Применение компараторов в регуляторах

Применение компараторов в регуляторах

Алексей Костерин, к. ф-м. н., директор

В предыдущих выпусках мы рассматривали применение компараторов для реализации функций сигнализации, защиты, контроля состояния и проч. В настоящем выпуске Методички мы рассмотрим комплексное применение компараторов для выполнения вышеуказанных функций и, главное, для организации взаимосвязанного управления различными технологическими параметрами в одном объекте.

ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ

Рассмотрим вакуумную печь для термической обработки металлов в разреженной среде. Как и раньше, здесь мы уделим основное внимание функциональным аспектам, а технологические вопросы обсуждаем только на том уровне, который необходим для постановки задачи управления. Технологические тонкости оставляем технологам.

Технологическая задача заключается в термообработке металлических изделий в разреженной среде – вакууме. Вакуум используется для того, чтобы исключить насыщение обрабатываемых деталей газами, содержащимися в воздухе.

В вакуумной печи управление осуществляется двумя технологическими параметрами – температурой и давлением (разряжением). Кратко описание процессов в печи формулируется следующим образом. Графики процессов показаны на рис. 1.

рис.1

В печи при нормальной температуре производится откачка воздуха до определенного уровня (задается технологическим регламентом) и затем этот уровень разряжения поддерживается. При достижении заданного уровня разряжения начинается разогрев печи и дальнейшая стабилизация температуры. Стабильный уровень температуры должен поддерживаться в течение некоторого заданного времени.

По истечении заданного периода времени отключается нагрев и происходит охлаждение печи. Когда печь остыла, отключается компрессор и открывается клапан, через который происходит выравнивание давление в печи до уровня атмосферного. После этого печь можно открывать.

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

1. Открывается дверь печи. Системы откачки воздуха и нагрева блокированы.
2. Загружаются изделия в рабочую камеру печи.
3. Закрывается дверь печи. Блокировки откачки воздуха и нагрева снимаются.
4. Кнопкой ПУСК запускается процесс. Начинается откачка воздуха до заданного уровня разряжения РНОРМ, при достижении которого начинается разогрев. Разряжение в печи стабилизируется на уровне Рст, несколько ниже того уровня, при котором начинается нагрев.
5. При достижении температурой заданного уровня ТНОРМ запускается реле времени. Его задача – сформировать интервал времени, в течение которого производится термическая обработка металла.
6. По окончании временного интервала нагрев отключается и происходит охлаждение печи за счет естественных теплопотерь. Разряжение в печи продолжает поддерживаться.
7. Когда печь остынет до нужного уровня ТОст, стабилизация разряжения прекращается и открывает запорный клапан, впускающий наружный воздух в остывшую печь. Давление в печи выравнивается. Клапан остается открытым до следующего пуска печи.

Требованиями безопасности установлено, что в период термообработки контролируется температура в печи независимым прибором. Нормативом установлены два уровня срабатывания сигнализации. Первый уровень Тсигн предупредительный, при его достижении срабатывает звуковая и световая сигнализация, второй уровень Тав – аварийный. При достижении аварийного уровня Тав прерывается отсчет временного интервала и начинается досрочное охлаждение печи, но которое выполняется по штатному расписанию: отключается нагрев, после охлаждения печи прекращается откачка, давление выравнивается с помощью впускного клапана.

Дополнительно в печи предусмотрена возможность ручной аварийной остановки процесса с помощью аварийной кнопки. Алгоритм выполнения аналогичен алгоритму при срабатывании аварийной сигнализации.

Несмотря на то, что алгоритм управления двумя технологическими параметрами довольно сложный, реализация системы управления и стабилизации технологических параметров может быть полностью реализована с помощью достаточно простых технических средств, выпускаемых НПФ КонтрАвт.

ЦИКЛОГРАММЫ ПРОЦЕССА

Графики процесса показаны на Рис. 1, описание основных этапов процесса дано в Табл. 1.

Таблица 1.

