УЧЕБНЫЙ СТЕНД "ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ"

Заявленное техническое решение (стенд) относится к учебным моделям и может быть использовано для построения и экспериментального исследования автоматических систем регулирования гидравлических и термодинамических процессов различной степени сложности, а также процессов транспорта жидкости, систем блокировок и противоаварийной защиты.
Из предшествующего уровня техники известен учебный стенд для снятия статических характеристик регулируемых насосов, содержащий гидробак, регулируемый насос, предохранительный клапан, нагрузочный дроссель, датчик расхода, датчик давления, датчик крутящего момента, датчик частоты вращения и двухкоординатный самописец, с которым электрически соединены датчик давления, датчик расхода и датчик крутящего момента (Патент RU 2007628 C1, 24.03.1992, опубликовано 15.02.1994).
Недостатком известного стенда является отсутствие в его составе датчиков уровня в гидробаке и электрического нагревателя, что не дает возможности построения на его базе автоматических систем регулирования гидравлических и тепловых процессов с учебными целями.
Известен стенд по определению коэффициентов истечения жидкости, включающий основной бак с системой перегородок с отверстиями и стационарную переливную трубу, в передней стенке основного бака имеется поворотная платформа для закрепления сопла или кольца с отверстием, при этом сливное отверстие с внутренней стороны основного бака перекрывается заслонкой, уравновешенной противовесом, малый мерный бак для определения расхода объемным способом, питающий трубопровод с вентилем, сливную емкость под соплом и малым мерным баком, зумпф, всасывающий трубопровод и насос (Маховиков Б.С. и другие «Гидравлика и гидравлический привод», лабораторные работы, СПГГИ, 1993 г., 88 с).
Недостатком известного стенда является отсутствие технической возможности независимого регулирования уровня жидкости в каждой половине бака, а также отсутствие в составе оборудования стенда датчиков измеряемых параметров с электрическим выходным сигналом, электроприводных регулирующих клапанов и электрического нагревателя, что препятствует созданию автоматических систем регулирования уровня и температуры жидкости в емкостях.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является стенд гидравлический, предназначенный для изучения сопротивлений трубопроводов и струеформирующих устройств. Для этого стенд содержит основной бак с соплом, перегородкой и стационарной переливной трубой внутри него, малый мерный бак для определения расхода жидкости, питающий трубопровод с вентилем, сливную емкость под соплом и малым мерным баком, всасывающий трубопровод, зумпф и насос. Стенд также снабжен дополнительным мерным баком и дополнительной сливной емкостью, расположенными с боковой стороны основного бака, дополнительной переливной трубой, одетой на стационарную переливную трубу с возможностью перемещения относительно последней, причем верхняя часть дополнительной переливной трубы соединена канатом через систему блоков с барабаном ручной лебедки и указателем уровня жидкости в основном баке, а основной бак разделен вертикальной перегородкой на две части, одна, из которых присоединена к опытному трубопроводу со штуцерами и стеклянными пьезометрами, при этом опытный трубопровод выполнен с участками поворота на 180°, участками расширения и сужения трубопровода, и снабжен расходомером и задвижкой на выходе его, а сопла или кольца с отверстиями расположены во второй части основного бака (Патент RU 2275607 C1, 27.12.2004, опубликовано 27.04.2006, Бюл. №12) (прототип).
Недостатком данного стенда является отсутствие в составе его оборудования электрического нагревателя, датчиков температуры, датчиков расхода и датчиков уровня с электрическим выходом, а также регулирующих клапанов, управляемых электрическим сигналом, что не позволяет подключить стенд к вычислительному устройству (управляющему контроллеру, компьютеру) для обучения студентов современным методам обработки данных эксперимента в реальном времени и моделирования работы автоматических систем регулирования.
