Автоматизированная система управления компрессорной установки

2. Совместная работа нагнетателей

В состав технологических схем подачи, как правило, несколько нагнетателей. Совместная работа нагнетателей в большинстве случаев вызвана следующими причинами:

? один нагнетатель не может обеспечить требуемую подачу или давление, а замена его другим, более мощным, невозможна;

? в процессе эксплуатации в соответствии с требованиями техно-логического процесса возникают режимы, связанные с продолжительным изменением расхода и сопротивления сети (изменение режима осуществляется отключением одного из нагнетателей);

? требуется обеспечить надежность работы всей системы в целом;

? архитектурно-планировочные решения зданий приводят к со-зданию сложных разветвленных сетей, для регулирования которых с наибольшей эффективностью требуется установка нескольких нагнетателей.

Включение нагнетателей в совместную работу может быть па-раллельным, последовательным и смешанным (комбинированным).

3. Параллельное включение нагнетателей

Параллельное включение двух и большего числа нагнетателей рекомендуется тогда, когда требуется увеличение подачи, а соответствующее увеличение частоты вращения рабочего колеса или размеров нагнетателя невозможно из-за чрезмерного усиления шума, конструктивных или архитектурно-планировочных причин.

Известны три основные схемы параллельного включения нагнетателей: полностью параллельное включение (рис. 2.5.3, а) и полупараллельное включение по схемам, показанным на рис. 2.5.2, б и в.

На рис. 2.5.3 в сеть включены нагнетатели с одинаковыми характеристиками. Для упрощения анализа пренебрежем сопротивлением индивидуальных участков сети (участки 1 - 2). В этом случае, как и в случае любого совместного включения, главным является определение режима работы не только всей системы в целом, но и каждого из нагнетателей. Функциональная зависимость давления нагнетателя от его подачи сложна и чаще всего задается графически в виде характеристики P=f(L), поэтому наиболее простой способ анализа - графический. Обычно применяют метод суммарной характеристики нагнетателей.

Рис. 2.5.3

Давления, создаваемые каждым нагнетателем в точках 1 и 2, одинаковы, а общая подача равна сумме подач отдельных нагнетателей. Отсюда следует правило построения суммарной характеристики параллельно включенных нагнетателей: при одинаковом давлении нужно сложить подачи.

Построение суммарной характеристики давления показано на рис. 2.5.4. Абсциссы а, представляющие собой подачу одного нагнетателя, суммируются при каждом значении давления. При включении нагнетателей в сеть с характеристикой (1 + 1) режим работы определяется точкой А. При этом суммарная подача нагнетателей определяется величиной LA(1+1) а суммарное давление - величиной Р1(1+1), при этом Р1(1+1) = РА(1+1), т.е. давление, создаваемое каждым нагнетателем при совместной работе, равно суммарному давлению. Подача каждого нагнетателя составляет половину общей и может быть определена графически по положению точки А", т. е. L1(1+1) = 0.5LА(1+1) = LA. КПД обоих нагнетателей равен КПД каждого из них и определяется пересечением ординаты, проходящей через точку А", с характеристикой КПД нагнетателя. Пересечение этой ординаты с характеристикой мощности определяет затраты мощности каждым нагнетателем. Суммарные затраты мощности равны сумме мощностей отдельных нагнетателей: NA(l +1) = 2N1(1+1).

Рис. 2.5.4

При отключении одного из нагнетателей характеристика сети P(L(1)) становится круче вследствие уменьшения площади поперечного сечения для прохода воздуха между точками 1 и 2. Рабочая точка переходит из положения А в положение А! (см. рис. 4.14). При этом параметрами работы нагнетателя становятся L1(1) > L1(1+1), P1(1) < P1(1+1) и N1(1) > N1(1+1). Это приводит к перегреванию обмоток электродвигателя. Поэтому при выключении одного из нагнетателей его индивидуальный участок необходимо перекрыть клапаном (чтобы исключить бесполезное перетекание газа по нему из-за разности давлений Р2 - Р1), а в сеть оставшегося в работе нагнетателя ввести дополнительное давление РШ так, чтобы рабочая точка переместилась в положение А". При этом затраты мощности составляют N1(1+1), и перегревания электродвигателя не происходит.

Построение суммарной характеристики нагнетателей с разными характеристиками в принципе не отличается от предыдущего построения.

При параллельной работе нагнетателей с разными характеристиками представляется целесообразным определять средний КПД нагнетателей:

(2.5.1)

Из формулы (2.5.1) следует, что более мощные нагнетатели должны работать с максимальным КПД, а регулировать расход в системе целесообразнее менее мощным нагнетателем.

