Модернизация автоматизированной системы регулирования температуры в горне агломашины

Содержание

Введение

. Аналитический обзор существующей системы автоматизации и выбор варианта решения

.1 Описание технологического процесса объекта

.2 Анализ известных вариантов САУ

.3 Технические требования к САУ и выбор варианта решения

. Разработка функциональной схемы и выбор оборудования

.1 Функциональная схема автоматизации

.2 Выбор оборудования

. Математическое описание АСУ и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

.1 Структурная схема и алгоритм работы системы

.2 Определение математической модели объекта

.3 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств

.4 Выбор закона регулирования

.5 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

.6 Определение математической модели САУ, исследование на динамику системы

. Конструктивное оформление системы

.1 Схема электрических соединений

.2 Конструктивное оформление

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современное производство развивается в жесткой конкуренции и его развитие идет в следующих направлениях: значительное повышение качества продукции; уменьшение времени обработки конкретных агрегатов за счет технических усовершенствований; увеличение интеллектуальной оснащенности металлургической отрасли. Каждые 10 лет становления науки и техники обуславливается усложнением технических объектов в 2-3 раза. Беря во внимание, что период освоения новых технологических процессов в производстве составляет важный этап (5 и больше лет) и эффективность процессов обработки развивается тоже медленно, ключевым резервом увеличения экономических показателей металлургического производства является увеличение степени непрерывности и безаварийности рабочего процесса. Данная задача в металлургическом производстве принимается главным образом методом автоматизации производственного процесса.

Современное развитие производства предполагает значительному увеличению уровня автоматизации производственного процесса, созданию принципиально новых технологий и управлению с целью обеспечивания выпуска продукции требуемого качества в данный срок при наименьших расходах. Для достижения целей развития производственных систем нужен комплекс мероприятий каждого направления: совершенствование способов планирования производства и основ организации; ввод новых и улучшение существующих технологических процессов; повышение уровня автоматизации.

В металлургическом производстве обширное место занимают автоматизированные системы управления. Это разъясняется сложностью процессов, происходящих при производстве металла. Без использования устройств автоматизации и автоматики невозможно точно поддерживать протекание технологических процессов. Развитие управляющих систем идет по пути решения задач автоматизации при посредстве широкого применения всевозможных электронных систем и вычислительной техники, которая позволяет, при наличии развитого ПО, решать всевозможные задачи на всех этапах управления, начиная со сбора информации о состоянии объекта и кончая выработкой управляющего решения. Экономная, безопасная и высокопроизводительная работа технологических агрегатов металлургической промышленности требует применения современных средств и методов измерения величин, определяющих ход производственных процессов и состояния оборудования, использования современной вычислительной техники и программного обеспечения.

Создание больших металлургических агрегатов позволяет более эффективно применить сырьё, топливо, финансовложения, раскрыть широкие возможности для высоких технико-экономических показателей при значимом снижении количества обслуживающего персонала.

Все перечисленные выше требования в абсолютной мере можно отнести и к аглопроизводству, которое является 1 стадией в производстве металла. Ключевой задачей данного производства является осуществление высококачественного агломерационного процесса, т.е. подготовка качественного сырья для доменного производства из консистенции железосодержащих материалов. Агломерационный процесс дает лучшие технико-экономические характеристики и высочайшее качество агломерата тогда, когда его технологические характеристики оптимальны, строго соблюдается постоянство физических свойств и хим состава шихты. САУ регулирования температуры в горне позволяет добиться выше перечисленных характеристик и выполнить поставленную задачу.

В настоящее время в аглоцехе-3 ОАО “Северсталь” происходит внедрение новейших средств автоматизации и замена устаревших систем. В связи с этим необходимо создать АСУ ТП на основе современных программируемых контроллеров.

Темой дипломного проекта является модернизация автоматизированной системы регулирования температуры в горне агломашины №10 АГЦ-3 ОАО «Северсталь».

Надобность модернизации вызвана тем, что от качества регулирования процесса спекания шихты и безотказной работы оборудования зависит количество готового пригодного агломерата, соответствующего всем нормам.

Существующие системы не отвечают всем требованиям, предъявляемым к современным АСУ и выпускаемой продукции.

Целью модернизации является:

обеспечивание оптимального управления технологическим процессом;

увеличение эксплуатационной надежности комплекса АСУ, создание критериев для устойчивой работы цеха АГЦ-3;

гарантированное обеспечение намеченного уровня производства при последующем сокращении употребления топлива, снижении затрат на исходные сырьевые материалы и повышении качества агломерата.

