Разработка систем управления на основе микропроцессора для охлаждения сжатого воздуха

1.4. Схема распределения сжатого воздуха.

 

Снабжение цехов  ЗАО  “Крымский Титан” сжатым воздухом производится по трем независимым трубопроводам:

а) трубопровод  технического сжатого воздуха давлением  до 6 кгс/см²;

б) трубопровод  технического сжатого воздуха давлением  до 5 кгс/см²;

в) трубопровод  осушенного  сжатого воздуха давлением  до 6 кгс/см²;

Трубопровод технического сжатого воздуха давлением до 6 кгс/см² питает следующие цеха: Котельный, Аммофос, сернокислотный цех, ремонтно-механический цех, ОУПДТ, лабораторный корпус, столярно-тарный участок, цех  сернокислого алюминия и жидкого  стекла, и цех концентрации серной кислоты и цветных пигментов.

Трубопровод технического сжатого воздуха давлением  до 5 кгс/см² питает сжатым воздухом  цеха производства двуокиси титана № 1 и № 2.

Трубопровод осушенного сжатого  воздуха давлением до 6 кгс/см²  питает следующие цеха компании: производства двуокиси титана № 1 и № 2, сернокислого алюминия и жидкого стекла, концентрации серной кислоты и цветных пигментов, ремонтно-механический, цех КИП и  А, хозяйственный цех.

 

2. СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ОХЛАЖДЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА

 

 

На данный момент управление вентиляторами градирен производится оператором вручную. Оператор периодически контролирует температуру  хладагента в замкнутой системе  охлаждения и при выходе её  значения за  технологическую норму  производит включение либо выключение одного или  двух из четырех вентиляторов градирен. Для уменьшения затрат электроэнергии, автоматизирования процесса  регулирования  температуры хладагента, и исключения влияния “ человеческого фактора“ в данной дипломной работе было разработана  автоматическая  система регулирования  температуры хладагента с использованием частотного регулирования  скорости вращения охлаждающих вентиляторов градирни. Управление частотными регуляторы, будем осуществлять с помощью  микроконтроллера согласно заданного  закона регулирования. Микроконтроллер  также будет осуществлять регулирование  еще нескольких систем регулирования, вести мониторинг состояния параметров компрессорной установки, а также  осуществлять сигнализацию и блокировку работы компрессорной установки  при превышении контролируемыми  параметрами  аварийных пределов. Для выбора первичных датчиков для  измерения технологических параметров проведем анализ методов и средств  измерений для всех измеряемых величин  и подберем конкретный тип датчика  в соответствии с пределами, в  которых может, изменятся тот  или иной параметр. Для этого приведем описание функциональной схемы автоматизации  с перечнем  всех измеряемых и  регулируемых величин.

1. Измерение  температуры хладагента (1;6). Значение  температуры должно быть не  более 40ºС. По данному параметру  производится регулирование с  помощью изменения частоты вращения  приводных электродвигателей вентиляторов   

2. Измерение уровня технической   воды (4;9). Значение уровня должно быть в пределах 0,4 м. По данному параметру производится регулирование с помощью управляемого электропривода (5;10)

3. Измерение разряжения в секционном фильтре (11). Значение разряжения не должно превышать 250 мм в.ст., по данному параметру осуществляется сигнализация.

4. Измерение   температуры сжатого воздуха после секционного фильтра (12), по данному параметру производится сигнализация значения параметра должно быть от -10 ºС до 50 ºС.

5. Измерение давления  сжатого воздуха после первой ступени нагнетания (13). Значение измеряемого параметра 2,5 кгс/см².

6. Измерение температуры сжатого воздуха после первого воздухоохладителя (14) . Значение измеряемого параметра   54 ºС. По превышение номинального значения осуществляется сигнализация.

7. Измерение давления сжатого воздуха после второй ступени нагнетания (9). Значение измеряемого параметра 5 кгс/см².

8. Измерение температуры сжатого воздуха после второго воздухоохладителя (16) . Значение измеряемого параметра   40 ºС. При превышение номинального значения осуществляется сигнализация.  