Этап	Время	Наименование	Описание
0	Подготовительные операции
	Не регламентируется	Открытие печи	Открывается крышка, системы откачки и нагрева блокированы
	Не регламентируется	Загрузка изделий в печь	Изделия размещаются в печи, системы блокированы
	Не регламентируется	Закрытие печи	Дверь печи закрывается, блокировки снимаются
1	Начало процесса и предварительная откачка воздуха
	t0	Команда ПУСК	Нажатие кнопки ПУСК, устанавливается сигнализация РАЗРЯЖЕНИЕ
	t0–t1	Предварительная откачка	Работает насос откачки воздуха
	t1	Предварительная откачка воздуха завершена, начинается разогрев	Уровень разряжения поддерживается регулятором Сигнализация НАГРЕВ
2	Нагрев и термообработка
	t1–t2	Нагрев печи до рабочей температуры	Сигнализация НАГРЕВ
	t2	Начало термообработки	Температура в печи достигла рабочего уровня, началась термообработка. Сигнализация НАГРЕВ Сигнализация ТЕМПЕРАТУРА В НОРМЕ Реле времени начинает отсчет временного интервала
	t2–t3	Термообработка	Этап термообработки изделия Сигнализация НАГРЕВ Сигнализация ТЕМПЕРАТУРА В НОРМЕ
2	Охлаждение печи
	t3	Термообработка завершена	Срабатывает реле времени, термообработка завершена, начинается естественное охлаждение печи. Сигнализация НАГРЕВ После некоторого остывания Сигнализация ТЕМПЕРАТУРА В НОРМЕ выключается
	t3–t4	Охлаждение печи	Сигнализация НАГРЕВ
	t4	Печь остыла	Отключается откачка, срабатывает впускной клапан Сигнализация НАГРЕВ выключается
	t5	Печь открыта, изделия выгружаются	Температура и давление в печи близки к нормальным, системы откачки и нагрева блокированы.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

Для реализация описанного выше алгоритма управления может быть использована схема , представленная на Рис. 2.

Рис. 2. 1

Рис. 2. 2

Рис. 2. 3

В схеме используются:

Регулятор П1 МЕТАКОН-513 используется для поддержания температуры на заданном уровне Тст с использованием ПИД-алгоритма. ПИД алгоритм используется для обеспечения требуемой точности поддержания температуры. Сигнал управления у ПИД-регулятора является импульсным и его частота должна быть достаточно большой. Частая коммутация силовой нагрузки обуславливает применение бесконтактного симисторного блока БС. Его мощность выбирается исходя из мощности нагревателей в печи. Один компаратор регулятора используется для предупредительной сигнализации при перегреве в печи. Сигнализация световая и звуковая. Второй компаратор формирует сигнал управления Температура в норме. По этому сигналу начинается отсчет времени с помощью реле времени П4 ЭРКОН-215. Это реле времени формирует временной интервал t3-t2, в течение которого происходит термическая обработка изделия.

Первый компаратор регулятора П2 МЕТАКОН-512 формирует сигнал Авария при достижении температуры в печи аварийного уровня Тав. Второй компаратор выдает сигнал Печь остыла после того, как окончится этап термообработки, нагрев отключится и произойдет остывание печи до температуры Тост.

Регулятор П3 МЕТАКОН-512 применяется для управления разрежением в печи с помощью насоса на уровне Рст. Второй компаратор формирует сигнал Разряжение в норме при давлении Рнорм.

Блок реле П5 содержит четыре реле с контактами на переключение. Реле К1 используется для организации самоподхвата кнопки ПУСК. Реле К2 управляет работой насоса и впускного клапана. Его контакты используются в режиме на переключение, поэтому работает либо насос, либо впускной клапан. Реле К4 управляет силовым контактором, который разрывает силовые цепи нагревателя при аварийном перегреве в печи.

Блок реле П6 также содержит четыре реле. Реле К1 используется для организации самоподхвата сигнала Нагрев. Реле К2 разрешает прохождение сигнала управления температурой при условии, что Разряжение в норме. Реле К3 задействовано в организации логики управления. Реле К4 запускает реле времени П4.

Фильтр сетевой П7 ФС-220 устраняет влияние сетевых помех на схему контроля и управления.

Блок питания П8 БП24 обеспечивает стабилизированным напряжением схему управления и индикации.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Этап 0

Подано сетевое напряжение, измерительные приборы отображают значения технологических параметров.

На этом этапе дверь печи открыта и концевой выключатель КВ разомкнут. Тем самым он блокирует работу кнопки ПУСК и всей остальной схемы управления. Нормально замкнутые контакты реле К2 блока П5 включают впускной клапан. После загрузки печи, дверь закрывается, концевой выключатель КВ замыкается и разрешает работу кнопки ПУСК.

Этап 1

Работа установки запускается кнопкой ПУСК. Кнопка ПУСК через замкнутый концевой выключатель КВ и нормально замкнутые контактны второго компаратора регулятора П2 включает реле К1, К2 блока реле П5. Одновременно включается сигнализация Разряжение. Реле К1 обеспечивает самоподхват кнопки ПУСК. Реле К2 замыкает цепь управления насосом. Начинается откачка воздуха.