В разрабатываемой системе должны быть учтены меры защиты информации от помех и резервное питание оборудования АСУ ТП при авариях в системе электроснабжения при помощи использования источников бесперебойного питания.

В процессе разработки проекта должен быть отработан вопрос минимизации используемых технических средств и системных решений.

В модернизируемой АСУ ТП должны быть применены стандартные перспективные типовые технические решения и технические средства при построении составных частей системы. Также должны быть максимально использованы типы технических и программных средств, успешно апробированных в работе в АСУ ТП аглопроизводства. В процессе разработки проекта должен быть проработан вопрос минимизации используемых технических средств и системных решений.

1. Аналитический обзор существующей системы автоматизации и выбор варианта решения

1.1    Описание технологического процесса объекта

Агломерационное производство - это подсобное производство, так как здесь производится главное сырьё доменного процесса (агломерат).

Процесс агломерации заключается в спекании измельченных руд, измельченного топлива и концентратов в прочные пористые куски - агломерат. Агломерат считается одним из основных компонентов доменной шихты.

Технологическая схема агломерационной фабрики показан на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Технологическая схема аглофабрики

В приемный бункер 1 с рудного двора приходит шихта, оттуда она по транспортирующим конвейерам 2 и 4 поступает в первичные барабаны-смесители 5, там ее смешивают, увлажняют и окомковывают. Смешивание, окомкование и увлажнение - это процесс получения химически однородной консистенции всех компонентов шихты, владеющих большой способностью газопроницаемостью при спекании.

Далее возврат поступает из бункера 3 в смеситель. Возвратом (оборотным продуктом) именуется отсеивание не спёкшейся шихты и агломерата, которые получаются при грохочении агломерата. Возврат считается интенсификатором спекательного процесса, тем самым делает лучше газопроницаемость шихты. Задаваемое в шихте количество возврата должно быть строго неизменным и составлять 20-25% от всей массы шихты.

Маленькие части шихты при смешивании становятся крупнее, образовывая комки. Шихта делается зернистой и рыхловатой, повышая газопроницаемость. Из смесителя шихта грузится в бункер 6 и транспортером 7 в конкретном соотношении с коксиком (коксовая мелочь -используется как горючее), который поступает из бункера 8, идет во вторичный барабан - окомкователь 9 (с вращательной скоростью 7-8 об/мин). При остановке агломашины, в барабанах-окомкователях устанавливается устройство по отсечке воды.

Дозирование шихты для обжига выполняется на конвейерах в режиме автоматического регулирования в соотношении «известняк - топливо». Оно выполняется установкой нужных расходов компонентов, выдаваемых на транспортер 2 питателями из бункеров.

Выдача материалов из бункеров осуществляется вибрационными и тарельчатыми питателями.

Смесь антрацитового штыба и коксовой мелочи является агломерационным топливом. В заданном соотношении, производится дозировка компонентов топливной смеси. После этого происходит сервировка системой конвейеров в бункера четырехвалковых дробилок.

Подготавливаемую шихту 15 из бункера 13 передают системой загрузки в агломашину 17, укладывая на бесконечно передвигающуюся цепочку из колосниковых тележек (паллетов), сперва переместив постель 16, поступающую из приемного бункера 10 и промежуточного бункера 12 по транспортеру 11. В процессе спекания агломерата производится согласование с технологической картой, которая составляется по состоянию агломашин, на основании расхода шихтовых материалов.

Объектом автоматизации является горн агломашины №10 (рисунок 1.2). Назначением агломашины является процесс получения агломерата спеканием концентратов и рудной мелочи путем прососа воздуха сквозь слой шихты, расположенный на колосниковой решётке.

автоматический электрический алгоритм оборудование

Рисунок 1.2 - Агломашина №10

, 2 - бункеры; 3 - барабанный смеситель; 4 - промежуточный бункер; 5 - ведущий барабан, приводится в движение двигателем постоянного тока; 6 - зажигательный горн; 7 - вакууум - камеры; 8 - ведомый барабан машины; 9 - эксгаустер.

