Автоматизированный стенд для проведения лабораторных работ по изучению пи-регуляторов давления в системе водоснабжения на базе трёхфазного асинхронного электропривода насоса и преобразователя частоты

Рисунок 1 – Система управления насосом на базе ПЧ

В целях совершенствования лабораторной базы Энергетического факультета Азово Черноморского инженерного института ФГБОУ ВО Донской ГАУ нами разработан и изготовлен автоматизированный стенд для проведения лабораторных работ по изучению ПИ - регуляторов давления в системе водоснабжения на базе трехфазного асинхронного электропривода насоса и преобразователя частоты.

Основная часть. Лабораторный стенд (рисунок 2) состоит из шкафа управления, электронасоса, бака для воды, датчика давления, манометра, вентиля для задания режимов работы, пневмогидравлического аккумулятора.

Рисунок 2 – 3 D модель стенда

В шкафе управления используется преобразователь частоты ВЕСПЕР [4], автоматический выключатель, коммутационная и сигнальная аппаратура. Гидроаккумулятор представляет собой расширительный мембранный бак, который также служит для поддержания давления в напорной системе водоснабжения, предотвращения гидроударов и уменьшения числа включений и выключений насоса. Применение гидроаккумулятора позволяет упростить настройку частотного преобразователя, используя ПИ - закон регулирования.

В процессе работы стенда величина давления в подающем трубопроводе измеряется при помощи датчика, преобразующего величину давления в электрический аналоговый сигнал. Если давление падает ниже минимума, то станция управления плавно запускает электронасос для предотвращения гидроудара, затем величина давления поддерживается при помощи изменения частоты вращения.

Рисунок 3 – Структурная схема ПИ - регулятора

Наиболее распространённый закон аналогового регулирования при частотном управлении электронасосом – Пропорционально - Интегральный, или коротко ПИ – реализован непосредственно в преобразователях частоты, что существенно упрощает создание подобных систем управления (рисунок 3).

ПИ - регулятор, как и любая система автоматического регулирования с обратной связью, предусматривает наличие двух входов и одного выхода: вход сигнала обратной связи от датчика технологического параметра и вход сигнала уставки регулятора для задания требуемой величины технологического параметра [1, 2, 3]. Выходной сигнал ПИ - регулятора формируется в результате математических вычислений по приведённым на рисунке 3 выражениям с двумя слагаемыми P и I .

Звено пропорциональной ( Р ) составляющей определяет величину выходного сигнала П - регулятора, который формируется в результате сравнения в сумматоре значений двух сигналов: сигнала обратной связи (ОС) и сигнала уставки. Выходной сигнала П - регулятора - это ошибка (рассогласование) управления e(t) , умноженная на коэффициент K P .

Для повышения точности и компенсации статической ошибки, в структуру регулятора вводится звено интегральной составляющей ( I ). В связи с тем, что в интегрирующем звене производится вычисление интеграла, его действие проявляется с течением времени. Степень компенсации статической ошибки регулирования прямо пропорциональна значению коэффициента K i .

От величин коэффициентов настройки ПИ - регулятора зависят не только показатели качества регулирования (точность, быстродействие, величина перерегулирования), но и устойчивость автоматической системы регулирования (АСР) [1, 3].

В установке используется датчик давления DML 330M с аналоговым выходом 4..20 мА, диапазон измерения 0-6 Мпа, а для визуального контроля давления применён стрелочный манометр. Это даёт возможность в цикле лабораторных работ по изучению датчиков автоматики, наряду с теоретическим материалом учебного пособия, провести практический эксперимент по снятию характеристики датчика давления с нормализованным токовым выходом типа «токовая петля». Для этого предусмотрен амперметр, при помощи которого строится тарировочная характеристика датчика давления P=f(I) (рисунок 4, а).

Так как при помощи стенда в цикле лабораторных работ по изучению регуляторов автоматики производится экспериментальное исследование переходных характеристик ПИ - регулирования давления, предусмотрено использование ПЭВМ с платой ввода аналоговых сигналов, а для сопряжения датчика давления с токовым выходом и АЦП используется шунт величиной и RC- фильтр низкой частоты. При снятии токовой характеристики датчика также производится тарировка измерительной цепи P=f(U) (рисунок 4, б).

Рисунок 4 – Тарировочные характеристики

Напряжение, В б

Экспериментальные данные по исследованию характеристик датчика давления и измерительной цепи обрабатываются в электронных таблицах с определением уравнений регрессии [7]. Из технической документации на датчик давления следует, что характеристика линейна, поэтому производится аппроксимация экспериментальных данных уравнением прямой линии.

В процессе изучения принципа действия и настройки ПИ - регулятора давления в системе водоснабжения с преобразователем частоты производится экспериментальное исследование переходных характеристик при изменении коэффициентов усиления по цепи обратной связи, K P и K . Настройка ПЧ производится в соответствии с рекомендациями производителя [4].

В процессе обработки полученных при помощи ПЭВМ переходных характеристик при подаче возмущающих воздействий (например, перекрытием подачи воды вентилем) при помощи электронных таблиц используется полученная ранее тарировочная характеристика измерительной цепи P=f(U) . Пример переходных характеристик при различных величинах настроечного коэффициента K_t представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Переходные характеристики ПИ - регулирования давления

Заключение . В связи с тем, что подготовка студентов среднего специального и высшего образования по инженерным направлениям должна сочетать получение систематизированных теоретических знаний с наглядностью физических экспериментов, разработанная нами лабораторная установка позволяет изучать такие технические средства промышленной автоматизации, как датчики давления с выходом типа «токовая петля», преобразователи частоты для управления асинхронными электроприводами, ПИ - регуляторы в системе водоснабжения.