2 Расчетная часть

2.1 Составление функциональной схемы сар и выбор принципиальных схем ее элементов

Функциональная схема САР нагрева металла в методической нагревательной печи представлена приложении 3. Схема включает в себя следующие локальные САР: температуры, расхода и давления газа, расхода и давления воздуха, соотношения газ-воздух и давления в печи. Регулирование температуры в зонах печи происходит через изменение расхода топлива. Коэффициент расхода воздуха поддерживается на заданном уровне регулятором соотношения расходов воздуха и топлива. Если процесс горения сопровождается малым расходом воздуха, то полного сжигания газа не происходит.

2.2 Описание функциональной схемы разрабатываемой системы

Для описания функциональной схемы, ее можно представить в упрощенном виде (рис.1)

Рисунок 1 – упрощенная схема САР.

Где:

• ЧЭ – чувствительный элемент (датчик).

• РО – регулирующий орган.

• ОР - объект регулирования.

• ИМ – исполнительный механизм.

• УУ – устройство управления.

• ЗУ – задающее устройство.

2.3 Выбор измерительно-преобразовательных элементов (первичных и вторичных), диапазон измерения, условия работы, инерционность, вопросы сглаживания с устройствами

Измерение температуры в рабочем пространстве печи должно осуществляться термопарами. Преобразователи термоэлектрические типов КТХА, КТХК, ТППТ и ТПРТ, а также термометры сопротивления типов ТСМТ и ТСПТ (в дальнейшем – термопреобразователи), предназначены для из­мерения температуры газообразных, жидких и сыпучих сред, твердых тел, химически неагрессивных к материалу оболочки термопарного кабеля или защитного чехла, а также агрессивных, не разрушаю­щих материал защитной арматуры.

Технические характеристики термопреобразователей:

– диапазон измеряемых температур по ГОСТР 50342-92 и ГОСТР 50353-92 для термопреоб­разователей типа, °С: КТХА (термопара ХА): от -200 до 1200 (кратковременно до 1300); КТХК (термопара ХК): от -200 до 600 (кратковременно до 800); КТЖК (термопара ЖК): от -200 до 750 (кратковременно до 900); СМТ (медный ЧЭ): от -200 до 200; СПТ (платиновый ЧЭ): от -260 до 850; ППТ (термопара ПП): от 0 до 1600; ПРТ (термопара ПР): от 300 до 1700 (кратковременно до 1800).

– рабочий диапазон температур термопреобразователей (табл. 3) определяется типом чувствительно­го элемента, а также жаростойкими и жаропрочными свойствами, коррозионной стойкостью материала оболочки термопарного кабеля или защитного чехла.

Таблица 3– Типы термопреобразователей и их рабочий диапазон температур

Тип термо­преобразова–теля	Рабочий диапазон температур, °С	Номинальная температура применения, °С			Примечания
КТХА	от - 40 до t	0.75*t			в зависимости от материала защитной арматуры
КТХК	от -40 до 600	450			материал защитной арматуры - сталь 12Х18Н10Т
КТЖК	от -40 до 750	562,5			материал защитной арматуры - сталь типа 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т
ТСМТ	от -50 до 120	90			для класса допуска А
	от -50 до 150	112,5			для класса допуска В
	от -50 до 180	135			для класса допуска С
ТСПТ	от -200 до 200		150	для классов допуска А (ТСПТ 202 -100П - А4 -...)
	от -50 до 120		90	для класса допуска С (ТСПТ 301, 302, 303, 304)
	от -50 до 500		375	для класса допуска А
	от -50 до 500		375	для класса допуска В
	от -50 до 750		562,5	для класса допуска В по специальному заказу
ТППТ	от 0 до 1250		1084,9	в защитных чехлах из сплава ХН45Ю
	от 0 до 1300		1084,9	в керамических защитных чехлах
ТПРТ	от 600 до 1250		1084,9	в защитных чехлах из сплава ХН45Ю
	от 600 до 1600		1084,9	в керамических защитных чехлах

где t – максимальная рабочая температура, °С.

Номинальные статические характеристики (НСХ) термопреобразователей и классы допуска соответствуют ГОСТР 50431-92, ГОСТР 50353-92 и ГОСТ 6651-94. Пределы допускаемых отклонений термо-ЭДС термопар или сопротивления термометров (для ТСМТ и ТСПТ) от номинальных значений в диапазоне рабочих температур не превышают значений, указанных в таблице 4.

