XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание автоматизированной системы управления для парового двигателя на базе микропроцессора Arduino
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность: В наше время существует огромное количество систем управления для различных механизмов. В большинстве механизмов используется традиционная система управления, которая имеет массу минусов, в отличие от автоматизированных систем управления. Автоматизированная система управления способна собирать информацию о ходе работы механизма и способна выявлять его недостатки. Данная работа посвящена изучению автоматизированных систем управления и создание системы на примере модели паровой машины. Так же в работе содержатся исследования характеристик модели паровой машины.
Цель работы: Создание автоматизированной системы управления для модели паровой машины. Исследование функций автоматизированной системы управления. Проведение экспериментов с действующей моделью паровой машины.
Задачи:
Разработать и создать автоматизированную систему управления.
Создание действующей модели паровой машины.
Внедрение автоматизированной системы управления в модель паровой машины.
Изучение возможностей автоматизированной системы управления.
Исследование характеристик модели парового двигателя.
1. Актуальность проблемы
Традиционные системы управления паровыми двигателями основаны на механических устройствах и регуляторах меняющих режим работы двигателя в зависимости от параметров нагрузки. К таковым относятся механические измерители частоты вращения валов, механические клапанные системы, разнообразные механические приводы (золотниковый механизм традиционного двигателя). Почему мы решили создать новую систему управления, в первую очередь потому что у традиционной системы был один существенный недостаток, в данной системе было сложно или невозможно изменять параметры работы системы в зависимости от задачи. Наша система управления позволяет менять параметры просто изменяя программу, также она позволяет в режиме реального времени отслеживать скорости и ускорения всех точек механизма, что позволяет рассчитывать нагрузки на все элементы системы. К тому же к системе может быть подключено большое количество датчиков (температуры, давления, уровня жидкости в котле и др.). Подводя итог можно сказать. что главными плюсами нашей системы управления являются:
- Вывод показаний датчиков в реальном времени в компьютер или на экран.
- Вывод реальных скоростей, ускорений или нагрузок любых точек или частей механизма.
- Менять параметры работы простым изменением программы.
2.1 Автоматизированные системы управления
Основная тенденция современной научно-технической революции заключается в автоматизации производства и управления на всех уровнях. Функции управления вещами во все возрастающем объеме передаются электронными машинами. Создание управляемых компьютеров позволяет автоматизировать такие производственные процессы, которые раннее выполнялись только людьми. По мере развития системы производства деятельность по управлению начинает все более усложняться. В результате разделения управленческого труда возникают отдельные функции управления, т.е. специализированные виды управленческих работ, планирование, учет, контроль, анализ. Автоматизированные системы, основываясь на комплексе технических средств, информационном обеспечении и пакетах прикладных программ, обеспечивают повышение качества принятия управленческого решения за счет сокращения времени анализа объекта управления и рассмотрения большого числа вариантов развития ситуации на основе моделирования.
Проектирование систем управления играет важную роль в современных технологических системах. Выгоды от её совершенствования систем управления в промышленности могут быть огромны. Они включают улучшение качества изделия, уменьшение потребления энергии, минимизацию максимальных затрат, повышение уровней безопасности и сокращение загрязнения окружающей среды. Трудность здесь состоит в том, что ряд наиболее передовых идей имеет сложный математический аппарат. Возможно, математическая теория систем – одно из наиболее существенных достижений науки ХХ века, но её практическая ценность определяется выгодами, которые она может приносить. Проектирование и функционирование автоматического процесса, предназначенного для обеспечения технических характеристик, таких, например, как прибыльность, качество, безопасность и воздействие на окружающую среду, требуют тесного воздействия специалистов различных дисциплин.
АСУ – это, как правило, система «человек-машина», призванная обеспечивать автоматизированный сбор и обработку информации, необходимый для оптимизации процесса управления. В отличие от автоматических систем, где человек полностью исключён из контура управления, АСУ предполагает активное участие человека в контуре управления, который обеспечивает необходимую гибкость и адаптивность АСУ.
