лаб.практикум СУХТП. Московский государственный университет прикладной биотехнологии
 Скачать 4.63 Mb.
|
|
Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ) Кафедра автоматизации биотехнических систем Системы управления химико-технологическими процессами Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальностей: 240502 - Технология переработки пластических масс и эластомеров; 240901 - Биотехнология; 240902 - Пищевая биотехнология Москва 2010 Составители: В.И. Усков, к.т.н., доц. В.А. Бриль, доц. С.Б. Кириллов, к.т.н., доц. Н.А.Семина, к.т.н., доц. Н.Н.Смирнов, к.т.н., доц. С.А.Дворецкий, зав.лаб. Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с рабочими программами по курсу «Системы управления химико-технологическими процессами». В методические указания включены лабораторные работы, цель которых расширить теоретические знания студентов и привить навыки работы с измерительными приборами и средствами автоматизации. Методические указания включают: общие методические указания по выполнению лабораторных работ, правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ, основные понятия измерительной техники и метрологии, содержание лабораторных работ, порядок выполнения и оформления работ, контрольные вопросы. Утверждены к изданию УМС МГУПБ © МГУПБ, 2010 Введение Системы управления химико-технологическими процессами являются эффективным средством повышения производительности труда, экономии всех видов ресурсов, обеспечения выпуска продукции заданного уровня качества. Поэтому при подготовке специалистов в высших учебных заведениях в настоящее время большое внимание уделяется изучению основ теории и технике измерения, контроля, автоматического регулирования технологических процессов и управления ими. Цикл лабораторных работ является составной частью курса «Системы управления химико-технологическими процессами. Цель их проведения – расширение и углубление теоретических знаний и приобретение практических навыков работы с измерительными приборами и средствами автоматизации. При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с основными типами и конструкциями приборов, применяемых в системах контроля и регулирования, методами и схемами испытания и поверки приборов и элементов схем автоматики, методами измерения технологических параметров, приобретают навыки чтения и монтажа измерительных схем автоматического регулирования, настройки автоматических систем. Выполнение лабораторной работы осуществляется бригадой из 3-4 человек. Отчет о проделанной работе представляется каждым студентом отдельно. 1. ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Студенты, впервые приступающие к работе в новой для них лаборатории, проходят инструктаж по технике безопасности, так как в каждой лаборатории имеются специфические особенности, могущие привести к травмам и несчастным случаям. Особое внимание при этом уделяется точкам возможного поражения электрическим током, аппаратуре и линиям, работающим под давлением и т.д. Для эффективного выполнения работ лабораторного практикума студент обязан провести предварительную домашнюю подготовку. Прежде всего необходимо детально ознакомиться со всеми вопросами, относящимся к данной работе по конспектам лекций, учебникам, учебным пособиям и другой специальной литературе. Следует также использовать демонстрационный материал, представленный в лаборатории: приборы, аппаратуру, их макеты и модели, плакаты и др. Затем необходимо изучить лабораторный стенд, на котором предстоит выполнить работу, используемую аппаратуру и порядок выполнения работы. Перед выполнением работы лабораторного практикума проводится небольшой коллоквиум – опрос по тематике работы. В случаях, когда степень подготовки студента будет признана недостаточной, приступать к работе на стенде нецелесообразно. Самостоятельно включать аппаратуру на лабораторном стенде не рекомендуется, даже если порядок включения кажется ясным и понятным. Включение стенда может производиться только под контролем преподавателя или учебного мастера лаборатории. После окончания работы на стенде вся аппаратура выключается и приводится в состояние, соответствующее первоначальному. Отчет, составленный по каждой работе отдельно, должен быть кратким и содержать следующие разделы: 1) наименование лабораторной работы, а также подзаголовки для каждой части работы; 2) перечень оборудования и средств автоматики, использованных в работе; 3) технические характеристики приборов и оборудования; 4) схемы лабораторных установок для каждой части работы со всеми обозначениями; 5) экспериментальные данные, сведенные в таблицы; 6) графики и кривые, построенные по экспериментальным данным и расчетам; 7) градуировочные характеристики, взятые из справочников (строятся на одном графике и кривыми, полученными экспериментально); 8) ответы на контрольные вопросы. 