет требуемого уровня.

Целью исследуемой системы является подержание заданного уровня концентрации кислоты.

Выбор элементов и расчет их передаточных функций

Выбор микропроцессора.

Выберем микропроцессорное программируемое цикловое устройство (МЦПУ), которое предназначено для циклового двухпозиционного управления манипуляторами и технологическим оборудованием, так как его особенностью является управление автоматическими линиями при автоматизации технологических процессов.

Тип управления: цикловой, программно логический.

Программируемые функции:

1)  обращение к программам,

2)  формирование выдержек времени,

3)  прием информации, поступающей от датчиков состояния оборудования,

4)  организация условных и безусловных переходов по программе.

Режим работы:

1) под управлением программы, записанной в память рабочих программ (автоматическое управление),

2) пошаговое выполнение программы,

3) запись команд в память рабочих программ (программирование),

5)  просмотр программы (вывод на индикацию содержимого памяти рабочих программ).

Число клавиш для ввода информации……………………………………….17

Тактовая частота, МГц……………………………………………………….4,7

Система счисления при вводе информации с клавиатуры пульта управления и вывода ее на дисплей…………………………………………………………...16-ричная

Период дискретности, с………………………………………………………..8

Наработка на отказ, ч……………………………………………не менее 5000

Напряжение питающей сети, В……………………………………………..220

Выбор АЦП

Разрядность…………………………………………………………………..12

Время преобразования, мкс…………………………………………………170

Входное напряжение………………………………………………………… 5

Выходное напряжение………………………………………………………. 2,4

Выбор ЦАП

Разрядность…………………………………………………………………..12

Время установления, мкс……………………………………………………0,4

Входное напряжение………………………………………………………... 2,4

Выходное напряжение……………………………………………………….. 5

Выбор двигателя

Выберем двигатель постоянного тока ДПТ .(т.к. он должен работать в сырости в кислоте).

Технические характеристики :

Номинальная мощность (Р_ном),кВт…………………………………………………...90

Номинальная частота вращения (n_ном), об/мин…………………………………...1500

Напряжение (U_н), В………………………………………………………………….440

Ток якоря (I_я), А……………………………………………………………………...226

КПД (h), %…………………………………………………………………………...88,6

Максимальная частота вращения (n_max), об/мин………………………………….3600

Момент инерции (J), 10^-2кг м²……………………………………………………...1,42

Сопротивление обмотки при 15 ⁰С (R_a), Ом………………………………………0,92

Момент нагрузки (М_ном), Нм…………………………………………………………95

Передаточную функцию ДПТ.

·  Найдем коэффициент момента инерции

                                                                           

·  Найдем коэффициент противоЭДС

        

·  Коэффициент демпфирования равен

                          

·  Определим механическую постоянную времени

                                                                  

·  Определим коэффициент двигателя

                                                                     

·  Передаточная функция двигателя запишется в виде

где

тогда

Выбор насоса

Выберем аксиально-плунжерный насос НП-90, (так как он предназначен для применения в системах перекачки кислот).

Технические характеристики:

Рабочий объем (номинальный), см³……………………………………...…………..89

Частота вращения при номинальном давлении, с^-1

Номинальная…………………………………………………………………..25

Максимальная……………………………………………………………...43,16

Подача (расход) насоса (номинальная), л/мин…………………………………119,71

Давление в гидролинии высокого давления (номинальное), МПа……...……...22,05

КПД насоса не менее………………………………………………………………..0,89

Масса насоса, кг…………………………………………………………….не более 78

Номинальная потребляемая мощность насоса, кВт……………………………..55,37

Номинальный крутящий момент, Нм………………………………….не менее 248,3

Аксиально-плунжерный насос – это объемный насос, рабочий орган которого – плунжер (поршень, имеющий длину, значительно превышающую диаметр) – совершает возвратно-поступательное движение.

Передаточная функция насоса имеет вид:

                                                                 

где k_н – передаточный коэффициент насоса,

                                                                         где D – диаметр плунжера, h – ход плунжера , z – число плунжеров,

D = 25 см , h = 0,75 см ,z = 1.

                                                                  

Передаточная функция насоса:

                                                                                       

Выбор рабочей емкости

Выбираем стандартную емкость, т.к. он предназначен для электротехнических работ.          Технические характеристики:

Удельный вес жидкости g, Н/м³ ………………………………………………1,87*10³

Максимальная высота подъема жидкости h₀ , м…………………………………...…1

Ускорение свободного падения g, м/с………………………………………………9,8

Плотность кислоты P, кг/м³ ………………………………………………...0,1903*10³

Передаточная функция  емкости:

,                                                                      где

Выбор клапана

Выберем электромагнитный клапан.

Технические характеристики:

Максимальное напряжение на обмотке U_max, В……………………………………100

Нагрузка на обмотке P_н, Вт…………………………………………………………….1

Максимальная частота работы y, Гц……………………………………………….200

Вес якоря, гр………………………………………………………………..не более 4,7

Вес реле, гр………………………………………………………………...не более 140

Передаточная функция  такого  клапана (реле):

              

Выбор концентратомера

Выберем электрический концентратомер, т.к. он предназначен для измерения концентрации серной кислоты.  При изменении концентрации кислоты, проходящей через его корпус