ВВЕДЕНИЕ

Системы дождевального полива предназначены для полива полей, газонов и, частично, для полива находящихся на газоне деревьев и кустарников. Для орошения больших участков почв, полей, обычно используются такие дождевальные установки, как «Волжанка», «Фрегат». Поскольку протяженность в этих установках велика, необходимо контролировать давление в трубопроводе установки, так как могут произойти пробои или засоры в магистралях. В настоящее время в хозяйстве мало используются системы автоматического контроля давления в дождевальных установках, это приводит к неравномерному поливу участков, что влияет на урожайность посевов. Без автоматического контроля фермерам приходится постоянно следить за поливом, то есть тратятся трудовые и экономические ресурсы. Разработка системы значительно сократит затраты на обслуживание дождевальных установок.

Задачей курсовой работы является разработка системы автоматического контроля давления жидкости в трубопроводе дождевальных установок. В основные пункты работы входят подбор элементов системы, проверка соответствия качества и быстродействия системы с техническим заданием, и, если необходимо, создание более качественной системы с использование корректирующих устройств.

Разрабатываемая система автоматического контроля давления жидкости в трубопроводе дождевальной установки позволяет автоматически регулировать значение давления путем изменения пропускной способности регулирующего клапана на входе системы. Преимуществом системы перед ее аналогами является наличие датчиков обратной связи. Обычные системы управления дождевальными установками работают по определенной заданной программе, без учета влияния внешних факторов.

---

1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА СИСТЕМУ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ДОЖДЕВАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

1.1 Назначение системы автоматического контроля давления жидкости в трубопроводе дождевальных установок

Данная локальная система автоматического управления (ЛСАУ) поливом применяется в мелиорации. Мелиорация почв - вид рационального природопользования; комплекс мер для повышения плодородия земель или общего оздоровления местности. Мелиорация может касаться всего ландшафта в целом или какой-либо его части: лугов, водоемов, почв и тому подобного.

Различают мелиорацию трех видов.

1) Гидротехническая мелиорация: орошение, осушение, промывка засоленных почв.

2) Химическая мелиорация: известкование, гипсование, окисление.

3) Физическая мелиорация: пескование, глинование, агролесомелиорацию и другое.

Характер выполняемой работы данного ЛСАУ – контроль давления в трубопроводе конструкций орошения.

Перечень выполняемых задач ЛСАУ – регулирование потока поступаемой жидкости в зависимости от состояния трубопровода и перекрытие потока в случае прорыва в установке, а также отработка возмущающих воздействий в виде температуры окружающей среды.

1.2 Состав системы автоматического контроля давления жидкости в трубопроводе дождевальных установок

Функциональная схема ЛСАУ показана на рисунке 1.1. Диапазоны выходного параметра – давления – выбран с учетом данных дождевальных установок
0 ÷ 3 атм.

S=0 ÷ 2 см²

t

АЦП

I=0 ÷ 5 мА

АЦП

t=0 ÷ 50⁰С

ЦАП

U₂=0 ÷ 24 В

U=0 ÷ 5 В

P=0 ÷ 3 атм.

I=0 ÷ 5 мА

МП – микропроцессор; УС – усилитель на основе симисторной микросхемы МОС (компании Motorola); Регулируемый клапан – клапан Brahma серии VCM01; ОУ – трубопровод, находящийся в дождевальной установке; Д_р, Д_t – датчики давления и температуры соответственно; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь, встроенный в МП; ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

Рисунок 1.1 – Функциональная схема ЛСАУ

1.3 Технические требования системы автоматического контроля давления жидкости в трубопроводе дождевальных установок

Энергоемкость системы складывается из энергоемкости отдельный элементов:

P=, (1.1)

где P – энергоемкость всей системы, Вт;

P_i – энергоемкость i-ого элемента, Вт.

P=1,5 Вт+1 Вт+32 Вт+2·0,2 Вт=34,9 Вт.

Поскольку данная установки передвижная, она питается автономным постоянным источником питания – аккумуляторной батареей на 24 В. Максимальный ток нагрузки батареи – 5 А.

Надежность работы ЛСАУ складывается из надежности каждого элемента:

, (1.2)

где - надежность каждого элемента, ч^-1;

n – количество элементов.

