Написание курсовой работы по автоматизации технологических процессов — сложная задача, требующая четкой структуры и глубокого понимания предмета. Особенно это касается таких классических объектов, как паровые котлы, где на смену устаревшим системам приходят современные решения. Актуальность этой темы продиктована необходимостью повышения энергоэффективности и надежности в современной энергетике. В этой статье мы представим эталонную структуру курсового проекта на примере автоматизации котла БКЗ-75-39 — типичного, но требующего модернизации агрегата. Цель нашей работы — не просто описать котел, а предложить логику разработки полноценной системы автоматического управления (САУ), которая повысит экономичность и безопасность его эксплуатации.
Глава 1. Анализ котла БКЗ-75-39 как объекта управления
Прежде чем автоматизировать какой-либо процесс, необходимо досконально изучить сам объект. Котел БКЗ-75-39 — это паровой котел среднего давления, предназначенный для выработки перегретого пара, который используется в промышленных целях или для привода турбин. Его конструкция включает в себя топочную камеру, барабан, пароперегреватель и экономайзер, которые вместе обеспечивают эффективный нагрев воды и генерацию пара.
Ключевые технические характеристики этого агрегата являются основой для проектирования системы управления.
- Номинальная паропроизводительность: 75 тонн пара в час.
- Рабочее давление пара: 3.9 МПа.
- Температура перегретого пара: 440 °C.
С точки зрения автоматизации, котел представляет собой сложный объект с множеством взаимосвязанных параметров. Важно выделить основные входные (управляющие) и выходные (контролируемые) переменные. К входным относятся: подача топлива, подача воздуха в топку и расход питательной воды. Ключевыми выходными параметрами, которые необходимо стабилизировать, являются: давление пара в барабане, уровень воды в нем и температура перегретого пара.
Глава 2. Обоснование необходимости разработки новой САУ
Многие котлы типа БКЗ-75-39 до сих пор эксплуатируются с устаревшими системами управления, а иногда и вовсе в ручном режиме. Типовая схема контроля часто опирается на локальные приборы и требует постоянного вмешательства оператора. Такой подход имеет существенные недостатки: низкая точность регулирования, высокая инерционность реакции на изменение нагрузки и, что самое главное, — сильная зависимость от человеческого фактора.
Оператор физически не способен в реальном времени оптимизировать процесс горения, что ведет к перерасходу топлива и повышенным выбросам вредных веществ. Современные энергетические установки достигают КПД в 90-92%, что является ориентиром для модернизации. Поэтому к разрабатываемой САУ предъявляются четкие требования:
- Повышение КПД котла за счет оптимизации соотношения «топливо-воздух».
- Снижение вредных выбросов в атмосферу (NOx, CO).
- Повышение безопасности эксплуатации за счет автоматических защит и блокировок.
- Полная автоматизация основных контуров регулирования для минимизации участия человека.
Глава 3. Разработка функциональной схемы автоматизации
Функциональная схема — это логическая архитектура будущей системы. Она определяет, какие параметры, как и чем будут регулироваться, не углубляясь в конкретные модели оборудования. Для котла БКЗ-75-39 необходимо выделить несколько ключевых, взаимосвязанных контуров регулирования.
В основе современной САУ лежит модульный принцип, где каждый контур отвечает за стабилизацию своего параметра, но при этом обменивается информацией с другими.
- Контур регулирования давления пара: Является основным. Давление поддерживается путем воздействия на подачу топлива в топку. Сигналом для регулятора служит показание датчика давления в барабане котла.
- Контур регулирования уровня воды в барабане: Обеспечивает материальный баланс. Регулятор, получая сигнал от датчика уровня, управляет клапаном на линии подачи питательной воды.
- Контур регулирования соотношения «топливо-воздух»: Ключевой контур для обеспечения экономичности. Он поддерживает оптимальное горение, изменяя подачу воздуха в топку вслед за изменением расхода топлива.
- Контур регулирования температуры перегретого пара: Стабилизирует температуру пара на выходе из котла, как правило, путем впрыска охлаждающей воды в пароперегреватель.
Каждый такой контур включает в себя датчик (измерительный прибор), контроллер (вычислительное устройство) и исполнительный механизм (регулирующий орган).
Глава 4. Выбор технических средств для реализации САУ
На этом этапе абстрактная функциональная схема обретает физическое воплощение. Выбор оборудования — это компромисс между техническими требованиями, надежностью и стоимостью. В качестве «мозга» системы наиболее целесообразно использовать программируемый логический контроллер (ПЛК), например, из линейки SIEMENS SIMATIC, который является промышленным стандартом для таких задач.