1.1. Правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ 1. Помещение лаборатории должно быть сухим, светлым, с естественным и искусственным освещением, водопроводом, приточно-вытяжной вентиляцией. Температура воздуха в лаборатории должна поддерживаться в пределах 18-25°С. 2. Доступ к стендам и оборудованию должен быть свободным. 3. Измерительные приборы, органы управления и сигнальные лампочки должны иметь надписи, указывающие их назначение. 4. Главный щит питания и распределительный щит с защитой должны быть вынесены в отдельное помещение и включаться преподавателями, либо учебным мастером. 5. Все лабораторные стенды должны быть подключены к общему контуру заземления. 6. Контур заземления должен быть снабжен соответствующими клеммами для подключения заземления оборудования и приборов. 7. В соответствии с ПУЭ заземлению подлежат все находящиеся в лаборатории металлические части электроустановок и оборудования, могущие оказаться под напряжением. При обнаружении нарушения заземления необходимо немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту. 8. Перед началом сборки схемы следует убедиться, что все выключатели или рубильники, соединяющие входные зажимы цепи с питающей цепью, находятся в выключенном состоянии. 9. Категорически воспрещается использовать при сборке схем провода с поврежденной изоляцией, приборы и оборудование с неисправными клеммами. 10. Собранная схема должна быть проверена руководителем. Включать схемы без поверки и разрешения преподавателя или лаборанта воспрещается. 11. Перед включением схемы следует проверить, не прикасается ли кто-либо из студентов к токоведущим частям. При наличии соприкосновений включать схему нельзя. 12. Обо всех включениях или переключениях необходимо предупреждать членов бригады. 13. Все включения или переключения в схемах производятся только при выключенном напряжении. Производить какие бы то ни было переключения в схемах, находящихся под напряжением, нельзя. 14. При любом несчастном случае необходимо немедленно выключить напряжение. 15. Обо всех неисправностях приборов и оборудования следует немедленно сообщить руководителю занятий. 2. Основные понятия измерительной техники и метрологии Автоматизация производственных процессов неразрывно связана с измерением физических: величин. Под измерением понимает экспериментальное определение численного соотношения между измеряемой физической величиной и значением, принятым за единицу изменения. Дляпроведения измерений используют чувствительные элементы (датчики) и измерительные приборы. Датчиками называют устройства, предназначенные для измерения и преобразования контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшей обработки. Измерительными приборами называют устройства, предназначенные для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с единицей измерения и определения полученных результатов по отсчетному устройству. Измерительные приборы и датчики разрабатываются в соответствии с Государственной системой приборов и средств автоматизации (ГСП). ГСП включает в себя нормализованный ряд приборов, предназначенных для локального применения, а также устройства, применяемые для построения схем управления. Эти устройства могут быть гидравлического, электрического и пневматического типов. В свою очередь, они подразделяются на устройства для получения и обработки контролируемой информации, выработки командной информации, воздействия на технологический процесс, а также на преобразователи контрольной и командной информации. Вследствие несовершенства методов измерений и самих измерительных приборов, результаты измерений несвободны от искажений, называемых ошибками или погрешностями. Для определения степени достоверности полученного результата, т.е. степени его соответствия истинному значению измеряемой величины, необходимо знать погрешность прибора при данном измерении. Существует несколько видов погрешностей. Абсолютной погрешностью измерительного прибора называется разность между его показаниями и истинным значением измеряемой величины. Поскольку последнее установить нельзя, в измерительной технике используют так называемое действительное значение, полученное посредством образцового прибора. Таким образом, абсолютная погрешность представляет собой разность  ,где  - показание измерительного прибора; - действительное значение измеряемой величины.Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины. Для нахождения действительного значения измеряемой величины показание прибора складывают со значением поправки, численно равной абсолютной погрешности, взятой с обратным знаком, т.е.  .Относительная погрешность измерительного прибора определяется по формуле:  .Приведенной погрешностью называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к диапазону N шкалы измерительного прибора:  .Классы точности приборов. Класс точности средства измерения представляет собой обобщенную характеристику, определяемую пределами допустимых погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. Обычно для измерительных приборов класс точности устанавливают по заранее заданной допустимой основной приведенной погрешности (основной погрешностью называют погрешность средства измерения при нормальных условиях). По ее величине измерительные приборы делят на классы точности от 0,05 до 4,0. В большинстве случаев класс точности выпускаемых промышленных приборов равен 0,25; 0,5; 1,0; 1,5. Например, прибор класса точности 0,5 имеет максимально допустимую основную приведенную погрешность ±0,5%. Класс точности прибора обычно указывается на его шкале. Наряду с величиной погрешности работа измерительного прибора характеризуется вариацией, чувствительностью и запаздыванием. Вариация характеризует постоянство показаний измерительных приборов и определяется при их поверке как модуль разности значений  и  , найденных в каждой поверяемой точке диапазона измерений: ,где - абсолютная погрешность найденная при прямом ходе, т.е. при подходе к каждой из поверяемых точек диапазона измерения со стороны меньших значений измеряемого параметра; - абсолютная погрешность, найденная при обратном ходе, т.е. при подходе к каждой из поверяемых точек диапазона измерения со стороны бóльших значений измеряемого параметра.Чувствительностью измерительного прибора  называется отношение линейного или углового перемещения  указателя прибора к приращению измеряемой величины  , вызывающему это перемещение: .При этом под порогом чувствительности понимают то наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает изменение в показаниях измерительного прибора. Запаздывание определяется промежутком времени от момента изменения измеряемой величины до момента указания этого изменения прибором. Это – время, которое необходимо для прохождения сигнала по всем узлам и линиям связи прибора. Поверка приборов. Для определения погрешностей измерения и поправок к показаниям измерительных приборов их периодически подвергают поверке. С этой целью сопоставляются показания поверяемых и образцовых приборов, причем показания последних принимают за действительные значения измеряемых величин. В качестве образцового выбирают прибор, класс точности которого в 3-4 раза выше класса точности поверяемого прибора. Поверку производят при прямом (при повышении параметра) и обратном (при понижении параметра) ходах стрелки поверяемого прибора на всех его цифровых отметках. Одновременно определяя показания образцового прибора. По полученным данным вычисляют абсолютную и приведенную погрешности. Поверяемый прибор пригоден к эксплуатации, если максимальное из вычисленных значений приведенной погрешности не превышает допустимого значения приведенной погрешности. Градуировкой измерительного прибора называют операцию, посредством которой деления шкалы прибора придают значения, выраженные в установленных единицах измерения. Иногда шкалы строят в безразмерных или относительных единицах. При градуировке экспериментально находят зависимость между значениями измеряемой величины и количеством делений на шкале прибора (или же зависимость между значениями измеряемой величины и значениями некоторой косвенной величины). Обычно эту зависимость представляют в виде градуировочных таблиц или графически в прямоугольной системе координат: по оси абсцисс откладывают деления по шкале прибора (или же значения косвенной величины), а по оси ординат – действительные значения измеряемой величины. Для градуировки технических измерительных приборов применяют образцовые приборы. 3. Лабораторный практикум 3.1. Лабораторная работа 1 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТА РЕГУЛИРОВАНИЯ 1. Цель работы 1. Ознакомление с экспериментальным методом определения переходной характеристики объекта регулирования. 2. Определение переходной характеристики объекта регулирования экспериментальным методом. 2. Теоретическое введение Объектом регулирования называется технологический аппарат, агрегат или машина, в которой осуществляется процесс регулирования одного или нескольких физических параметров. Регулируемой величиной или регулируемым параметром называется физическая величина (температура, давление, расход, уровень и т.