Надежность характеризуется величиной наработки на отказ: T_МП,АЦП=100000 ч, Т_УС=80000 ч, Т_клап=60000 ч, Т_Д=80000 ч. Получаемые значения надежности: _МП,АЦП=10^-5 ч^-1, _УС=1,25·10^-5 ч^-1, _клап=1,7·10^-5 ч^-1, _Д=1,25·10^-5 ч^-1, ч^-1.

Быстродействие всей системы определяется быстродействием элементов системы. Самый менее быстродействующий элемент – это клапан регулирующий давление. Время срабатывания из одного крайнего положения в другое – 0,8 с.

---

Перерегулирование системы, % не более 30%.

Время регулирования, с 1.

Допускаемая точность поддержания давления, атм до 0,3.

Вид ЛСА дискретно-аналоговая.

Необходимое условие для составляющих элементов - влагоустойчивость. МП, усилитель и регулирующий клапан находятся на движущейся основе и находятся во влагозащищенном кожухе вместе с элементами питания. Датчики размером 50х50х100 находятся непосредственно на трубопроводе.

Внешние возмущения: температура, сигнал со значением которой приходит с датчика (корректирующий элемент).

Масса и габариты подбираются исходя из массы и габаритов соответствующих элементов и элементов крепежа. Размер управляющего блока: 300х150х100, масса управляющего блока – не более 2 кг. Управляющая система используется для использования с трубопроводом максимальной длины 300 м.

Исходя из требований по эргономике устройства индикация прорыва и органы управления программой выносятся на внешнюю крышку управляющего блока и могут прикрываться водонепроницаемой крышкой.

Устройство выполняется в помехозащитном корпусе, поскольку находится рядом с двигателем перемещения площадки.

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

2.1 Выбор микропроцессора

Среди однокристальных микроЭВМ в данное время наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры производителя ATMEL. При выборе микропроцессора (МП) и сопряженных с ним частей кроме критериев технической, экономической и технико-экономической эффективности следует руководствоваться следующими соображениями:

- допустимое время обработки информации;

- высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

- возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

- возможность программной коррекции;

- малое энергопотребление;

- совместимость с другими микросхемами;

- доступность элементов;

- достаточно мощная и гибкая система команд МП;

- достаточно высокий уровень выходного сигнала ЦАП, для дальнейшего его использования без необходимости предварительного усиления;

- наличие встроенных ЦАП и АЦП;

- наличие расширенной системы прерываний;

- встроенный таймер.

На основании вышеперечисленных критериев выбор был остановлен на МК ATMEGA32 из серии МК AVR. /10/ Это однокристальный восьмибитный МК цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, отличающийся низким энергопотреблением со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с восьми разрядным ПЗУ в виде FLASH - памяти (емкостью 1024 байт), ОЗУ (емкостью 2 Кбайт), 25-ти разрядным ALU, с четырьмя входными или выходными портами, которые могут также использоваться как аналоговые вход/выход для АЦП/ЦАП. Напряжение питания и управляющих сигналов 5 В. Микропроцессоры данной серии выпускаются в пластмассовом DIP корпусе (25х25).

---

Передаточную функцию МП принимаем равной единице, поскольку его быстродействие по сравнению с другими элементами очень высокое и задержка сигнала практические не наблюдается.

W_МП(p)=1. (2.1)

2.2 Выбор усилителя мощности

После перехода сигнала из ЦАП получается непрерывный сигнал 0 ÷ 5 В, который усиливается усилителем мощности до напряжения, пригодное для клапана. Поскольку не изменяется природа сигнала, то задержка сигнала не происходит. По заданным в ТЗ характеристикам подходит усилитель в виде оптотиристора МОС3020 фирмы QTC. /11/ Основные характеристики оптотиристора МОС3020.

Напряжение питания управляющей части, В   0 ÷ 5.

Напряжение силовой части, В 0 ÷ 24.

Потребляемый ток в управляющей цепи, мА 15.

Ток в силовой цепи, А не более 2.

Импульсный ток, А не более 10.

Размеры, мм 40х45х15.

Коэффициент передачи по номинальным значениям,

1

6

(2.2)

2

5

3

4

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема усилителя мощности

2.3 Выбор регулирующего клапана

Зависимость пропускной способности от хода плунжера при постоянном перепаде давлений на клапане определяет собой пропускную характеристику регулирующего клапана. Она зависит от профиля плунжера. Наиболее часто применяются линейная и равнопроцентная пропускные характеристики.