Рассмотренный выше метод построения суммарной характеристики нагнетателей можно применять при любом числе нагнетателей.

4. Последовательное включение нагнетателей

Последовательное включение двух или большего числа нагнетателей применяется тогда, когда давление, создаваемое одним нагнетателем, недо-статочно для преодоления сопротивления сети.

При последовательном включении одно и то же количество газа последовательно перемещается всеми нагнетателями, а давление, необходимое для преодоления сопротивления всей сети, равно сумме давлений, создаваемых каждым нагнетателем. Так как кинетическая энергия, сообщенная потоку первым нагнетателем, не теряется на удар, то общее статическое давление больше суммы статических давлений отдельных нагнетателей. Например, три одинаковых последовательно включенных нагнетателя создают полное давление 3P1(1+1+1).

Если нагнетатель включить последовательно с более мощным, то его подача может увеличиться до значений, гораздо больших, чем его собственная максимальная подача. При этом он станет сопротивлением для более мощного нагнетателя, т. е. при сохранении направления подачи (L > 0) разность давлений с обеих сторон нагнетателя изменит знак.

Работа нагнетателя возможна при L >0 и Р > 0 (1 квадрант), при L < 0 и Р > 0 (II квадрант), при L > 0 и Р < 0 (IV квадрант). Работа нагнетателя в III квадранте невозможна, так как поток не может пойти в обратном направлении через нагнетатель (L < 0) при давлении перед нагнетателем большим, чем за ним. Обычно характеристику снимают только в I квадранте, т. е. при нормальной работе нагнетателя, тем более что для снятия характеристики во II и IV квадрантах требуется специальное оборудование.

5. Система управления компрессором с преобразователем частоты

Наиболее современным является регулирование с помощью преобра-зователей частоты, которые позволяют плавно регулировать частоту вращения электродвигателя компрессора и поддерживать давление в системе при разных расходах перекачиваемого газа. При малых расходах газа двигатель компрессора вращается с малой скоростью, необходимой только для поддержания номинального давления, и не расходует лишней энергии. При увеличении расхода газа преобразователь увеличивает частоту вращения электродвигателя, повышая производительность компрессора при сохранении заданного давления.

На рис. 2.5.5 показана функциональная схема регулирования электродвигателя компрессора с использованием преобразователя частоты Micromaster440 фирмы «Siemens». На вход системы подаются сигналы задания давления и сигнал реального давления, получаемый с датчика давления, установленного в цепи обратной связи. Отклонение между реальным и заданным значениями давления преобразуется ПИД-регулятором в сигнал задания частоты для преобразователя. Под воздействием сигнала задания преобразователь изменяет частоту вращения электродвигателя компрессора и стремится привести разность между заданным и реальным значениями к нулю.

Рис. 2.5.5

Данная схема является модульной и применима для создания проекта, в котором будет реализован алгоритм управления.

Современные преобразователи частоты позволяют создавать системы управления (СУ) без дополнительных аппаратных средств, так как имеют встроенные программные функции, позволяющие реализовывать узел сравнения и ПИД-регулятор. Однако в сложных системах регулирование давление в системе с использованием простых средств регистрации не дает желаемого эффекта. Поэтому, данный способ регулирования совмещают с микропроцессорной системой управления.

Рис. 2.5.6

Система управления (рис. 2.5.6) включает в себя микропроцессорную систему и преобразователь частоты, позволяющий регулировать подачу компрессора изменением его частоты вращения. Функции принадлежности входных и выходных сигналов, правила принятия решений формируются на основе программы, разработанной и внедренной в контроллер данной системы, следящей за ходом технологического процесса.

Значение давления Р определяется датчиком давления, сигнал с которого после двенадцатиразрядного аналого-цифрового преобразования поступает в микропроцессорную систему управления в виде целого числа (от 0 до 4000).

Для более качественного управления процессом в системе используется динамико математическое моделирование, в котором часто фигурирую сложные формы анализа состояния среды. Система также оперирует косвенными переменными, участвующими в вычислении, в частности такие как: скорость изменения давления vР, которая учитывает динамику протекания процесса, и задает особенности внутреннего лексикона задания переменных регулирования.

Для регулирования с помощью преобразователя частоты скорости электропривода компрессора используется сигнал задания скорости щ, который поступает с выхода цифроаналогового преобразователя микропроцессорной системы управления. Формированием управляющего сигнала обеспечивается изменение частоты вращения щ, которое определяется целым числом. В лингвистических переменных управление изменением частоты вращения может быть представлено несколькими уровнями, в зависимости от степени регулирования и сложности динамики.