9. Измерение давления сжатого воздуха на выходе к потребителю (17). Значение измеряемого параметра 6 кгс/см². По данному параметру осуществляется регулирование с помощью управляемого электропривода(18)

10. Управление электроприводом центробежных  насосов (19;21) поз.15;17. Производится управление и сигнализация состояния.

11. Управление электроприводом циркуляционных насосов градирен (20;22) поз.16;18

Согласно  этого перечня нам необходимо измерять значения следующих физических величин: температуру (пределы измерения -10 до 54 ºС); давление избыточное (пределы измерения до 7 кгс/см²), разряжение (пределы измерения до 250 мм в.ст.);

Измерение уровня жидкости (воды) (пределы измерения до 0,4 м). Проведем выбор первичных датчиков а также выбор приводных механизмов управления.

2.1. Классификация методов и средств измерения температуры.

 

Проведем  сравнительный анализ тех методов  и средств, которые при обеспечении  заданной точности измерения экономичны, надежны и удобны в процессе эксплуатации, взаимозаменяемы и имеют возможность  дистанционной передачи данных измерения.[3]

Методы  измерения температуры

Применительно к нашим пределам измерения температуры  наиболее  применимы два метода: это методы, основанные на зависимости  активного сопротивления и изменение  электродвижущей силы от температуры.

 Изменение  активного электрического сопротивления  некоторых проводников и полупроводников

а) резистивные  датчики температуры (термометры сопротивления)

б) термисторы

Образование и изменение термоэлектродвижущей силы в спаях металлов.

а) термоэлектрические преобразователи (ТЭП).

Резистивные датчики температуры.

Измерение температуры  по электрическому сопротивлению ряда материалов основано на зависимости  сопротивления этих материалов от температуры. Эти материалы разделяются на два класса: металлы и полупроводники. Из металлов изготовляются резистивные  датчики температуры (так называемые термометры сопротивления (ТС)). Полупроводниковые  служат основой термисторов. Изменение  электрического сопротивления металлических  проводников (термометров сопротивления (ТС)), обусловлено наличием свободных  электронов связи в металлической решетке. С ростом температуры сопротивление большинства чистых металлов увеличивается, а у полупроводников уменьшается.

2.1.1. Термометры сопротивления.

 

Электрические ТС позволяют измерять температуру  с высокой степенью точности до 0,02°С. Наиболее распространенные металлы  при изготовлении (TC) платина, медь, никель, железо.

Платина - дорогостоящий материал, химически инертен. Удельное электрическое  сопротивление платины  ₀ =0,1 оМ мм² /м. Зависимость сопротивления платинового термометра от температуры определяется следующим уравнением (измеряемая температура от –260 до + 750 °С)

t >0°С  Rt =Ro (1+ t + t2 )	(2.1)
t<0°С   Rt =Ro [1+ t+ t2 +сt3+ (t+100)]	(2.2),

 

где R_t и R_o сопротивление термометра при t и 0°С.

Медь обладает малым  удельным сопротивлением ₀ =0.017 оМ мм² /м. В применяемом интервале температур (от –50 до +180°С) сопротивление меди практически линейно зависит от изменения температуры. Зависимость сопротивления медного ТС от температуры имеет вид.

Rt =Ro (1+ t)

(2.3),

 

где - температурный коэффициент электрического сопротивления = 4,26 10^-3 1/°С.

Никель и железо обладают сравнительно большим коэффициентом  электрического сопротивления .

_Ni = (6,21 6,34) 10^-3 1/°С. _FE = (6,25 6,57) 10^-3 1/°С.

 _{Относительно большим коэффициентом удельного сопротивления}

_NI =0,118 0,138  Ом мм²/м;

_FE= 0,055 0,061 Ом мм²/м.

Однако  эти металлы трудно получить в  чистом виде, что препятствует изготовлению взаимозаменяемых ТС; зависимость сопротивления  никеля от температуры выражаются кривыми, которые не могут быть записаны в  виде простых эмпирических формул. Эти недостатки ограничивают применение никеля, железа для изготовления ТС. рис.2.1 представлен схематический  вид термометра сопротивления  в  разрезе.