Таблица 4 – Технические характеристики термопреобразователей

Тип термо–преобразова–теля	Обозначение НСХ	Класс допуска	Рабочий диапазон температур, °С	Пределы допускаемых отклонений от НСХ, °С
КТХА	ХА(К)	1 2	от - 40 до 375 св. 375 до 1100 от - 40 до 333.4 св. 333.4 до 1100	± 1.5 ±0,004*t ±2.5 ±0.0075*t
КТХК	ХК(L)	2	от - 40 до 300 св. 300 до 600	+ 2.5 ±(0.7+0.005*t)
КТЖК	ЖК(J)	2	от - 40 до 333 св. 333 до 750	±2.5 ±0.0075*t
ТСМТ	50М или 100М	A B C	от -50 до 120 от -50 до 150 от -50 до 180	±(0.15 + 0.0015*t) ±(0.25 + 0.0035*t) ±(0.50 + 0.0065*t)
ТСПТ	50П или 100П	A B C	от -200 до 500 от -50 до 750 от -50 до 120	± (0.15 + 0.002*t) ±(0.30 + 0.005*t) ± (0.60 + 0.008*t)
ТППТ	ПП(S)	1 2	от 0 до 1100 от 1100 до 1300 от 0 до 600 от 600 до 1300	±1.0 ±(1.0+0.003(t–1100)) ± 1.5 ± (0.0025*t)
ТПРТ	ПР(В)	2 3	от 600 до 1600 от 600 до 800 от 800 до 1600	± (0.0025*t) ±4.0 ±0.005*t

где t – температура измеряемой среды, °С.

Из таблиц 3 и 4 выбираем тип преобразователя ТППТ (от 0 до 1600 ⁰С), для измерения температуры в рабочем пространстве нагревательной печи (6 шт.), длина монтажной части L= 1250 мм.

В рабочих диапазонах температур термопреобразователи имеют следующие уровни рабочего сигнала: ТППТ – термо-ЭДС в пределах от 0 до 13,2 мВ;

Средний срок службы термопреобразователей при номинальной температуре применения 1,5 года – для ТППТ.

Измерительные преобразователи (ИП) предназначены для преобразования сигналов от термоэлектрических пре­образователей (ТП) типа ТХК (L), ТХА (К), ТПП (S), ТВР (А-1, А-2, А-3), ТПР (В) (ИП-Т10, ИП-Т10И) и термопреобразователей сопротивления (ТС) типа ТСП, ТСМ (ИП-С10, ИП-С10И) в унифицированный аналоговый сигнал силы или напря­жения постоянного тока. ИП могут быть использованы в системах регулирования технологическими процессами в энергетике, металлургии, химической, стекольной и других отраслях промышленности.

По защищенности от воздействия окружающей среды ИП выполнены:

– ИП-Т10, ИП-С10 – в обыкновенном исполнении по ГОСТ 12997-84;

– ИП-Т10И, ИП-С10И во взрывозащищенном исполнении с искробезо–пасными входными цепями.

К ИП могут подключаться серийные ТП, ТС, устанавливаемые во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок. Соединение ТП типов ТХК (L), ТХА (К), ТПП (S), ТВР (А-1, А-2, А-3) с ИП осу­ществляется термоэлектродными проводами (типа ПТП, ПТПЭ) сечением от 0,5 до 2,5 мм². Общее сопротивление линии связи ИП с ТП, включая сопротивление самого ТП, не более 250 Ом, индуктивность — не более 1 мН, емкость — не более 0,25 F. Соединение ТС с ИП осуществляется трехпроводной линией связи. Сопротив­ление каждого провода линии связи должно быть не более 10 Ом, индуктивность – не более 1 мН, емкость – не более 0,25 F. Преобразователи ИП-Т10, ИП-Т10И, предназначенные для работы с ТП ти­пов ТХК (L), ТХА (К), ТПП (S), ТВР (А-1, А-2, А-3), имеют устройство автомати­ческой компенсации термо-э.д.с. свободных концов ТП. По конструкции ИП могут устанавливаться на стене и в шкаф. Модификации ИП приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Модификации ИП

Модификация	Диапазон входного сигнала	Климатическое исполнение
ИП-Т10-01 ИП-Т10-03	0-5 мА	УХЛ 0
ИП-Т10-05 ИП-Т10-07	0-20 мА	УХЛ 0
ИП-Т10-09 ИП-Т10-11	4-20 мА	УХЛ 0
ИП-Т10-13 ИП-Т10-15	0-10 В	УХЛ 0

Из таблицы 5 выбираем ИП:

ИП-Т10-09 (в обыкновенном исполнении, ГСП, градуировка ТПП(S), пределы измерения 0-1600 °С, выходной сигнал 4-20 мА, класс 0,5, исполнение шкафное, УХЛ 4.2, АО ЗЭИМ г. Чебоксары);