Задача, на решение которой направлено заявленное устройство, заключается в расширении функциональных возможностей учебного стенда.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в известном стенде, содержащем основной бак, разделенный на две части, две переливные трубы, питающий трубопровод с сужающим устройством Вентури и ручным вентилем, сливной бак, полупогружной насос, дополнительно установлены: циркуляционный бак, труба стока, труба выравнивающая, две циркуляционных трубы, второй ручной вентиль, электрический нагреватель, два датчика температуры, три датчика уровня, два реле протока, два датчика расхода, датчик давления, три электроприводных регулирующих клапана, причем, первая часть основного бака расположена выше второй его части, а сливной бак и циркуляционный бак установлены на одном уровне и соединены между собой трубой выравнивающей, образуя два сообщающихся сосуда, а первая и вторая части основного бака через первый и второй ручные вентили соединены с питающим трубопроводом, а первый электроприводной регулирующий клапан установлен на трубе стока, соединяющей, первую часть основного бака со второй его частью, а первый датчик расхода с аналоговым электрическим выходом и второй электроприводной регулирующий клапан установлены на первой циркуляционной трубе, соединяющей первую часть основного бака с циркуляционным баком, а второй датчик расхода с аналоговым электрическим выходом и третий электроприводной регулирующий клапан установлены на второй циркуляционной трубе, соединяющей вторую часть основного бака с циркуляционным баком, а первое и второе реле протока с дискретными электрическими выходами установлены на первой и второй переливной трубе соответственно, а первый датчик уровня и первый датчик температуры с аналоговыми электрическими выходами установлены в первой части основного бака, а второй датчик уровня и второй датчик температуры с аналоговыми электрическими выходами установлены во второй части основного бака, а третий датчик уровня с дискретным электрическим выходом установлен в циркуляционном баке, в который опущена всасывающая труба насоса.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение учебных функций стенда за счет введения возможности автоматического регулирования уровня жидкости в 1-й и 2-й частях основного бака с одновременной возможностью регулирования температуры жидкости в этих же емкостях: в первой части бака - путем включения/отключения нагревательного элемента, во второй - путем добавления нагретой воды из 1-й части бака.
Устройство поясняется фиг.1, где дана схема стенда «Гидравлический объект».
Стенд «Гидравлический объект» содержит основной бак, разделенный на первую 1 и вторую 2 части, сливной бак 3, циркуляционный бак 4, первый 5 и второй 6 датчики температуры, первый 7 и второй 8 датчики уровня, электрический нагреватель 9, первый 10, второй 11 и третий 12 электроприводные регулирующие клапаны, трубу стока 13, первую 14 и вторую 15 переливные трубы, первое 16 и второе 17 реле протока, первый 18 и второй 19 ручные вентили, первый 20 и второй 21 датчики расхода, первую 22 и вторую 23 циркуляционные трубы, питающий трубопровод 24, трубу Вентури 25, расходомер 26, насос 27, датчик давления 28, всасывающую трубу 29, уравнительную трубу 30, третий датчик уровня 31.
Аналоговые датчики (температуры 5 и 6, давления 7, 8, 28, расхода 20, 21, 26) и дискретные датчики расхода (реле потока) 16, 17 и уровня 31 имеют унифицированный выходной сигнал тока или напряжения и могут непосредственно подключаться к аналоговым и дискретным входам управляющего контроллера (в состав стенда контроллер не входит и на фиг.1 не показан). Исполнительные механизмы (нагревательный элемент 9 и регулирующие клапаны 10, 11, 12) управляются унифицированным аналоговым сигналом напряжения и могут непосредственно подключаться к аналоговым выходам управляющего контроллера. Насос 27 с частотным приводом, управляемым унифицированным сигналом тока. В дальнейшем было решено использовать центробежный насос с частотным приводом, имеющим такой же управляющий сигнал). Это позволяет создавать контуры автоматического регулирования различной сложности, в том числе каскадное регулирование.
