лаб.практикум СУХТП. Московский государственный университет прикладной биотехнологии
 Скачать 4.63 Mb.
|
|
Контрольные вопросы
3.7. Лабораторная работа 7 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ И ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ 1. Цель работы 1. Ознакомление с устройством и работой микропроцессорных приборов фирмы «Burkert», составляющих систему регулирования и измерения расхода жидкости. 2. Приобретение навыков работы с микропроцессорными системами управления. 2. Устройство и работа микропроцессорных приборов контроля и регулирования Прогресс и развитие отраслей пищевого комплекса неразрывно связаны с повышением уровня автоматизации производственных процессов на базе широкого использования микро-ЭВМ, роботов и гибких автоматизированных систем. В настоящее время ведутся большие работы по автоматизации технологических процессов мясной и молочной промышленности, включающие разработку локальных систем автоматического регулирования и автоматизированных систем управления технологическими процессами с использованием средств вычислительной техники и новейшими техническими разработками. Синтез автоматизированных систем управления не представляется возможным без использования современных технических средств контроля и регулирования. Одним из ведущих производителей является фирма Burkert. Этой фирмой производятся приборы контроля таких технологических параметров как температура, давление, расход уровень, а также приборы, предназначенные для измерения состава и качества различных сред. К ним относятся концентратомеры и рН -метры. Большим выбором, высокой надежностью и простотой подключения отличаются электромагнитные и пневматические клапаны дистанционного управления как отсечные, так и регулирующие. Конструкции приборов контроля и регулирования отличаются высокой степенью стандартизации и унификации. Все первичные измерительные преобразователи имеют унифицированный сигнал 4-20 мА постоянного тока, что позволяет их непосредственно подключать к микроконтроллеру или, через интерфейс, к промышленному персональному компьютеру. Использование выпускаемого этой фирмой контроллера дает возможность осуществлять стабилизацию таких технологических параметров как температура, давление, расход, уровень. Встроенный ПИД-регулятор с внутренней и внешней установкой параметров настройки дает возможность управления с использованием трех типов входных сигналов: частотного, токового и параметрического. Каждый из первичных измерительных преобразователей имеет встроенный микропроцессор, программирование которого осуществляется тремя клавишами с использованием дисплея на жидких кристаллах, расположенного в верхней части прибора. Приборы контроля и исполнительные механизмы могут быть включены либо непосредственно "простое подключение" между собой, либо к компьютерной сети управления с использованием промышленных персональных компьютеров и перепрограммируемых логических контроллеров. Такие системы управление носят название «безщитовой автоматизацией». Ультразвуковой преобразователь уровня модели 8175 состоит из ультразвукового датчика и блока управления с 8-ми позиционным многоязыковым индикатором, заключенным в пластиковый корпус с классом защиты IP65 (рисунок 17). Преобразователь питается напряжением 18-32В= и имеет 3-х проводной выход 4…20мА непосредственно для управления клапаном, для PLC-контроллера или внешней индикации. Простое и быстрое программирование устройства обеспечивается функциями “Teach-In” и “Simulation”. Различная форма емкостей (цилиндр, куб, сфера) может быть просто запрограммирована через задание фиксированных промежутков уровня или шаг за шагом через заполнение емкости равными порциями жидкости. Измеренная величина может отображаться как уровень, расстояние (в см., м., дюймах или футах) или непосредственно в единицах объёма (литр, м3, галлон, us-галлон). Неконтактное непрерывное измерение уровня для жидкостей в открытых или закрытых емкостях. Настенный и панельный варианты исполнения датчика модели 8175 оснащены встроенным ультразвуковым датчиком модели 8170, обеспечивающим дистанционное функционирование. В  ыходные сигналы поступают через коннектор или PG 13.5 / PG 9 (без реле) или через два PG 13.5 / PG 9 (датчик с реле). Рис. 17. Ультразвуковой датчик уровня и измерительный преобразователь. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм (см. рисунок 18).  Рис.18. Принцип действия ультразвуковых датчиков уровня. Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений. Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы. Датчики уровня модели 8175 / 8170 предназначены для измерения уровня жидкости. Цифровой расходомер с крыльчаткой типа 8035 фирмы Burkert (рисунок 19) предназначен для непрерывного измерения расхода и дозирования нейтральных и агрессивных жидкостей. Прибор состоит из фитинга и электронного модуля, которые соединяются между собой при помощи байонетного разъема. Фитинги из нержавеющей стали (любые типы присоединения к трубопроводу) позволяют устанавливать прибор на все трубы от Ду 15 до Ду 50 мм. Дисплей и меню программирования позволяют изменять все измеряемые параметры: язык меню; различные единицы измерения; калибровка; режим симуляции.  Рис. 19. Цифровой расходомер с электронным модулем типа 8035 фирмы Burkert. Клапан электромагнитный (соленоидный) прямого действия нормально закрытый 2/2 ходовой самоподпираемый с принудительным подъемом мембраны (рисунок 20). Ду от 10 до 40мм, давление 0-10 бар, температура от -30°C до +120°C. Среда: горячая вода, щелочи. Материал корпуса: латунь. Присоединение резьбовое. Особенности: отсутствие гидродинамического удара, низкий шум и нулевое падение давления. Область применения: системы регулирования, химическое производство, водоподготовка, стерилизаторы.  Рис.20. Клапан электромагнитный (соленоидный) прямого действия нормально закрытый. Контроллер типа 8620 фирмы Burkert имеет один или два релейных выхода и может быть использован следующим образом: 1: Верхнее и нижнее включение. (1) вход преобразователя и (1) 12А релейный выход. Здесь реле настроено на одну установленную точку. 2: Автоматическое наполнение или опорожнение: (1) вход преобразователя и (1) 12А релейный выход. Здесь реле настроено на две установленные точки. 3: Автоматическое наполнение или опорожнение с сигнализацией: (1)вход преобразователя и (2) 12А релейных выхода. Здесь одно реле переключено на два установленных значения, в то время как второе реле устанавливается на одну точку. 4: Верхний и нижний пределы включения. (1)вход преобразователя и (2) 12А релейный выхода. Здесь каждое реле настроено на одну точку. Контроллер типа 8620 имеет аналоговый выход от преобразователя 4-20мА и один или два релейных выхода. 12А реле срабатывает в соответствии с установленными значениями. Потребитель может установить три заданных значения в диапазоне 4-20мА. Инвертирующий переключатель позволяет легко изменить настройку контактов с нормально открытых на нормально закрытые. Регулируемое реле времени может быть настроено на задержку в диапазоне 0,15 до 60с. Переключатель-задвижка позволяет реле №2 использовать на одно (сигнальное) или два (наполнение/опорожнение) заданных значения. 4-х цифровой индикатор показывает значение сигнала 4-20мА или выбранные потребителем единицы измерения. Кнопки Easy Cal™ обеспечивают легкую настройку диапазона и заданных значений реле. Для ознакомления студентов с техническими средствами фирмы «Burkert» смонтирован специальный лабораторный стенд, дающий возможность изучить и получить навыки программирования измерительных и регулирующих приборов и устройств.
На стенде смонтированы следующие приборы и средства автоматизации фирмы «Burkert» (рисунки 21, 22) -ультразвуковой измеритель уровня типа 8175 -измеритель расхода жидкости типа 8035 -электромагнитный клапан с dy=10 мм -контроллер типа 8620 -блок питания. Монтаж приборов для контроля расхода и соленоидного клапана выполнен с использованием металлических трубок диаметром 10 мм с полиэтиленовым покрытием и стандартных фитингов диаметром 1/2". В качестве объекта управления использован термостат. На нем с помощью конусной подставки размещен ультразвуковой измеритель уровня.  Рис. 21. Блок-схема системы регулирования уровня и расхода жидкости.  Рис.22. Принципиальная электрическая схема системы регулирования уровня и расхода жидкости. Макет подключен к системе водопровода и находится под давлением 0,2 МПа. При включении его в работу и отсутствии воды в ванне термостата открывается соленоидный вентиль и происходит наполнение его водой. При этом вода проходит через измерительную часть расходомера и на его дисплее можно видеть значение расхода жидкости. При достижении верхнего предела катушка соленоидного клапана обесточивается и он прерывает подачу воды в бак термостата, при этом включается насос, расположенный внутри его и происходит откачка воды из термостата. При достижении нижнего уровня, соответствующего практически полному опорожнению, от измерителя уровня поступает сигнал на контроллер, в релейном блоке которого, происходит размыкание контактов в цепи управления электродвигателем насоса, остановка его и включение соленоидного клапана. При включении последнего вода вновь начинает поступать в бак термостата до достижения верхнего значения уровня. Далее процесс повторяется. Системы управления и настройки сигнализатора уровня 8175 (рисунки 23, 24).   