В зависимости от роли человека в процессе управления, форм связи и функционирования звена «человек-машина», оператором и электронная вычислительная машина, между ЭВМ и средствами контроля и управления все системы можно разделить на два класса:
Информационные системы, обеспечивающие сбор и выдачу в удобном виде информацию о ходе технологического или производственного процесса. В результате соответствующих расчётов определяют, какие управляющие воздействия следует произвести, чтобы управляемый процесс протекал наилучшим образом. Основная роль принадлежит человеку, а машина играет вспомогательную роль, выдавая для него необходимую информацию.
Управляющие системы, которые обеспечивают наряду со сбором информации выдачу непосредственно команд исполнителям или исполнительным механизмам. Управляющие системы работают обычно в реальном масштабе времени, т.е. в темпе технологических или производственных операций. В управляющих системах важнейшая роль принадлежит машине, а человек контролирует и решает наиболее сложные вопросы, которые по тем или иным причинам не могут решить вычислительные средства системы.
Наша система управления будет являться видом управляющей системы, она будет выдавать команды непосредственно на сам механизм.
2.2 История создания паровых двигателей
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала.
Первая паровая машина была построена в XVII веке французским физиком Дени Папеном и представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей.
Однако паровая машина Ньюкомена имела множество недостатков. И в 1769 Джеймс Уатт внес значительные изменения в конструкцию паровой машины Ньюкомена. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом, энергия пара тратилась на постоянный разогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию. Первым значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. В этот же год ему удаётся построить действующую модель, работающую по этому принципу. Основная сложность заключалась в том, чтобы заставить работать поршень и цилиндр. Металлопроизводство того времени не было способно обеспечить нужную точность изготовления. Проблема изготовления цилиндра большого диаметра и
соответствующего поршня с необходимой точностью была решена Джоном Уилкинсоном, который разработал соответствующую технологию на заводе, выпускающем пушечные ядра.
(рис 1)
2.3 Устройство работы традиционной
(рис 2)
(рис 3)
Коробчатый золотник представляет собой перевёрнутую коробку 1, попеременно перемещаемую золотниковой тягой 2 вправо и влево по золотниковому зеркалу 3 с прямоугольными окнами 4 и 5. В зависимости от положения золотника, окна сообщаются или с замкнутым пространством 6, окружающим золотник и заполненным рабочим телом, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором. Через окно в левой части в замкнутое пространство 6 может впускаться, например, пар, который при одном положении золотника через окно 4 входит в левую полость расположенного горизонтально цилиндра с поршнем, а при другом — через окно 5 в его правую полость, обеспечивая движение совершающего механическую работу поршня, соответственно, слева направо и справа налево.
Недостаток коробчатого золотника — неуравновешенность, вследствие которой рабочее тело сильно прижимает его к зеркалу, что вызывает износ трущихся поверхностей и требует значительных усилий для передвижения золотника. Так же недостатком данной системы невозможность изменения параметров в зависимости от задачи.
3. Создание АСУ и модели паровой машины
Описание:
Газовая горелка
Паровой котёл
Кран подачи воды
Ёмкость для воды – расширительный бак
Трубка выравнивания давления
Трубка – указатель уровня воды (прозрачная)
Датчик давления и температуры в паровом котле
Аварийный клапан сброса давления (настроен на давление более 1 атмосферы)
Электромагнитный клапан
Фланец левый латунный
Рабочий цилиндр (литой поликорбанат)
Уплотнительные кольца поршня
Фланец правый латунный
Кольцо уплотнения штока 20. Шкив отбора полезной мощности
Скользящий подшипник (латунь) 21. Подшипниковые опоры
Шток 22. Вал коленчатый
Подшипниковый шарнир 23. Маховик
Шатун 24. Выпускное отверстие
Энкодер – датчик положения коленвала 25. Плата управления Arduino
(рис 5 )
Перед тем как начать создавать установку был сделан чертёж и рассчитано количество материалов, которые будут потрачены на установку. После получения всех необходимых материалов мы начали создавать установку. Изготовление мы начали с парового котла (2) и емкости для воды – расширенного бака (4) , после этого к паровому котлы были установлены: датчик давления и температуры в паровом котле (7) и аварийный клапан сброса давления (8). Затем мы соединили паровой котел с расширенным баком при помощи трубки выравнивания давления (5), датчика показания воды (6) и присоединили кран подачи воды (3) . Далее к рабочему цилиндру из литого поликорбаната (11) был присоединен шток (16), скользящий подшипник (15) и 2 фланца из латуни левый (10) и правый (13). В рабочий цилиндр предварительно был установлен поршень и 2 уплотнительных кольца поршня (12), а в левый фланец было установлено уплотнительное кольцо штока (14). После шток был присоединен с подшипниковым шарниром (17), а шарнир был соединён с шатуном (18), который в свою очередь был соединен с ешё одним шарниром, который крепился с коленчатым валом (22) и маховиком (23). Далее были были установлены 5 электромагнитных клапанов (9) и соединительные трубки, в том числе с выпускным клапаном (24). Маховик мы соединили с шкивом отбора полезной мощности (20) и с подшипниковыми опорами (21). В завершении была установлена плата управления Arduino (25), которая была соединена с энкодером (19) . В качестве источника энергии мы собрали блок питания состоящий из Li – ion элементов. В процессе создания установки мы писали программу для платы управления Arduino. На изготовление установки и отладку механизма у нас ушло 4 месяца.
