Разработка системы автоматического управления технологическим производством на примере сборника эмульсии

 

         3 РАЗРАБОТКА  ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

3.1 Общие положения

 

Функциональная схема (ФС) – основной технический документ, определяющий структуру и функциональные связи  между технологическим процессом  и средствами его контроля и управления.

Функциональную схему можно  также определить как схему, которая отражает функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, сигнализации, управления и регулирования технологического процесса и определяет  оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации.

При разработке схем решают следующие  задачи:

а) получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования;

б) непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им;

в) стабилизация технологических параметров;

г) контроль и регистрация технологических  параметров процесса и состояния  оборудования.

Функциональная схема  САР промежуточного накопления эмульсии представлена на чертеже ФИТЭ 050702 КП 03.02 А2 и состоит из следующих элементов: датчиков контроля технологических параметров,  исполнительных механизмов. В этом разделе рассматривается отдельно каждая точка контроля и регулирования, и определяются элементы, для получения требуемой информации о состоянии объекта  и процессов, а также исполнительные механизмы, управляющие воздействия и схему сигнализации.

 

3.2 Используемые технические средства  автоматизации

 

         3.2.1 Контроль температуры эмульсии в сборнике

         Сборник эмулсии (поз. Ι) предназначен для промежуточного накопления эмулсии. Накопление необходима для обеспечение достаточной запасы эмулсии в непрерывной технологической процессе приготовление стройтельной смеси. Для поддержания постоянной температуры эмульсии +45°С в сборнике I установлена водяная рубашка II, по которой течёт горячая вода под давлением и мы изменяя расход  горячей воды регулируем температуру эмульсии. Для регулирования температуры в сборнике установлен датчик температуры (поз. 2а).  Выбираем датчик -  термометр сопротивления Sitrans T. Термометр сопротивления состоит из измерительного резистора платины (Pt100). Диапазон измерения -20…+200⁰С.

         3.2.2 Регулирование давления воды в водяной рубашке

 

          Регулирование давления воды в водяной рубашке нужно для поддержание заданной температуры t= +45°С в сборнике путем теплообмена. Через клапан подается горячая вода под давлением. Температура воды в рубашке t=+85°С,  рабочее давление воды в рубашке Рр=0,3МПа

Для контроля давления помещаем датчик давления (поз. 1а) в водяную рубашку. Для обеспечения заданной точности измерения выбираем измерительный преобразователь избыточного давления Сапфир 22-ДИ. При спаде давления  ниже Ра=0,25МПа, на контроллер поступает сигнал, и срабатывает звуковая аварийная сигнализация.

Технические характеристики сапфир 22-ДИ представлены в таблице 4.

Таблица 4 – технические  характеристики сапфир 22-ДИ

Параметр	Значение параметров
Выходные сигналы, мА	4…20
Питание от внешних источников: с выходным сигналом 4…20 мА, В	36±0,72
Степень защиты от воздействия пыли и воды	IP65
Масса, кг	6,3
Габаритные размеры, мм	122х218х215
Средний срок службы, лет	12
Средняя наработка на отказ, ч	100000

 

3.3 Выбор контроллера 

 

Для наиболее качественного  контроля и регулирования параметров технологического процесса мы используем в системе автоматизации программируемый микроконтроллер Simatic S7-300 (поз. А-1). Simatic S7-300 - это модульный программируемый контроллер универсального назначения. 
Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур распределенного ввода-вывода, удобство обслуживания обеспечивают экономичность применения Simatic S7-300 при решении широкого круга задач автоматизации.

Несколько типов центральных  процессоров различной производительности и широкий спектр модулей различного назначения с множеством встроенных функций позволяют выполнять максимальную адаптацию оборудования к требованиям решаемой задачи. При модернизации и развитии производства контроллер может быть легко дополнен необходимым набором модулей.

Программируемые контроллеры Simatic S7-300 поддерживают широкий набор функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на выполнение монтажных и пуско-наладочных работ, а также на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации.

Модуль центрального процессора CPU 314 (поз. 1)  со встроенным интерфейсом MPI для построения систем управления, в которых требуется скоростная обработка информации и поддержка систем локального ввода-вывода, включающих в свой состав до 32 модулей.

Модуль  блока  питания PS 307 (поз. UG1) предназначены для формирования выходного напряжения 24 В, необходимого для питания центральных процессоров и целого ряда модулей контроллера SIMATIC S7-300. Блок питания PS 307 используют для своей работы входное напряжение 230 В. Блок питание может использоваться как для питания внутренних цепей контроллера, так и для питания его входных и выходных цепей.

Модуль ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 предназначены для аналого-цифрового преобразования входных аналоговых сигналов контроллера и формирования, цифровых величин, используемых центральным процессором в процессе выполнения программы. К входу модуля SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 (поз. AI1) подключается датчики температуры Sitrans T (поз. 2а) и давления Сапфир 22-ДИ (поз. 1а ).

Технические характеристики модуля ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 приведены в таблице 5.

Таблица 5 – технические  характеристики модулей вывода дискретных сигналов SM322

Параметр	SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0
Габариты, мм	40х125х117
Масса, кг	0,25
Общее количество каналов	8
Количество каналов  в группах	4х2
Потребляемый ток от внутреннй шины контроллера, мА	50
Выходной ток одного канала,мА	60
Напряжение питания модуля, В	24

 

Модули вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322-1HF01-0AA0 (поз. DO1), SM322 6ES7 322-1BL01-0AA0 (поз. DO2) предназначены для преобразования внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. К выходу модуля SM322 6ES7 322-1HF01-0AA0 подключается блок управления БУ-21 (поз. 2б ), а к модуля SM322 6ES7 322-1BL01-0AA0  подключается звонок громкого боя (поз. НА1 ).