При достижении заданного уровня разряжения, регулятор П3 формирует сигнал Разряжение в норме, который через нормально замкнутые контакты реле времени и кнопку СТОП включает реле К1, К2, К3 блока П6. Одновременно включается сигнализация Нагрев. Реле К1 обеспечивает самоподхват. Реле К2 включает цепь управления нагревом – сигнал Управление нагревом проходит на симисторный блок БС. Реле К3 дублирует нормально замкнутые контакты сигнала Печь остыла. Поскольку сигнал Печь остыла формируется дважды – при нагреве и при остывании – дублирование исключает действие сигнала при нагреве.

Регулятор П3 управляет процессом откачки, а при достижении уровня стабилизации Рст – поддерживает разряжение на заданном уровне Рст.

Регулятор П2 управляет нагревом, в дальнейшем поддерживает температуру на заданном уровне Тст. При достижении порога Тнорм срабатывает компаратор, который формирует сигнал Температура в норме. Срабатывает сигнализация Температура в норме и реле К4 блока П6. Его контакты запускают реле времени П4. В реле времени ЭРКОН-215 установлена диаграмма № 1 Задержка на включение. Реле времени не включается в течение времени T1 (время термообработки), а затем включается на время Т2.

Этап 2

После того, как реле времени через время Т1 сформирует сигнал, срабатывают его нормально замкнутые контакты реле, которые размыкают цепи питания реле К1, К2, К3 блока П6. В результате размыкается цепь управления нагревом (реле К2), отключается сигнализация Нагрев, снимается дублирование контактов сигнала Печь остыла.

Нагрев отключен и начинается естественное охлаждение печи. При снижении температуры до заданного уровня Тохл сработает второй компаратор регулятора П2, который формирует сигнал Печь остыла – нормально замкнутые контакты размыкаются и разрывают цепь питания реле К1, К2 блока П5. Реле К2 разрывает цепь управления насосом и включает впускной клапан. Сигнал Разряжение выключается. Через впускной клапан происходит поступление воздуха в печь, давление выравнивается. Печь можно открывать. Открытая дверь разрывает цепь концевого выключателя, которая блокирует все цепи управления. Система управления перешла в исходное состояние.

ДЕЙСТВИЕ СИГНАЛИЗАЦИИ

Системе предусмотрена двухуровневая сигнализация при неуправляемом повышении температуры. Первый уровень – предупредительная сигнализация: световая и звуковая. Цепь данной сигнализации – привлечь внимание персонала при достижении темпеартуры в печи уровня Тсигн, поэтому используется и световое и звуковое оповещение. Алгоритм работы не меняется. Второй уровень – аварийная сигнализация. При ее срабатывании (при температуре Тав) происходит отключение нагрева, плановое охлаждение, выравнивание давления. Контакты сигнала Авария включены в цепь реле времени, поэтому срабатывание аварийной сигнализации (первый компаратор регулятора П2), вызывает такую же последовательность действий как и при окончании временной выдержки.

Дополнительно включается световая индикация Авария, а реле К4 блока П5 отключает контактор, который в свою очередь размыкает силовую цепь питания нагревателя. Поскольку сигнал Авария разрывает непосредственно силовую цепь, то такая защита предохраняет и от выхода из строя регулирующего прибора П1, так и от короткого замыкания в симисторном блоке БС. Это наиболее надежный способ защиты. Обратим внимание на то, ч то два уровня сигнализации реализовано на различных приборах П1 и П2, что повышает безопасность системы.

В системе также предусмотрена возможность ручной остановки процесса термообработки. Для этого должна быть нажата кнопка СТОП, которая также включена в цепь реле времени и сигнала Авария. Поэтому порядок действий и в этом случае такой же.

Поведение параметров при аварийной сигнализации и при кнопке СТОП показана на Рис. 1 пунктиром.

ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ В СМЕЖНЫЕ СИСТЕМЫ

Измеренные технологические параметры, а также информацию о состоянии компараторов (а значит и о ходе выполнения процесса, аварийных ситуациях) можно передавать в системы сбора данных и управления. Передача данных осуществляется по интерфейсу RS485. Применение ОРС сервера позволяет передавать данные не только в систему сбора данных RNet производства НПФ КонтрАвт, но и во все другие SCADA системы, поддерживающие ОРС технологию.