Стенд «Гидравлический объект» работает следующим образом: перед началом работы соединяют сигнальным кабелем с управляющим контроллером датчики температуры 5, и 6, датчики уровня 7, 8, и 31, электрический нагреватель 9, регулирующие клапаны 10, 11, и 12, реле протока 16 и 17, датчики расхода 20, 21, и 26, насос 27, датчик давления 28, закрывают на питающем трубопроводе 24 ручные вентили 18 и 19, заполняют рабочей жидкостью (например, дистиллированной водой) сливной бак 3 и циркуляционный бак 4, а так как они соединены уравнительной трубой 30, то уровень в них установится одинаковый. В память управляющего контроллера записывают программу управления работой стенда, содержащую, в том числе алгоритмы регулирования П, ПИ, ПИД. Далее на стенде можно проводить следующие лабораторные работы:
1. Исследование работы системы автоматического регулирования уровня жидкости в баке 1, для чего открывают ручной вентиль 18, в управляющем контроллере запускают программу управления работой стенда и включают алгоритм регулирования уровня (например, ПИД) в баке 1. Программа управления закрывает электроприводной клапан 10 и по показаниям датчика уровня 7 определяет текущее значение уровня в баке 1, сравнивает его с заданным значением и, если уровень меньше заданного, то включает насос 27 и по питающему трубопроводу 24 через открытый ручной вентиль 18 жидкость пополняет бак 1, а если уровень больше заданного, то открывает электроприводной регулирующий клапан 11 и уровень в баке 1 снижается до заданного значения. Если уровень жидкости в баке 1 превысит предельную величину, то излишек жидкости через переливную трубу 14 возвращается в сливной бак 3, при этом срабатывает реле протока 16, по сигналу которого программа управления выключает насос 27. Обучающиеся могут знакомиться с работой устройств нижнего уровня (датчиков, измерительных преобразователей, исполнительных механизмов), определять область устойчивости системы регулирования, влияние настроечных параметров алгоритма на качество переходного процесса и др.
2. Исследование работы системы автоматического регулирования уровня жидкости в баке 2, для чего закрывают ручной вентиль 18 и открывают ручной вентиль 19, в управляющем контроллере запускают программу управления работой стенда и включают алгоритм регулирования уровня (например, ПИ) в баке 2. Программа управления закрывает электроприводной клапан 10 и по показаниям датчика уровня 8 определяет текущее значение уровня жидкости в баке 2, сравнивает его с заданным значением и, если уровень меньше заданного, то включает насос 27 и по питающему трубопроводу 24 через открытый ручной вентиль 19 жидкость пополняет бак 2, а если уровень больше заданного, то открывает электроприводной регулирующий клапан 12 и уровень в баке 2 приводится к заданному значению. Если уровень воды в баке 2 превысит предельную величину, то ее излишек через переливную трубу 15 возвращается в сливной бак 3, при этом срабатывает реле протока 17, по сигналу которого программа управления выключает насос 27. Обучающиеся могут исследовать работу устройств нижнего уровня (датчиков, измерительных преобразователей, исполнительных механизмов), определить область устойчивости системы регулирования, влияние настроечных параметров алгоритма на качество регулирования, наблюдать срабатывание блокировки и отключение насоса по превышению уровнем рабочей жидкости предельно допустимого значения и др.
3. Исследование одновременной работы систем автоматического регулирования уровней рабочей жидкости в баке 1 и 2, для чего открывают ручной вентиль 18 и закрывают вентиль 19, в управляющем контроллере запускают программу регулирования уровня в баке 1 и баке 2. Процесс регулирования происходит, как описано в пунктах 1 и 2. Обучающиеся могут знакомиться с одновременной работой двух контуров регулирования уровня. В данном случае эти контура будут независимы, и контур регулирования в баке 2 при увеличении своего уровня жидкости открытием клапана 10 создаст возмущение для контура регулирования уровня в баке 1, что позволит изучать действие внешних возмущений на регулятор уровня жидкости в емкости.
4. Исследование работы системы регулирование температуры в баке 1, для чего открывают ручной вентиль 18 и закрывают ручной вентиль 19, в управляющем контроллере запускают программу управления работой стенда и включают алгоритм регулирования температуры (например, ПИ) в баке 1. Программа управления закрывает электроприводной клапан 10, включает насос 27 и заполняет жидкостью бак 1 до заданного в программе предела. Функция противоаварийной защиты (ПАЗ) выполняется в случае поступления жидкости в переливную трубу 14 срабатывает реле протока 16, по сигналу которого программа управления выключает насос 27. (Попадание жидкости в трубу 14 - предаварийная ситуация) Далее, по показаниям датчика температуры 5 программа определяет текущее значение температуры, в баке 1, сравнивает его с заданным значением и, если температура меньше заданного значения, то включает нагреватель 9 и температура жидкости в баке 1 начинает увеличиваться, а если температура больше заданной, то выключает нагреватель 9 и температура в баке 1 снижается до заданного значения. Обучающиеся могут исследовать работу устройств нижнего уровня (датчиков, измерительных преобразователей, исполнительных механизмов), определить область устойчивости системы регулирования, влияние настроечных параметров алгоритма регулирования и тепловой инерции объекта на качество переходного процесса и др.