 

 

 

 

4 РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

 

4.1 Общие положения

 

Принципиальные электрические схемы определяют полный состав приборов, аппаратов и устройств, а также связей между ними, действие которых обеспечивает решение задач управления, регулирования, защиты, измерения и сигнализации. Как правило, принципиальная схема дает детальное представление о принципах работы установки или изделия.

    Принципиальные  электрические схемы служат для  изучения принципа действия системы.  Они необходимы при производстве  наладочных работ и в эксплуатации.

Электрическая принципиальная схема представлена на чертеже ФИТЭ 050702 КП 03.03 Э3. Рассмотрим подробнее каждый способ подключения, соединения приборов.

 

4.2 Подключение измерительных устройств

 

         Контроль температуры осуществляется с помощью датчика Sitrans T (поз. 2а) по трехпроводной связи. Выходы этих приборов присоединяем  на SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 – модуль аналогового ввода (поз.AI1) к клеммам (ICO-, IC0+, MO+).

Датчик давления Сапфир 22-ДИ (поз. 1а), который измеряет давления воды,  подключается через клеммы (5, 6)  к клеммам (MS+, MS-)   SM331 6ES7 331-7KF02-0AB0 модуль аналогового ввода (поз.AI1). Сапфир 22-ДИ подключается через клеммы (1,2) к блоку питания БП-36 (поз. 1б) к клеммам (13, 7).

         

         4.3 Подключение исполнительных механизмов

 

Электрические исполнительные однооборотные механизмы МЭО-40/25-0,25 предназначены для перемещения регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и управляющих устройств. Механизмы исполнительные МЭО-40/25-0,25 перемещают рабочие органы неполноповоротного принципа действия. Принцип работы электроисполнительных механизмов МЭО-40/25-0,25 заключается в преобразовании электрического сигнала поступающего от регулирующего или управляющего устройства во вращательное перемещение выходного вала.

Температура в водяной  рубашке контролируется, и когда  контроллер получит информацию, о  снижения температуры ниже t= +45°С,  выработает сигнал управления, который поступает на блок управления БУ-21 (поз. 2б). Сигналы поступают на переключатели блока управления через клеммы (25, 26, 27), которые связаны с клеммами (2, 6, 10). Блок управления БУ-21 (поз. 2б) через эти же клеммы соединяется к механизму МЭО-40/25-0,25 (поз. 2г) и присоединяется к пускателю бесконтактному реверсивному ПБР-3А (поз. 2в)  и тем самым открывает и закрывает клапан. Исполнительный механизм МЭО-40/25-0,25 подключается через клеммы(10, 11) к клеммам (4, 5) блока питания БП-24.

 Блок управления  БУ-21 (поз. 2б) можно настроить на ручное управления с помощью кнопочного переключателя «Больше»-«Меньше». Чтобы управлять в ручном режиме управление оператор должен повернуть рукоятку блока управления БУ-21, который находиться на щите оператора, в «Ручной» режим. В ручном режиме управление в блоке управления БУ-21 замыкается клеммы (1, 5, 7). Оператор сам будет управлять, нажимая на кнопку «Больше» и «Меньше» клапаном, открывая и прикрывая его.

 

4.4 Подключение сигнализации

 

Схемы сигнализации осуществляют  контроль состояния технологического параметра, о котором для нормального ведения технологического процесса оператору необходима информация («параметр вышел из нормы»). Схема сигнализации представлена на чертеже ФИТЭ 050702 КП 03.04 Э3.

В этой схеме применяется  электрические релейно-контактные элементы со звуковой сигнализацией об отклонении параметра. Звуковая сигнализация расположена на щите оператора. Она срабатывает, когда давление достигнет аварийного уровня Ра=0,25МПа.

Звуковая сигнализация осуществляется с помощью реле KL1, которое подсоединяются к клеммам (2, 10) модулю дискретного вывода SM322 6ES7 322-1BL01-0AA0 (поз. DO2).

Схемы сигнализации, отличается наличием индивидуального коммутационного  аппарата (кнопки) для каждого сигнала, позволяющего отключить звуковой сигнал. Когда срабатывает звуковая сигнализация чтобы выключить ее мы нажимаем на кнопку «Съем звукового сигнала» (поз. SB1) со щита оператора. Тогда происходит размыкание контактов реле KL2. А чтобы опробовать работу сигнализации необходимо нажать на кнопку «Опробование сигнализации» (поз. SB1) со щита оператора.  В результате происходит замыкание всех контактов реле KL1 и через них на все цепи звуковой сигнализации подается питание и срабатывает звуковая сигнализация.

 

 

 

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТА

 

5.1 Построение кривой разгона с учетом запаздывания

Рассматривается система  стабилизации давления в водяной рубашке сборника. Структурная схема представлена на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема

 

Объект управления представляет собой водяную рубашку 1, в котором давление поддерживается неизменной регулятором 2.

Экспериментальная кривая разгона давления в объекте в безразмерной форме (исключая участок транспортного запаздывания) представлена в таблице 1.

Действительные значения ординат кривой разгона определяется по уравнениям:

           t=a , с                                                           (1)

Р=в , МПа                                                        (2)

 

Таблица 1 - Натуральная кривая разгона

t, c	8	12	16	20	24	28	32	36	40	44	48	52	56	60	64	68	72	76
P, МПа	0	0.02	0.08	0.13	0.17	0.21	0.23	0.25	0.27	0.28	0.28	0.29	0.29	0.29	0.30	0.30	0.30	0.30