Автоматизированная система управления бытового водонагревателя с системой подводящих труб

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data Acquisition) - являются в настоящее время основными методами

Автоматизированная система управления бытового водонагревателя с системой подводящих труб

Курсовой проект

Разное

Другие курсовые по предмету

Разное

Сдать работу со 100% гаранией

ВВЕДЕНИЕ

 

Современные методы управления производственными процессами на основе компьютерных технологий получили широкое распространение на большинстве промышленных предприятий разных отраслей промышленности.

Диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (от Supervisory Control And Data Acquisition) - являются в настоящее время основными методами автоматизированного управления сложными динамическими системами и процессами в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. На принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в военной и космической промышленности, в различных государственных структурах и частных компаниях.

Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает весьма ограниченную формализацию этапов проектирования АСУ ТП (например, анализа свойств целей и синтеза критериев управления), относя эти действия к творческим актам, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала.

Однако практика эксплуатации сложных производственных систем показывает, что ограниченная формализация основополагающих этапов проектирования АСУ ТП может привести к невозможности достижения поставленных целей, к получению результатов, отличных от ожидаемых, а также к несоответствию между изменившимися условиями и целями и оставшимися неизменными моделями, методами, алгоритмами и критериями, используемыми для поиска рационального (оптимального) управления в изменившихся условиях.

От качественного сопровождения программного обеспечения (ПО) для автоматизации ТП во многом зависит не только производительность и безаварийность работы технологических агрегатов, но и жизненный цикл спроектированной и сданной в промышленную эксплуатацию АСУ ТП.

В настоящее время в практике проектирования АСУ ТП появились так называемые «коробочные» решения в области проектирования АСУ ТП нижнего (уровня контроллеров) и верхнего уровня (уровень SCADA-систем), а также уровня предприятия (уровня АСУП - MES- и ERP-систем). Однако применение SCADA-систем (особенно для разработчиков проектов) - это огромный набор технологий.

В настоящей работе рассматривается интегрированная среда разработки Trace Mode версии 6.0.

1Разработка математической модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб

 

1.1Постановка задачи

управление автоматическое производственный водонагреватель

Разработать и исследовать математическую модель функционирования устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб.

На рисунке 1.1 представлена схема устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб

 

Рисунок 1.1 - Схема устройства бытового водонагревателя с системой подводящих труб

 

Исходные данные: G1=2.3, G2=3.1 - интенсивность потоков воды. G1 - интенсивность потока, входящего в емкость №1 (нагреватель), и входящего в емкость №2, данному потоку соответствует температура воды - Q1=0. G2 - интенсивность потока воды, выходящей из емкости №1 (вода после нагревания), и входящей в емкость №2, данному потоку соответствует температура Q2=50.

Масса воды нагревательной емкости М1=3кг. Масса воды во второй емкости М2=5кг.

Интенсивность потока воды G3 - общий поток, воды, в результате смешивания двух потоков разной температуры (основная определяемая величина).

=G1+G2.

 

Мощность нагревателя P=5000Вт.

Св - удельная теплоемкость воды.

Математическую модель будем создавать в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве выходной величины рассматривать температуру Q3. Q2 принимаем равным 50, теплоемкостью емкостей пренебрегаем. Потеря температуры воды на участке перехода от емкости №1 к емкости №2 не учитывается.

Необходимо реализовать возможность задания оператором желаемого значения итоговой температуры. Данное условие будет реализовано, за счет возможности регулирования интенсивности потоков G1 и G2, и температуры Q1.

Емкости считать герметичными (закрытыми), что позволит избежать переполнения емкостей.

 

1.2Математическая модель

 

Для составления дифференциальной модели, воспользуемся следующими уравнениями термодинамики:

первый закон термодинамики;

уравнение теплоотдачи;

уравнение теплопередачи.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами,

 

ΔU = Q - А.

 

Обычно жидкие и газообразные теплоносители нагреваются или охлаждаются при соприкосновении с поверхностями твердых тел. Процесс теплообмена между поверхностью твердого тела и жидкостью называется теплоотдачей, а поверхность тела, через которую переносится теплота, - поверхностью теплообмена или теплоотдающей поверхностью.

Процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей. При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному.

Для нагревания тела массой m от температуры t1 до температуры t2 необходимо передать ему количество теплоты:

= cm(t2-t1)=cm∆t.

При остывании тела его конечная температура t2 оказывается меньше начальной t1, и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.

Коэффициент с называют удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость - это количество теплоты, которое получает или отдает 1кг вещества при изменении его температуры на 1К.

Рассмотрим термодинамические процессы, протекающие в нашей системе модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, и запишем уравнения, описывающие термодинамические процессы в каждом узле системы, представленной на рисунке 1.1.

) Процесс нагревания воды до необходимой температуры Q2 в первой емкости:

 

P∆t=Cв*M1*Q2+M1*Cв*(Q1-Q2) (1.3)

 

Считаем, что необходимая нам Q2=50. В таком случае, моделирование данного уравнения не требуется, т к температура выходящего потока является константой. Предположим, что электрический нагреватель оснащен датчиком, настроенным непосредственно на необходимую нам температуру (по достижению её, нагреватель отключается).

) Процесс смешивания двух жидкостей, для получения необходимой температуры:

 

Q3=∫((Q1*G2+G1*(Q2-Q3)-Q3)/M2)(1.4)

 

1.3 Анализ математической модели

 

Необходимо проанализировать полученную математическую модель, с целью выявления:

установившегося значения итоговой температуры;

времени регулирования;

перерегулирования;

установившейся ошибки.

В пакете Simulink среды разработки Matlab построим схему модели бытового водонагревателя с системой подводящих труб, используя функциональные блоки. Зададим константы и установим связи между блоками в соответствие с математической моделью. . Воспользуемся функциональным блоком Scope для отслеживания переходного процесса и выявления установившегося значения температуры.

Реализованная схема представлена на рисунке 1.2

 

Рисунок 1.2 - Схема программы в пакете Simulink

 

Переходный процесс, показывающий зависимость температуры от времени представлен на рисунке 1.3.

 

Рисунок 1.3 - Переходный процесс температуры

 

Получим установившееся значение температуры равное 47,6517 ºC, установившееся за время t=16с.

На графике, так же, изображена прямая, обозначающая нижний предел пятипроцентной трубки регулирования. Её величина рассчитана как 95% от установившегося значения температуры и равна 48ºС. Также указан и верхний предел трубки регулирования 45ºС. Указаны и температуры входных потоков.

Добавим к нашей программе ПИД-регулятор для управления напряжением на вентиляторе. Изменяя интенсивность потока G2. Получим температуру 50ºС. Время регулирования равно 30с.

Новая схема программы представлена на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4 - Схема программы с ПИД-регулятором

 

В блоке Signal Constraint зададим параметры, необходимые для расчета коэффициентов ПИД-регулятора. Результаты расчета представлены на рисунке 1.5, переходный процесс с ПИД-регулятором - на рисунке 1.6.

 

Рисунок 1.5 - Полученные коэффициенты ПИД-регулятора

 

 

 

Рисунок 1.6 -Переходный процесс с ПИД-регулятором

 

 

2 Интегрированная среда разработки Trace Mode 6

 

.1 Общие сведения

 

TRACE MODE® 6 /1,4,5,7/ состоит из инструментальной системы (интегрированной среды разработки) и из набора исполнительных модулей.

С помощью исполнительных модулей TRACE MODE®

Похожие работы

1 2 >