Для установки сигнала задания температуры, и задания соотношения газ-воздух используется компьютер. Ручной задатчик РЗД используется в ручном режиме. Виды задатчиков: РЗД-12 (ручная установка сигналов задания для стабилизирующих регуляторов и регуляторов соотношения) и РЗД-22 (ручная установка сигналов задания для стабилизирующих регуляторов и регуляторов соотношения, преобразование одного вида унифицированного сигнала постоянного тока или напряжения в другой). Основные параметры ручных задатчиков приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Основные параметры ручных задатчиков РЗД

Параметры	Исполнения
	РЗД-12	РЗД-22
Входные сигналы	_	токовый 0 – 5 мА, R вх ≤ 500 Ом; токовый 0 – 20 мА, R вх ≤ 100 Ом; токовый 4 – 20 мА, Rвх ≤ 100 Ом; напряжение 0 – 10 В, R вх ≤ 10 кОм
Выходные сигналы	плавное изменение коэффициента деления потенциометра с сопротивлением 10 кОм или 2,2 кОм в зависимости от исполнения	токовый 0 – 5 мА, Rн ≤ 2,5 кОм; токовый 0 – 20 мА, Rн ≤ 1 кОм; токовый 4 – 20 мА, Rн ≤ 1 кОм; напряжение 0 – 10 В, Rн ≥ 2 кОм;
Разрешающая способность	0,5% от максимального значения сигнала
Погрешности: установки задания по шкале отсчетного устройства; преобразования входных сигналов	_	2,5% 1,5% от максимального значения выходного сигнала
Пульсация выходного сигнала	-	≤ 0,3% от максимального значения выходного сигнала
Потребляемая мощность	-	не более 4 В*А
Масса	0,2 кг	0,7 кг
Электрическое питание	-	220 В, 240 В, или 24 В частотой 50 Гц или 60 Гц

Из таблицы 6 выберем в качестве задатчика наиболее подходящий РЗД-22, который рассчитан на применение в АСУ ТП и предназначен для ручной установки сигналов задания для стабилизирующих регуляторов и регуляторов соотношения, преобразования одного вида унифицированного сигнала постоянного тока или напряжения в другой.

Для переключения цепей управления исполнительными устройствами, индикации положений цепей управления в АСУ ТП применяются блоки ручного управления (БРУ). В таблице 7 приведены типы БРУ и их основные функции.

Таблица 7 – Типы БРУ и их основные функции

Исполнение	Основные функции
БРУ-22	Ручное или дистанционное переключение цепей управления на два положения; управление исполнительными механизмами; световая индикация положения цепей управления
БРУ-32	Ручное переключение с автоматического режима управления на ручной и обратно; управление исполнительными механизмами с помощью кнопок “больше-меньше”; индикация положения выходного вала исполнительного механизма с помощью миллиамперметра; световая индикация режимов управления и состояния цепей управления
БРУ-42	Ручное или дистанционное переключение с автоматического режима на ручной и обратно; управление исполнительными механизмами с помощью кнопок “больше-меньше”; индикация положения выходного вала исполнительного механизма с помощью миллиамперметра; световая индикация режимов управления и состояния цепей управления; определение положения регулирующего органа

Таблица 8 – Входные сигналы стрелочного индикатора БРУ в зависимости от исполнения

Условное обозначение исполнения	Пределы изменения входного сигнала	Входное сопротивление
БРУ-32-00; -01; -02; -06; -07 БРУ-42-00; -01; -02; -06; -07	0 – 5 мА 0 – 10 В	500 Ом 10 кОм
БРУ-32-03, -04;-05; -08;-09 БРУ-42-03; -04;-05; -08;-09	4 – 20 мА	200 Ом

Из таблиц 7, 8 выбираем БРУ-42-03 с пределом изменения входного сигнала 4-20 мА и входным сопротивлением 200 Ом. Электрическое питание – переменный ток номинальным напряжением 24 В и частотой 50 Гц. Потребляемая мощность – не более 2,5 В.А. Масса, не более:   0,5 кг – БРУ-22;   0, 7 кг – БРУ-32;  0,8 кг – БРУ-42.