 

рис. 2.1 Термометр  сопротивления в разрезе

 

Чувствительный  элемент ТС представляет собой тонкую платиновую или медную проволоку 1, намотанную на каркас или свернутую  спираль, помещенную в каналы защитного  каркаса 4. Каналы каркаса заполняют  керамическим порошком и герметизируют  с помощью термоцемента 3, в котором  помещены выводы 2 . Для подгонки сопротивления  термометра при 0°С изменяют длину нижних концов платиновой спирали с последующей  пайкой 5.

К недостаткам данного  средства измерения можно отнести  достаточно сложную конструкцию, необходимость  наличия источника тока.

2.1.2. Термисторы.

 

Термисторы (или терморезисторы) - это термочувствительные резисторы, изготовленные из полупроводниковых  материалов (спекаемых смесей сульфидов, селенидов, оксидов никеля, марганца, железа, кобальта, меди, магния, титана, урана, и других металлов). Эти материалы  формируются в небольшие шарики (бусинки), диски, стержни (обычно герметизированные  стеклом или эпоксидной смолой) и  шайбы. Большинство термисторов  характеризуются высоким удельным сопротивлением и высоким отрицательным  ТКС (температурным коэффициентом  сопротивления) т.е. сопротивление таких  термисторов уменьшается с увеличением  температуры. Величина отрицательного ТКС может составлять несколько  процентов на градус Цельсия, что  позволяет использовать термисторы для детектирования малых изменений  температуры, которые не удается  наблюдать с помощью резистивных  датчиков температуры и термопарных  схем. Плата за повышенную чувствительность - потеря линейности. Для термисторов  зависимости сопротивления от температуры  в сильной степени нелинейны.

Существуют термисторы и с положительным ТКС, изготавливаемые  путем спекания смеси бария и  титаната стронция. Они также реализованы  в различных конфигурациях. Эти  термисторы часто называют переключательными  термисторами из-за специфической зависимости  сопротивления от температуры. При  увеличении температуры их сопротивление  остается практически постоянным, пока не достигается температура переключения  (точка Кюри), вблизи которой каждое дополнительное приращение температуры  вызывает резкое увеличение сопротивления. Температура переключения может, изменятся  от -20 до +125.°С. Термисторы с положительным  ТКС часто используется как термостатирующие реле для контроля и регулирования  температуры внутри печи. Для описания зависимости сопротивления термистора от температуры, используется следующее  эмпирическое соотношение;

RT = Ro ехр [ ( )]

(2.11),

 

где R_T - сопротивление термистора при измеряемой температуре Т (К) и R_o –его сопротивление при некоторой известной температуре. Т_о (обычно 298,15 К), причем указанные сопротивления соответствуют нулевой мощности рассеяния (отсутствие самонагрева). Величина R_o может, изменятся в интервале от нескольких Ом до 10 МОм; высокоомные термисторы используются для измерения высоких температур, низкоомные – для измерения низких температур. Параметр , выражаемый в градусах Кельвина, зависит от материала термистора; его значение определяется по измеренным значениям сопротивления в точке таяния льда и при некоторой температуре, несколько превышающей комнатную, обычно при 50 °С. Этот параметр, известный также как характеристическая температура, слабо возрастает при увеличении температуры. В интервале температур  1500 …. 1600 К его типичное значение соответствует примерно 4000 К. 

для описания характеристик  термисторов используется следующая  терминология:

температурный коэффициент  сопротивления или ТКС - отношение  скорости изменения сопротивления  при изменении температуры к  значению сопротивления при нулевой  мощности рассеяния. Этот параметр удобная  характеристика чувствительности термистора. По определению 

(2.4)

 

• следовательно, при уменьшении температуры  нелинейно возрастает. Его типичное значение -4,4 %/°С при 27°С;

- коэффициент диссипации  – мощность в милливаттах,  вызывающая повышения температуры  термистора к температуре окружающей  среды. В хорошо перемешиваемой масляной ванне значение этого параметра составляет минимум 8 мВт/ °С, в неподвижном воздухе – не менее 1 мВт/°С.