На основе принципов работы и регулирования составляются основные правила функционирования. Если анализировать все возможные состояния условий, то для этого составляется сводная таблица условий, в которой столбцы соответствуют условиям одного параметра, строки - условиям другого параметра, а на их пересечениях записываются выводы, соответ-ствующие этим условиям.

Делая вывод, можно сказать что, применение частотно-регулируемого привода дополнительно обеспечивает следующее:

­ Снижается износ коммутационной аппаратуры из-за отсутствия больших пусковых токов при включении двигателя компрессора.

­ Оптимизация давления в пневмосети снижает утечки сжатого воздуха.

­ Увеличивается срок службы электродвигателя из-за снижения его нагрузки и отсутствия тяжёлых пусковых режимов.

3. СОЗДАНИЕ ЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КУ

3.1 Анализ и разработка структурной схемы конструктивных и технологических элементов механизма движения поршневого компрессора

Поршневой компрессор относится к классу сложных систем. Общая численность конструктивных элементов (КЭ) и технологических элементов (ТЭ) может составлять 104-106 единиц.

Одним из решений проектирования сложных конструктивных схем является внедрение современных информационных технологий и методик в общем и CALS-методологии в частности. Концепция и стандарты CALS определяют набор правил и регламентов, в соответствии с которыми строится взаимодействие субъектов.

Использование новых информационных технологий неизбежно влечет за собой пересмотр существующих принципов и методов проектирования. Сегодня уже не достаточно получения геометрической или математической модели проектируемого изделия и набора чертежей. В процессе моделирования необходимо получать динамические пространственные модели, отражающие полную структуру изделия, его взаимодействие с оборудованием. Создание полной электронной модели изделия - основная задача CALS-технологии.

Согласно принципам разработка любой сложной системы должна начинаться со структурно-функционального анализа и моделирования ее в целом и всех ее подсистем в частности. Для этого применяется семейство методологий моделирования IDEF, позволяющее исследовать структуру, параметры и характеристики объектов моделирования. В настоящее время стек методологий IDEF включает ряд частных методологий для моделирования систем, в том числе:

IDEF0 - методология моделирования, используемая для создания функциональной модели, с помощью наглядного графического языка IDEF0, отображающая структуру, процессы и функции системы в виде набора взаимосвязанных функций (функциональных блоков), а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями. Моделирование средствами IDEF0 является первым этапом изучения любой системы;

IDEF1 - применяется для построения информационной модели, отображающей структуру и содержание информационных потоков внутри системы, необходимых для поддержки функций системы. Позволяет отображать и анализировать их структуру и взаимосвязь;

IDEF1X (IDEF1 Extended) - методология построения реляционных структур. IDEF1X относится к типу методологий «Сущность-взаимосвязь» и используется для моделирования реляционных баз данных, имеющих отношение к рассматриваемой системе;

IDEF2 - методология динамического моделирования развития систем, позволяющая создавать динамическую модель меняющихся во времени поведения функций, информации и ресурсов системы;

IDEF3 - методология моделирования процессов, происходящих в системе, предназначенная для создания сценариев и описания последовательности операций для каждого процесса;

IDEF4 - методология объектно-ориентированного проектирования и анализа систем. Средства IDEF4 позволяют наглядно отображать структуру объектов и принципы их взаимодействия, позволяя анализировать и оптимизировать сложные объектно-ориентированные системы;

IDEF5 - методология определения онтологий (словарей) исследования сложных систем. С помощью словаря терминов и правил позволяет описать онтологию системы. В итоге могут быть сформированы достоверные утверждения о состоянии системы в некоторый момент времени, на основе которых делаются выводы о дальнейшем развитии системы и производится её оптимизация.

IDEF9 - методологии моделирования требований.

Основное требование системного подхода при изучении какого-либо объекта - рассмотрение системы как единого целого, т.е. определенной одним функциональным блоком (черным ящиком) со своими входами и выходами. Контекст модели очерчивает границы моделируемого процесса и описывает его взаимосвязи с внешней средой и другими процессами, определяя модель процесса как часть целого. В контекст IDEFO-модели входит определение единственного субъекта моделирования, его полное, точное и адекватное описание, называемое целью модели, созданное с одной точки зрения на модель. Согласно IDEF0 контекст системы представляется контекстной диаграммой, а диаграммы нижнего уровня описывают детализированные аспекты системы.

Рис. 3.1- Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК

Рис. 3.2 - Структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК

Контекстная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК приведена на рис. 3.1. На рис. 3.2 представлена структурно-функциональная диаграмма механизма движения и уравновешивания ПК.