5. Исследование работы системы регулирование температуры в баке 2, для чего запускают программу регулирования температуры жидкости в баке 1, как описано в пункте 4 и запускают в управляющем контроллере программу регулирования температуры в баке 2 (например, ПИД), которая по показаниям датчика температуры 6 определяет текущее значение температуры в баке 2, сравнивает его с заданным значением и, если температура меньше заданного значения, то открывает электроприводной клапан 10 и нагретая вода из бака 1 поступает в бак 2, повышая температуру до заданного значения, а если температура больше заданной, то регулирующий клапан 10 закрывается, подача подогретой воды прекращается, и температура в баке 2 понижается до заданного значения. Обучающиеся могут исследовать одновременную работу контура регулирования температуры в баке 1 и контура регулирования температуры в баке 2.
6. Стенд допускает одновременную работу всех четырех контуров регулирования: регулирование уровней и регулирование температур в баке 1 и 2.
Предлагаемый стенд может быть практически реализован на любых подходящих приборах, прошедших государственную сертификацию в качестве средств измерения.
Как вариант, стенд был создан из набора комплектующих элементов и материалов, перечисленных в таблице. В качестве рабочей жидкости использована дистиллированная вода. Общий вид стенда приведен на фиг.2. Испытания стенда подтвердили заявленный технический результат, выразившийся в расширении учебных функций стенда за счет введения возможности автоматического регулирования уровня жидкости в 1-й и 2-й частях основного бака с одновременной возможностью регулирования температуры жидкости в этих же емкостях: в первой части бака - путем включения/отключения нагревательного элемента, во второй - путем добавления нагретой воды из 1-й части бака. При проведении лабораторных работ на стенде студенты закрепляют теоретические знания на практике и знакомятся с современными техническими и программными средствами, применяемыми при создании автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Таблица
Номер позиции на фиг.1
Наименование изделия
Количество
1, 2, 3, 4
Емкость из полиметилметакрилата (оргстекла)
4
5, 6
Датчик температуры ТСП Метран-206-02-160-А-3-1-Н10
2
7, 8
Датчик избыточного давления для измерения уровня Метран-100-Ех-ДИ-1131-02-МП1-t10-015-6кПа-42-М20-С-ГП
2
9
Нагревательный элемент 100A13/3,5J220
1
10, 11, 12
Клапан регулирующий VZ 2 с наружной резьбой; регулируемая среда - вода; Ру=16 бар при Тмакс=120°C; материал - латунь; ход штока 5,5 мм, для применения с приводами AMV(E) 130, 140, AMV(E) 13 SU (Ду=15 мм, расход - 1 м3/ч - 1 шт, 1,6 м3/ч - 2 шт)
3
16, 17
Реле протока ELETTA тип FM серии SP-G15 Ду15, среда: вода, температура среды 0...+90С, точка срабатывания 2 лит/мин, PN25, пыле- влагозащита IP43, тип контакта: SPDT-микропереключатель
2
18, 19
Кран шаровой (1/2”, BP-BP 11815i)
2
20
Ультразвуковой расходомер US-800-10-015-G-025-P с токовым выходом
1
21
Электромагнитный расходомер «Взлет ЭМ-212» с токовым выходом, Dy15
1
25
Сужающее устройство (КР9002)
1
26
Датчик давления дифференциальный Метран-100-Ех-ДД-1420-02-МП1
1
27
Полупогружной насос Grundfos MTRE 1s-5/5 A-W-A-HUUV 1×220 V 50Hz
1
28
Датчик избыточного давления после насоса Метран-100-Ех-ДИ-1151-11-MП1-t10-015-1,6МПа-42-М20-С-ГП
1
31
Датчик уровня Рос 2-х контактный, дискретный
1
13...15, 22...24, 29, 30
Трубы металлопластиковые (16×2,0)
8 м