4. Описание схемы блока питания
Для стабильной работы модели паровой машины необходим надежный блок питания. Изначально планировалось использовать блок питания на никель – кадмиевых элементах, однако он оказался ненадежным, так как батареи имели высокий уровень саморазряда и наличие эффекта памяти снижало работоспособность при неполном разряде. Поэтому было решено использовать блок питания на Li – ion элементах, в отличие от блока питания на никель – кадмиевых элементах, он показал стабильную работу и больше подходил для наших условий. В созданном блоке питания использовалась BMS плата, отвечающая за сохранность элементов и поддержание стабильной работы элементов. Ниже представлена подробная схема работы всего блока питания.
(рис 6)
Блок питания состоит из BMS – контроллера, 12 элементов 18650 Li – ion, амперметра, вольтметра, разъем зарядного устройства 5,5 мм.
B MS – контроллер:
(рис 7)
Функции:
Контроль глубины разряда;
Контроль уровня зарядки;
Контроль зарядного / разрядного токов;
Контроль температуры батареи или каждой ячейки;
Контроль уровня заряда и глубины разряда каждой ячейки;
Балансировка (выравнивание уровней заряда) каждой ячейки;
BMS (Battery Management System или «Система контроля батареи») – устройство для контроля за состоянием батареи и предотвращения ее работы в нештатном режиме. BMS следит за основными параметрами Li – ion аккумулятора – температурой и напряжением. Если один из блоков выходит за допустимые пределы, батарея отключается от потребителя или зарядного устройства. Таким образом, плата BMS предотвращает глубокий разряд, перезаряд или перегрев АКБ.
(рис 8)
Элемент 18650 Li – ion:
Характеристики рабочего режима литиевого аккумулятора 18650:
Максимальное напряжение 4,2 В, причем даже незначительная перезарядка значительно сокращает срок службы.
Минимальное напряжение 2,75 В. При достижении 2,5 В требуются особые условия восстановления емкости. При напряжении на клеммах 2,0 В заряд не восстанавливается.
Минимальная рабочая температура -20 0 С. Зарядка при минусовой температуре не возможна.
М аксимальная температура +60 0 С. При более высокой температуре можно ожидать взрыва или загорания.
Емкость измеряется Ампер/часах. Полностью заряженный аккумулятор емкостью 1 А /ч может выдать 1А тока в течение часа, 2 А продолжительностью 30 минут или 15 А на протяжении 4 минут
5 . Создание алгоритма для платы управления Arduino
Для того чтобы установка работала корректно нужно в зависимости от положения маховика, открывать те или иные клапана. Для определения положения маховика был приобретён энкодер, устройство позволяющее отлеживать угол поворота, после установки энкодера и подключения его к плате. Была написана программа, где при значении угла от 0 до 180 градусов открывается клапана (9.2) и (9.3) два других наоборот закрываются. При значении угла от 180 до 360 открываются клапана (9.1) и (9.4) два других наоборот закрываются. Также чтобы у микропроцессора Arduino не возникало перегрузок, было установлено реле. Микропроцессор сначала отправляет сигнал на реле, а реле в свою очередь открывает или закрывает нужные клапана.