При линейной пропускной характеристике обеспечивается пропорциональная зависимость между пропускной способностью клапана и ходом плунжера. При равнопроцентной пропускной характеристике обеспечивается приращение пропускной способности клапана пропорционально текущему значению пропускной способности по ходу клапана, то есть чем больше ход клапана, тем больше увеличивается на единицу хода. Для данной технической задаче необходимо выбрать клапан с линейной пропускной характеристикой.

Соответственно, ход клапана пропорционально зависит от поданного на соленоид значения напряжения при заданной жесткости возвратной пружины, при достижении максимального значения хода значения пропускное значение не изменяется. Нелинейная характеристика зависимости открытой площади поперечного сечения S клапана от поданного на него напряжения показана на рисунке Х

По данным требованиям к системе подходит регулирующий клапан с электроприводом компании ASCO серии 238.

Пропускная характеристика линейная.

Напряжение для открытого состояния, В 20.

Перепад давления, бар 0 ÷ 30.

Максимально допустимое давление, бар 16.

Диапазон внешней температуры, °C от минус 10 до плюс 60.

Максимальная вязкость, мм²/с 40.

Время срабатывания, с 2.

Время открытия, мс 1500.

Время закрытия, мс 2000.

Проходное сечение d, мм 15.

Пропускная способность k_v, м³/ч 4,2.

Рабочие среды вода, воздух, нейтральный газ.

Температура рабочей среды, °C от минус 10 до до плюс 85.

Габариты клапана (без электропривода), мм 250х250х200.

---

Масса, кг 0,8.

Рисунок 2.2 – Внешний вид клапана ASCO-238

Рисунок 2.3 – Статическая характеристика клапана

Так как рабочей является только верхняя часть графика, берущая начало в точке (0,0), для данного вида нелинейности линеаризованная передаточная функция клапана находится по формуле

, (2.3)

где q(p) – коэффициент гармонической линеаризации.

Функция q(p) для данной нелинейности по атласу Топчеева имеет вид:

, (2.4)

где k – коэффициент усиления;

С=20 В - это значение напряжения в точке полного открытия клапана;

А=24 В - амплитудное значение поданного сигнала.

Для нахождения коэффициента необходимо, чтобы соблюдалось равенство A≥C. Коэффициент усиления зависит от угла наклона статической характеристики,

=В/С, (2.5)

, (2.6)

где В – поперечное сечение максимально открытого клапана, м².

Значение передаточной функции клапана, исходя из данных характеристик .

2.4 Расчет передаточной функции трубопровода

Трубопровод – это запаздывающее звено системы. Уравнение динамики идеального запаздывающего звена записывается в виде простейшего линейного дифференциального уравнения в частных производных:

(2.7)

где Т(x, t) – какая-то скалярная субстанция (например, температура потока),

переносимая с постоянной скоростью u;

х – продольная координата, м.

Если, например, рассматривается транспортный перенос скалярной субстанции в трубопроводе постоянного сечения и длиной L, то математическая модель динамики переноса может быть представлена в переменных “вход-выход” следующей трансцендентной передаточной функцией (передаточной функцией идеального запаздывающего звена):

(2.8)

где T(L, s) – изображение по Лапласу сигнала на выходе из трубопровода;

T (0, s) – изображение по Лапласу сигнала на входе в трубопровода;

t – постоянная запаздывания (время транспортировки), с.

, (2.9)

где L – длина трубопровода, м;

u – скорость течения жидкости, м/с.

, (2.10)

где q – пропускная способность, м³/с;

S_тр – площадь поперечного сечения трубопровода, м² (формула 2.6),

.

Исходя из технического задания L=300 м, по техническим характеристикам клапана: проходное сечение трубопровода d=15 мм, пропускная способность 4,2 м³/ч скорость течения жидкости в трубопроводе можно определить. Пропускная способность K_V определяется объемным расходом жидкости в м³/ч с плотностью, равной 1000 кг/м³, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давления на нем в 1 кгс/см² (1 атм). /3/ При максимальном давлении P_max=3 атм, с учетом линейной характеристики клапана объемный расход,

, (2.11)

где S – поперечная площадь прохода, м²;

S_max – максимальная площадь прохода, м².

,

При максимальном расходе клапана время будет минимальным:

Коэффициент усиления определяется как отношение давления P_max к площади прохода при максимально открытой заслонке S_max,

(2.12)

---

Смотрите также файлы

• бжд.doc

• сод.doc

• титульный лист преддипл практики.doc

• эргономика.doc

• первые листы 2008 не мое.doc