В основу методологии IDEF0 положен процесс декомпозиции, основанный на объектно-ориентированном подходе к рассмотрению объекта проектирования как системы взаимосвязанных элементов. Полученная при анализе информация представляется в виде иерархической структуры в графическом виде - диаграммы дерева узлов.

Согласно принципам объектно-ориентированного подхода к процессу проектирования требуется глубокая декомпозиция структуры изделия до уровня КЭ и ТЭ, их идентификации на основе единой системы условных обозначений. Поэтому предлагается к рассмотрению структурная схема механизма движения и уравновешивания поршневого компрессора как системы (СУПК), в которой выделены основные функциональные, конструкторские и технологические элементы, входящие в его состав.

Рис. 3.3 - Верхние уровни (0-й - 2-й) диаграммы узлов

На наивысшем нулевом уровне (рис. 3.3) расположен сам СУПК, принятый к рассмотрению как метасистема. В метасистеме выделены три подсистемы первого уровня - это кривошипно-шатунный механизм, цилиндропоршневая группа и механизм уравновешивания. В процессе дальнейшей декомпозиции к рассмотрению принимаются подсистемы первого уровня и т.д., каждая из которых рассматривается как система более низкого уровня (рис. 3.4).

Декомпозиция каждой из подсистем всех уровней позволила создать диаграмму, представляющую собой структурную схему объекта моделирования, в которой указаны основные КЭ и ТЭ, а также их характеристики. Разработанная схема учитывает характерные особенности конструкции и достаточно полно описывает моделируемую систему до уровня КЭ и ТЭ.

Рис 3.4 - Подсистема четвертого уровня

На основании проведенного анализа полученной диаграммы были получены следующие результаты:

? создан перечень основных технико-экономических характеристик, которые отражают разнообразие возможных вариантов исполнения данного объекта;

? определены и разработаны базы данных стандартизованных и унифицированных деталей, необходимые для проектирования СУПК;

? составлен перечень данных, используемых как исходные, при выполнении проектировочных и поверочных расчетов;

? определен перечень требуемых математических моделей КЭ и ТЭ для разработки САПР СУПК.

3.2 Рассмотрение виброакустических характеристик полученной модели

В машинах такого типа вследствие возвратно-поступательного движения поршня, возникает нестационарность динамических воздействий, что характеризуется более сложным, в отличие от роторных машин, характером вибрационного состояния. Это приводит к возникновению дополнительных источников вибрации:

­ неуравновешенные силы инерции вращающихся Fr и поступательно движущихся масс FS;

­ момент сил инерции Ми вращающихся и поступательно движущихся масс;

­ опрокидывающий момент Мопр;

­ крутильные колебания коленчатого вала;

­ пульсация давления газа в цилиндрах и межступенчатых коммуникациях;

­ удары элементов механизма движения, цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанов.

Одной из характерных особенностей диагностирования поршневых машин является то, что колебания, проявляющиеся вследствие неисправностей, накладываются на общее вибрационное состояние от неуравновешенности масс. Это приводит к необходимости рассмотрения двух подходов:

1. анализ колебаний компрессора как единого целого, возникающих от его неуравновешенности;

2. анализ вибрации узлов компрессора, возникающей от дефектов.

Другой особенностью поршневых машин является функционирование узлов механизма движения в условиях циклически изменяющихся нагрузок. Это приводит к появлению в них ударов. Расчет скорости соударения и времени появления ударных импульсов для каждого сопряжения позволяет выделить их в виброакустическом сигнале. В результате динамического анализа механизма движения поршневого компрессора с учетом зазоров в подвижных соединениях получили:

(3.1)

где а- множитель, характеризующий реакцию связи а; Т - кинетическая энергия механической системы (механизма движения компрессора), и Qj - соответственно обобщенная реактивная и активная силы; fa - уравнение связи а контактного движения деталей; R - число обобщенных координат.

Рис. 3.5 - Схема компрессора с контрольными точками измерения вибрации: 1-6 - контрольные точки; 1 - фундамент; 2 - электродвигатель; 3 - станина компрессора.

При этом в качестве обобщенных координат qj рассматривалось относительное движение деталей сопряжений в поле зазора и угол поворота колен вала. Зазоры учитывались в узлах "поршень-цилиндр", "башмак крейцкопфа-направляющая", а также в крейцкопфном и шатунном подшипниках скольжения. Введение в уравнения движения реактивной составляющей позволило описать весь цикл виброударного режима работы механизма с помощью одних и тех же зависимостей.

Для выделения информативных диагностических признаков в амплитудном спектре, по результатам моделирования, был определен основной характер взаимодействия функциональных узлов:

(3.2)

3.3 Моделирование алгоритма управления в программном пакете математического моделирования MATHLAB

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11