д.), значение которой должно поддерживаться постоянным или изменяться по программе. Регулирующим воздействием называется воздействие на объект регулирования со стороны регулятора. Объекты регулирования характеризуются тем, что через них непрерывно протекает вещество или энергия. Количества вещества или энергии, протекающей через объект или отбираемой от объекта, называется нагрузкой. Изменение нагрузки приводит к изменению регулируемого параметра; чтобы поддержать регулируемый параметр на заданном уровне, необходимо изменить приток вещества или энергии в объект в соответствии с новым значением нагрузки объекта. Емкостью объекта регулирования называется количество содержащегося в нем в рассматриваемый момент времени вещества или энергии. Наиболее неблагоприятные условия для регулирования имеют место при мгновенном (скачкообразном) нарушении баланса между приходом и расходом вещества или энергии в объекте регулирования. Кривая, которая показывает, как изменяется регулируемый параметр  во времени t при скачкообразном возмущении (изменении  ) и отключенном регуляторе, называется переходной характеристикой или кривой разгона объекта (рисунок 1).  Рис. 1. Переходная характеристика одноемкостного объекта с самовыравниванием В некоторых объектах при нарушении равенства притока и расхода вещества или энергии регулируемый параметр принимает новое, постоянное значение без вмешательства извне. Такие объекты обладают свойством самовыравнивания. У объектов, не обладающих свойствами самовыравнивания, любое изменение регулируемого параметра не оказывает обратного воздействия на приток или расход вещества (энергии), в результате чего параметр будет изменяться непрерывно. Переходная характеристика одноемкостного объекта с самовыравниванием является решением дифференциального уравнения:  где:Т – постоянная времени; - значение выходной величины объекта регулирования; - значение входной величины объекта регулирования;k –коэффициент передачи. В соответствии с вышеизложенным, при   в уравнении (1) приобретает смысл переходной характеристики и решение уравнения при  =0 имеет вид: Переходная характеристика, представленная на рис. 1(б).может быть аппроксимирована уравнением передаточной функции  ,где: Т – постоянная времени; p – оператор связи между функциями входных и выходных сигналов; - значение выходной величины объекта регулирования; - значение входной величины объекта регулирования;k – коэффициент усиления (передачи). Переходная характеристика для одноемкостных объектов (рис.1) представляется собой экспоненту. Экспонента обладает свойством, при котором касательные, проведенные из любой ее точки, отсекают на линии, соответствующей новому установившемуся значению регулируемого параметра, одинаковые отрезки. Эти отрезки времени T называются постоянной времени объекта регулирования. Физическое значение постоянной времени Tтаково: это время, в течение которого регулируемый параметр, изменяясь в процессе самовыравнивания с постоянной скоростью, изменился бы от текущего значения до установившегося (потенциального). Другой величиной, характеризующей объект регулирования, является коэффициент  . Коэффициент усиленияпоказывает во сколько раз изменение регулируемого параметра (выходной величины) будет больше изменения входной величины – регулирующего воздействия при переходе от одного установившегося значения регулируемого параметра к другому.В системах автоматического регулирования изменение регулируемого параметра начинается не сразу, а через определенный промежуток времени после начала возмущающего воздействия. Требуется определенный промежуток времени до начала перемещения регулирующего органа. Начало перемещения регулирующего органа также не приводит к мгновенному изменению регулируемого параметра. Это явление называется запаздыванием. Различаются два вида запаздывания: чистое запаздывание и емкостное. Чистое запаздывание  (передаточное, транспортное и дистанционное) – это время, в течение которого регулируемый параметр после начала действия возмущения не изменяется (рисунок 2.б).Переходное (емкостное) запаздывание  имеет место в многоемкостных объектах, когда несколько емкостей соединены между собой последовательно через различные сопротивления (тепловые, гидравлические и т.п.), что вызывает замедление перехода энергии или вещества из одной емкости в другую.Обычно при определении переходных характеристик объектов регулирования оперируют величиной полного запаздывания  ,где  - время чистого запаздывания; - время переходного запаздывания.  Рис. 2. Переходная характеристика статического объекта с запаздыванием |