Рис.23. Индикаторный экран ультразвукового датчика уровняРис. 24. Панель оператора В главном меню выводится следующая информация:  Измеренное значение: отображается уровень, расстояние или объем в требуемых единицах измерения, выбранных в меню калибровки.Температура газа: Отображается температура газа в единицах измерения, выбранных в меню калибровки. Если в этом режиме отображается «• • • °С», это означает, что измеренное значение температуры находится за пределами диапазона. (Диапазон от -40 до + 95 °С). Выходной сигнал: Стандартный диапазон выходного сигнала пропорционален выбранному диапазону измерений. (Диапазон от 4,00 мА до 20,00 мА с погрешностью 22 мА). • Во время выполнения датчиком внутренних расчетов эти единицы мигают. • Весь индикаторный дисплей мигает в случае потери сигнала или при наличии сбоя в электронной системе.   НАЖМИТЕ КЛАВИШИ ОДНОВРЕМЕННО В ТЕЧЕНИЕ 5 СЕКУНД.С помощью этого меню можно устанавливать следующие параметры (рисунок 25):  Рис. 25. Меню калибровка Рассмотрим для примера методику выбора единиц измерения. Выбор единиц измерения зависит от применения и конфигурации датчика при измерении уровня, расстояния или объема жидкости. • Если датчик настроен на измерение уровня или расстояния, выберите требуемые единицы измерения и десятичные разряды. Если выбран режим измерения объема, важно учесть тот факт, что в режиме «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМА» датчик может не использовать выбранные единицы измерения. Преобразование единиц измерения осуществляется только в режиме «определение объема», а в таблице 8 приводятся выбранные единицы измерения и отображаемые единицы измерения, которые будут использоваться в режиме «определение объема». Таблица 8
ПРОЦЕДУРЫ ОБУЧЕНИЯ ДАТЧИКА Функция обучения датчика идентифицирует и фиксирует соотношение между данными, отображенными на индикаторном экране датчика, и реальными значениями расстояния, уровня и объема, позволяя обеспечить точное выполнение измерений. Датчик автоматически выбирает подходящую процедуру обучения (расстояние, уровень или объем) в зависимости от конфигурации и выбранных единиц измерения с помощью функции выбора единиц измерения - раздел • Для выполнения процедур обучения рекомендуется выбирать фильтр 0 или 3 (в зависимости от эхо — фильтрации) во время выполнения процедуры обучения с целью быстрого расчета измерений, после чего можно выбрать необходимый фильтр. • Если для измерения был выбран объем, и должны быть определены параметры газа, выполните следующую процедуру: • Выберите расстояние или уровень с соответствующими единицами измерения. • Выполните 2-х точечное обучение для идентификации параметров газа и функцию «END» для записи значений параметров в память. • Вернитесь к единицам измерения и выберите объем и соответствующие единицы измерения. • Выполните обучение по объему для фиксации значений, выведенных на индикаторный экран датчика, и реальных значений измерения расстояния, уровня или объема. ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКА ПО УРОВНЮ И РАССТОЯНИЮ Эта функция позволяет определить соотношение между датчиком и жидкостью по расстоянию или уровню (рисунки 26, 27,28). • При измерении расстояния нет необходимости в выполнении процедуры обучения, однако, для повышения точности измерений рекомендуется выполнить 1 точечное обучение. • Если датчик был сконфигурирован для измерения уровня, необходимо выполнить по крайней мере 1 точечное обучение.  Рис. 26. Схема обучения датчика по уровню или расстоянию-1 ИЛИ 2-Х ТОЧЕЧНАЯ ПРОЦЕДУРА ОБУЧЕНИЯ ДАТЧИКА ПО УРОВНЮ ИЛИ РАССТОЯНИЮ. Эта функция идентифицирует соотношение между данными, отображенными на индикаторный экран датчика, и реальными значениями измерения путем ввода 1 или 2-х точечного измерения расстояния между жидкостью и основанием датчика. • Для достижения максимальной точности рекомендуется выполнить 2-х точечное обучение, а в качестве опорных точек выбирать экстремальные (минимальное и максимальное значения уровня). • 2-х точечное обучение также позволяет определить скорость звука для данного применения, если она не была определена или задана. ЭТАПЫ ПРАВИЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ: 1 ТОЧЕЧНОЕ ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКА ПО УРОВНЮ ИЛИ РАССТОЯНИЮ • Отрегулируйте