Технограф-100 – цифровой показывающий, регистрирующий и сигнализирующий прибор, с возможностью подключения от одной до шести точек измерения. Регистрация значений осуществляется в аналоговом (в виде цифры соответствующие номеру канала) или цифровом режиме (в виде текста с указанием даты, времени опроса и значения измеряемого сигнала). Прибор выполнен в стальном прямоугольном корпусе с размерами 144x144x577 щитового исполнения. На передней панели прибора расположено табло с цифровой индикацией и со светодиодами. С помощью клавиатуры можно выбрать тип датчика (входные сигналы), диапазоны измерения, значения уставок сигнализации, режим регистрации (цифровая или аналоговая), скорость перемещения диаграммной ленты (при аналоговой регистрации, любое значение из ряда - 5, 10, 20, 40, 60, 120, 240, 480, 1200 и 2400 мм/ч) и сама система регистрации. Основные технические характеристики: основная погрешность прибора (по показаниям и цифровой регистрации 0,25 %, по аналоговой регистрации и сигнализации 0,5 %); цикл измерения (опрос) по всем каналам не более 6 секунд; напряжение питания 220 В, частотой 50 Гц, потребляемая мощность 15 ВА; масса не более 8 кг; климатическое исполнение УХЛ 4.2 - работа при температуре окружающего воздуха от +5 до +50 градусов Цельсия; тип устройства сигнализации – с раздельным выходом и общим выходом; блок реле выполнен виде отдельного внешнего блока, который подключается с помощью разъема на задней стенке корпуса – содержит 12 реле и позволяет коммутировать нагрузку (при силе переменного тока до 0,25 А и напряжение до 220 В, при силе постоянного тока до 1,0 А и напряжение до 36 В); имеет выходной цифровой сигнал, который может передаваться по интерфейсу RS232, через СОМ-порт персонального компьютера.

В качестве показывающих приборов давления газа и воздуха на зону и давления в рабочем пространстве печи применены миллиамперметры узкопрофильные со световым указателем М-1730А. Класс точности: 1,0; входной сигнал: 0 – 5 мА.

Для измерения расхода топлива и воздуха в топливо- и воздухопроводе устанавливают сужающие устройства – диафрагмы. В комплекте c диафрагмой устанавливается датчик разности давлений Метран-150 RFA. Преобразователи измерительные давления Метран-150, предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значений измеряемого параметра – давления избыточного (ДИ), абсолютного (ДА), разрежения, разности давлений (ДД) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи. Преобразователи предназначены для работы с вторичной регистрирующей и показывающей аппаратурой, регуляторами и другими устройствами автоматики, машинами централизованного контроля и системами управления, работающими от стандартного выходного сигнала 0-5 или 4-20, или 0-20мА (преобразователи общепромышленного исполнения), 4-20мА (взрывозащищенные преобразователи) постоянного тока. Электрическое питание преобразователей Метран-150 RFA осуществляется от искробезопасных цепей барьеров (блоков).

Преобразователи для измерения расхода газа и воздуха Метран-150 RFA основная приведенная погрешность до ±0,075%; ±0,1% ,дополнительная температурная погрешность до ±(0,02+0,03Pmax/Pв)%/10ºC,влияние статического давления до ±0,015%/1МПа, нестабильность характеристик не превышает ±0,075% от верхнего предела измерений за год, диапазон перенастроек до 50:1,выходные сигналы 4-20мА+HART, 0-5мА, встроенный ЖК-индикатор с кнопками управления, поворот ЖК-индикатора на 360º с фиксацией через 90º, поворот корпуса электронного блока на 180º,возможность электрического подключения с двух сторон электронного блока Установка «верхнего» или «нижнего» сигнала неисправности датчика, разнообразие присоединений к процессу: - М20х1,5; К½", К¼"; ¼ -NPT, ½ -NPT; ¼ -18 NPT, температура измеряемой среды: - 40…121ºC; окружающего воздуха: -40…80ºC, степень защиты от пыли и воды IP66 по ГОСТ 14254

Датчики давления-разряжения“Метран-150 CG” основная приведенная погрешность до ±0,075%; ±0,1% ,дополнительная температурная погрешность до ±(0,02+0,03Pmax/Pв)%/10ºC,влияние статического давления до ±0,015%/1МПа, нестабильность характеристик не превышает ±0,075% от верхнего предела измерений за год, диапазон перенастроек до 50:1,выходные сигналы 4-20мА+HART, 0-5мА, встроенный ЖК-индикатор с кнопками управления, поворот ЖК-индикатора на 360º с фиксацией через 90º, поворот корпуса электронного блока на 180º,возможность электрического подключения с двух сторон электронного блока Установка «верхнего» или «нижнего» сигнала неисправности датчика, разнообразие присоединений к процессу: - М20х1,5; К½", К¼"; ¼ -NPT, ½ -NPT; ¼ -18 NPT, температура измеряемой среды: - 40…121ºC; окружающего воздуха: -40…80ºC, степень защиты от пыли и воды IP66 по ГОСТ 14254.