Далее подбираются конкретные средства для каждого контура:
- Датчики: для измерения давления — преобразователи давления; для уровня — дифманометры-уровнемеры; для температуры — термопары или термосопротивления; для анализа уходящих газов — лямбда-зонд (датчик кислорода).
- Исполнительные механизмы: для управления потоками — регулирующие клапаны с электрическими приводами; для управления подачей воздуха — направляющие аппараты дымососов и вентиляторов с электроприводами.
По итогам этого раздела составляется спецификация, которая является полным перечнем всего необходимого оборудования для монтажа шкафа управления и оснащения котла.
Глава 5. Проектирование алгоритмов автоматического управления
Алгоритмы — это математическая и логическая основа, заложенная в программу контроллера. Для большинства технологических процессов, включая управление котлом, промышленным стандартом де-факто является использование ПИД-регуляторов (пропорционально-интегрально-дифференциальных). Они применяются для контуров стабилизации давления, уровня и температуры благодаря своей надежности и эффективности.
Наибольший интерес представляет алгоритм регулирования соотношения «топливо-воздух». Простое поддержание постоянного соотношения неэффективно. Правильный подход — это каскадное регулирование с коррекцией по содержанию кислорода в уходящих газах. Алгоритм работает следующим образом:
- Базовый сигнал на подачу воздуха формируется исходя из текущего расхода топлива.
- Этот сигнал корректируется показаниями лямбда-зонда, установленного в газоходе.
- Цель коррекции — поддерживать оптимальный коэффициент избытка воздуха (обычно в пределах 1.05-1.1), что гарантирует полное сгорание топлива с минимальными потерями.
Для наглядного представления логики работы каждого контура в курсовой работе обязательно приводятся блок-схемы разработанных алгоритмов.
Глава 6. Разработка принципиальной электрической схемы САУ
Принципиальная электрическая схема — это документ, который связывает все выбранные компоненты в единую систему и показывает, как именно они соединены. Это чертеж, на котором детально изображается весь шкаф автоматики. На схеме указываются:
- Программируемый логический контроллер (ПЛК) с его модулями входов и выходов.
- Подключение всех датчиков к аналоговым и дискретным входам ПЛК.
- Подключение управляющих сигналов от выходов ПЛК к исполнительным механизмам (приводам клапанов и заслонок).
- Схема питания всего шкафа управления, включая автоматические выключатели, блоки питания и элементы защиты от перенапряжения.
К схеме прилагается подробное описание ее работы. В нем объясняется, как аналоговые сигналы (например, 4-20 мА) от датчиков поступают на входы контроллера, обрабатываются в соответствии с заложенными алгоритмами, и как на выходах ПЛК формируются управляющие сигналы, которые подаются на силовые элементы, приводящие в движение исполнительные механизмы. Проектирование ведется в соответствии с действующими стандартами (ГОСТ).
Глава 7. Моделирование и анализ эффективности работы системы
Прежде чем внедрять систему на реальном объекте, необходимо доказать ее работоспособность и эффективность. Для этого используется математическое моделирование в специализированных программных средах, таких как Simulink (в составе MATLAB) или среды эмуляции ПЛК (например, в TIA Portal от Siemens).
В ходе моделирования создается виртуальная модель котла и разработанной САУ. Ключевой этап — проверка реакции системы на различные возмущения, например, на резкое изменение паропотребления. Результаты представляются в виде графиков переходных процессов, на которых видно, как система стабилизирует параметры (давление, уровень) после скачка нагрузки. Анализ этих графиков позволяет доказать, что разработанная САУ является устойчивой, обеспечивает требуемую точность поддержания заданных значений и справляется с возмущениями значительно быстрее и точнее, чем при ручном управлении.
Заключение, где подводятся итоги и формулируются выводы
В заключении необходимо кратко резюмировать проделанную работу, вернувшись к цели, поставленной во введении. Следует перечислить ключевые достигнутые результаты: был проведен анализ котла БКЗ-75-39 как объекта управления, на основе этого анализа разработаны функциональная и принципиальная электрическая схемы современной САУ, а также спроектированы и обоснованы алгоритмы автоматического регулирования.
Главный вывод работы должен четко отвечать на главный вопрос: решает ли проект поставленную задачу? Да, разработанная система автоматического управления, как показывают результаты моделирования, позволяет существенно повысить экономичность (за счет оптимизации горения) и безопасность эксплуатации котла БКЗ-75-39. В качестве перспектив дальнейшего развития проекта можно указать возможность внедрения более сложных, предиктивных алгоритмов управления или интеграцию системы в общую АСУ ТП предприятия.