уровень жидкости для данного применения таким образом, чтобы можно было выполнять точные измерения между основанием датчика и уровнем жидкости или до известного расстояния. • После определения значения расстояния между датчиком и жидкостью введите функцию обучения и выберите «TEACH Y». • Введите значение расстояния в соответствующих единицах измерения, и датчик автоматически рассчитает разницу между введенным значением расстояния и реально измеренным значением расстояния (время выполнения примерно 3 секунды). • Затем можно продолжить выполнение 2 - точечного обучения для обеспечения точности измерений или выбрать «END YES» для подтверждения результатов измерения, либо продолжить выполнение следующей функции.  Рис.27. Процедура обучения датчика уровня по уровню или расстоянию. Схема установки датчика. 2-Х ТОЧЕЧНОЕ ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКА ПО УРОВНЮ ИЛИ РАССТОЯНИЮ • Выполните шаги 1 точечного обучения и убедитесь в том, что в качестве опорных точек выбраны экстремальные для данного применения (минимальная и максимальная). • Выберите «END NO» после введения первого значения измерения расстояния, и датчик обработает полученную информацию (расчет разницы). • Заполните или опорожните резервуар /бак до нового опорного уровня и выполните измерение расстояния. • Введите значение расстояния в соответствующих единицах измерения, и датчик автоматически рассчитает разницу между введенным значением расстояния и реально измеренным значением расстояния (время выполнения примерно 3 секунды). • Выберите « VALID Y» для подтверждения результата или исключите его и перейдите к следующему параметру.   Рис. 28. Схема 2-х точечного обучения датчика по расстоянию.ПРОЦЕДУРА ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКА ПО ОБЪЕМУ Эта функция позволяет определить соотношение между данными, отображенными на индикаторном экране датчика (рисунок 29), и реальными значениями измерения по объему. Выполнить данную функцию можно путем ввода: • Размеров резервуара или бака (только для резервуаров и баков правильной формы) - (©) или • Ввода до 12 значений расстояния и связанных с ними значений объема (для резервуаров и баков неправильной формы); • Ввода до 12 известных значений объема при измерении расстояния с помощью датчика – Примечание. Необходимо обращать внимание на выбранные единицы измерения и на введенные в данном режиме измеренные значения, поскольку датчик для расчета объема использует только метры и футы.  Рис.29. Схема обучения датчика по объему  Ввод размеров резервуара.• При выполнении этой функции можно выбрать 1 из 5 режимов в зависимости от применения и формы резервуара / бака. • Выберите одну из заранее определенных форм - «ver cyl», «cube» или"sphere" и введите требуемые размеры. • Если выбран ручной режим работы («manual»), то датчик автоматически переходит к следующему режиму ®, позволяя пользователю вручную ввести измеренные значения расстояния с соответствующими объемами. • В режиме "special" пользователь может выбрать предыдущее значение объема. Процедура обучения завершена. Данная процедура позволяет датчику рассчитывать значение объема жидкости, содержащейся в резервуаре / баке, в соответствии с измеренным уровнем жидкости. • На схеме (рисунок 30) показаны доступные режимы и требуемая информация следующего формата: X = радиус Y= длина Z - ширина • Введите размеры резервуара, затем введите реальное значение текущего объема жидкости в резервуаре или баке, и датчик автоматически измерит расстояние и отобразит его значение на индикаторном экране. • Если используется горизонтальный цилиндр, выполните предварительный расчет значений, используя таблицу 8. После этого выберите и выполните ручной ввод значений расстояния и соответствующих значений объема в рамках процедуры (D).  Рис. 30. Схема обучения датчика расчету значений объема жидкости, содержащейся в резервуаре, в соответствии с измеренным уровнем жидкости - РУЧНОЙ ВВОД ЗНАЧЕНИЙ РАССТОЯНИЯ и СООТВЕТСТВУЮЩИХ ЗНАЧЕНИЙ ОБЪЕМАЭта функция использует значения расстояния между основанием датчика, поверхностью жидкости и соответствующие объемы для фиксации соотношения между данными, отображенными на индикаторном экране датчика, и реальными значениями измерения. • Данная функция позволяет вводить до 12 различных значений расстояния и связанных с ними значений объема. • Этот режим обычно используется для резервуаров и баков неправильной формы, поскольку он позволяет ввод отдельных значений расстояния и объема. • Эта функция может быть выполнена до того, как датчик будет установлен