В дальнейшем планируется написать программу благодаря которой можно будет вращать маховик на n-ое количество градусов, записав значение угла, на который мы хотим повернуть маховик, в программе.
6. Принцип работы установки
(рис 11 )
(рис 12)
Принцип работы:
Газ из горелки (1) при сгорании нагревает воды в котле постепенно превращая её в пар
При достижении давления в котле равного 1 атмосфере, датчик температуры (7) выдаёт сигнал на плату управления, что температура достигла 120 градусов. После этого плата даёт сигнал на открытие входного электромагнитного клапана (9.0) и система готова к работе
Энкодер (19) подаёт сигнал на плату управления о текущем положении коленвала (угол поворота коленвала относительно 0 точки совпадающей с горизонтальной осью X). При вращении против часовой стрелки:
При значении угла от 0 до 180 градусов открывается клапана (9.2) и (9.3) два других наоборот закрываются, при этом избыточное давление пара давит на поршень и заставляет его двигаться влево. При значении угла от 180 до 360 открываются клапана (9.1) и (9.4) два других наоборот закрываются, при этом избыточное давление пара давит на поршень и заставляет его двигаться вправо. В реальности для каждого конкретного парового двигателя углы отличаются от 0 и 180 градусов, что связано с инертностью механизма. Конкретные углы дающие максимальный КПД и плавность работы мы установим экспериментально.
7. Расчеты
(рис 13)
Принимаем ∠ DOH = α, AB = a, BC = b, CD = I, DO = r
Точка С0 – положение точки С при ∠ α = 0
С0С = Хc = I + r – CO = I + r – (CH + OH) = I + r × √(I² – r²× sin²α) – r × cos α
Скорость точки Vc = (C02 – C01) / Δ t, где С01 и С02 соответствует времени t1 и t2
Ускорение точки С = (V2 – V1) / Δ t, где средние скорости на участках t1 - t2 и t2 - t3
Угловая скорость ω = (α2 – α1) / Δ t
VD = ω × r
(рис 14 )
давления газа:
F = Sпоршня × р, где давление пара р = 100 000 Па, S = 0,0028 м ².Тогда F = 282 H.
Так как вес штока ЕС и шатуна СD существительно меньше чем 282 H, их вес принимаем = 0.
По II закону Ньютона для штока ЕС:
ОХ: Fcx = F
Так как шатун СD соединён со штоком и коленвалом шарнирно сила Fс - параллельна СD, тогда Fс × cos β = Fcx , где sin β = (r × sin α)/I иcos β = √(1 – sin² β)
Определение КПД парового котла.
КПД = Qполезная / Q полная
Qполезная – количество теплоты затраченное на превращение воды в котле в при атмосферном давлении и температуры 100 ⁰.
Q полная – количество теплоты выделившееся при сгорании газа.
Qполезная = удельная теплоёмкость парообразования × масса водяного пара.
Q полная = удельная теплота сгорания пропана × масса сгоревшего газа.
При проведении эксперимента, при сгорании 4 г пропана, масса воды уменьшилась на 40 г.
Удельная теплоемкость парообразования = 2,3 × 10 ⁶ Дж/кг
Удельная теплота сгорания пропана = 50 × 10⁶ Дж/кг
Откуда КПД = (2,3 × 10 ⁶ × 0,04 )/( 50 × 10⁶ × 0,004) = 0,43.
Заключение
В результате проделанной проектной деятельности была реализована модель парового двигателя и создана автоматическая система управления на базе микропроцессора Arduino. Данная модель показала стабильную работу. Были проведены расчёты. Модель показала стабильную работу. Мы не смогли реализовать все идеи, относительно модели и системы управления. В дальнейшем планируется усовершенствовать данную модель, к примеру, установить систему смазки, поставить датчики температуры и датчик уровня жидкости. Также планируется написать программы для разных режимов работы устройства, таких как: колка орехов разного размера, подключение генератора тока, работа поршневого насоса и др. Также планируется развивать тему создания автоматических систем управления и внедрять их в другие механизмы, для получения большего КПД.
Список литературы и интернет ресурсов:
1. «Самодельная паровая турбина» / А. АБРАМОВ и И.ФРОЛОВ
2. Паровые двигатели для морских моделей. Серия "Библиотека юного конструктора" / И.Романов