на фитинг. • Точность выполнения данной функции в значительной степени зависит от выбранной опорной точки в соответствии с формой резервуара или бака. ЭТАПЫ ПРАВИЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ: • Идентифицируйте не менее 2 опорных точек в соответствии с формой резервуара или бака для измерения значений расстояния и ввода соответствующих значений объема. • Значения можно вводить либо в порядке увеличения, либо в порядке уменьшения, тем не менее, максимальное значение объема, которое можно вводить, составляет 599.99 м3 или 5999,9 литров/галлон. • Выберите режим «MANUAL» в опции «ввод размеров резервуара» меню (©)и нажмите клавишу «Enter». • Введите первое значение измерения расстояния и нажмите клавишу «En-ter». • Введите соответствующее значение объема, которое отвечает ранее введенному значению расстояния, и нажмите клавишу «Enter». • Повторите последние 2 шага ввода значений расстояния и соответствующих значений объема. • После ввода второго соответствующего значения объема можно выйти из данного режима, выбрав «END YES», и выберите подтверждение или игнорирование режима, после чего переходите к следующей функции. С другой стороны, можно продолжить выполнение процедуры и ввести измеренное значение расстояния и значение соответствующего объема, выбрав «END NO», когда данная опция появится. Это можно повторить для ввода в общей сложности 12 значений измерений (рисунок 31). Если введено неправильное значение, выберите «END YES» и подтвердите введенные значения измерения. В рамках данного меню (калибровка) выберите «END», затем повторно войдите в меню, выберите функцию и повторите ввод значений измерения, начиная с неправильного значения (рисунок 32).  Рис. 31. Схема выбора опорных точек  • Этот режим позволяет отобразить на индикаторном экране значение объема, например, в процентах или других единицах измерения. Выбранные единицы измерения не должны затем учитываться.Рис. 32. Схема ручного ввода значений расстояний и соответствующих значений объема. • Аналогичным способом можно использовать модель 8175 для отображения на индикаторном экране скорости потока в открытых каналах.  -ПРОЦЕДУРА ОБУЧЕНИЯ ДАТЧИКА ПО ОБЪЕМУ Эта функция идентифицирует расстояние между основанием датчика и поверхностью жидкости, а соответствующие значения объема вводятся для задания соотношения между данными, отображенными на индикаторном экране датчика, и реальными значениями измерения. • Данная функция позволяет вводить до 12 отдельных измеренных значений объема, связанных со значениями расстояния, измеренными с помощью датчика. • Для выполнения этой функции необходимо знать значения соответствующих объемов по отношению к измеренным значениям расстояния. • Точность выполнения данной функции в значительной степени зависит от выбранной опорной точки в соответствии с формой резервуара или бака (см. схему на рисунке 33).  Рис. 33. Схема выбора опорных точек в соответствии с формой резервуара. ЭТАПЫ ПРАВИЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЯ: • Идентифицируйте не менее 2-х опорных точек в соответствии с формой резервуара или бака для ввода значений объема, соответствующих измеренным датчиком значениям расстояния. • Резервуар или бак может заполняться или опорожняться для каждой опорной точки, однако, максимальное значение объема, которое может быть введено, равняется 599,9 м3 или 5999,9 литров / галлон. • Выберите «TEACH Y» при вводе функции обучения и нажмите клавишу «Enter». • Датчик автоматически рассчитает первое значение измерения расстояния. • Если измеренное значение расстояния правильное, нажмите клавишу «Enter» и введите значение объема, связанное с измеренным расстоянием, и нажмите клавишу «Enter». • Предыдущие 2 шага будут автоматически повторены, поскольку датчику требуется не менее 2 опорных точек. • После ввода второго соответствующего значения объема можно выйти из данного режима, выбрав «END YES», и выберите "VALIO Y" для подтверждения или игнорирования режима, после чего переходите к следующей функции. С другой стороны, можно продолжить выполнение процедуры и ввести измеренное значение расстояния и значение соответствующего объема, выбрав «END NO», когда данная опция появится. Это можно повторить для ввода в общей сложности 12 значений измерений. Если введено неправильное значение, выполнение всей процедуры должно быть повторено, начиная с первой точки измерения. Предыдущие введенные значения не будут доступны, в связи с чем рекомендуется записать эти значения во время выполнения процедуры (см. схему на рисунке 34). | ||||||||||||