В бункер над машиной поступает шихта агломерирующего обжига. Питатель передает в смеситель шихту, где она перемешивается и увлажняется. Влажная шихта загружается сверху на передвигающуюся цепочку из паллет, с помощью качающегося желоба (питателя маятникого), который содействует распределению шихты по ширине ленты. Загруженные шихтой паллеты, идут под уравнителем, который представляет из себя железную плиту, передвигающуюся в вертикальном направлении и необходимую для регулировки толщины слоя шихты на палетах. Далее шихта поступает под печь (горн), где зажигается и воспламеняется. Паллеты, в этот момент, расположены над камерами разрежения, в которых отсасываются газы эксгаустером. Затем паллеты с обжигаемой шихтой медленно двигаются вдоль камер разрежения. Воздух просасывается сквозь раскаленную шихту и происходит окисление сульфидов металла, благодаря наличию вакуума в камерах. Сульфиды металлов быстро сгорают в тонком слое шихты, окруженные излишком воздуха. Значительное количество тепла выделяют экзотермические реакции обжига, поэтому спекается обожженная шихта. Скорость перемещения паллет зависит от длины машины и колеблется в диапазоне 0,6-1,5 м/мин. Паллет, в конце горизонтального пути, попадает на закругленный участок рамы роликами, опрокидывается, и шихта из него падает на колосниковый грохот. Далее отсеивается мелочь (меньше 20 мм), а большие куски агломерата идут в дробилку, и после на грохот с отверстиями 20 мм. Верхний продукт грохота размером 20 -100 мм является готовым агломератом, идущим в шахтную печь. Нижний продукт грохота представляет собой некондиционный агломерат, его измельчают и вводят в состав шихты как оборотный агломерат.

Характеристики агломашины:

-       Производительность проектная, т/час ¾ 350 ÷ 450;

-       Ширина поверхности рабочей, м ¾ 4;

-       Площадь общая газоотсоса, м² ¾ 312;

-       Площадь спекающей поверхности, м² ¾ 252;

-       Площадь охлаждающей поверхности, м² ¾ 60;

-       Количество вакуум-камер газоотсосных, шт ¾ 26;

-       Количество тележек спекающих, шт ¾ 130;

-       Скорость движения тележек спекающих, м/сек ¾ 0,025 ÷ 0,125;

-       Макс толщина слоя спекаемого, м ¾ 0,35;

-       Мощность электродвигателя привода ленты, кВт ¾ 85;

-       Масса без запчастей с электрооборудованием, кг ¾ 2126100.

Аглофабрика представляет из себя предприятие с непрерывным механизированным процессом. Оснащена фабрика большим количеством технологических устройств и сантехнических приборов, установленных в разных корпусах, находящихся на большой площади. Выключение и включение большого числа механизмов требует длительного времени, в последствии на этих предприятиях учитывается дистанционное централизованное управление механизмами из 1-го или нескольких операторских пунктов (ОП).

Поточность производства, в которой материал последовательно и непрерывно поступает от 1-го механизма к другому, требует автоматического управления данными механизмами, исключающей завалы при остановке 1-го из механизмов.

1.2    Анализ известных вариантов САУ

Под комплексом АСУ агломашины №10 понимаются автоматизированные системы регулирования основных контуров и регистрация технологических параметров

Существующая система (рисунок 1.3) обеспечивает регулирование температуры горна за счет изменения расхода газа и воздуха на горн.

В ПЛК Ломиконт-110 происходит первичная обработка аналоговых и дискретных сигналов и регулирование 3-х контуров по программе, записанной в памяти у контроллера.

Рисунок 1.3 - Функциональная схема существующего варианта САУ

Таблица 1 - Спецификация известного варианта САУ

1.3.Технические требования к САУ и выбор варианта решения

Система регулирования должна выполнять следующие требования:

-       Должна быть устойчивой;

-       обеспечивать качество регулирования;

-       быть многофункциональной;

-       легко обслуживаться;

-       иметь способность к восстановлению впоследствии отказов;

-       функционировать в непрерывном режиме с остановками при техническом обслуживании.

Комплекс технических средств состоит из унифицированных и типовых узлов и стандартных устройств. Преобразователи информации и датчики должны иметь унифицированные выходные сигналы.

Система должна быть открытой и допускать вероятность функционального расширения, с учетом развития к меняющимся технологическим условиям.

Показатели качества объекта управления:

-       X_ст ≤ 0,4 ^oC

-       X_д ≤ 10 ^oC

-       t_рег ≤ 500 с

Модернизация системы предполагает замену контроллера Ломиконт-110 на SIMATIC S7-300, замены термоэлектрического преобразователя КТХА на термопару типа ТПП10 (платинародий-платиновая) и датчика расхода Сапфир 22ДД на более новый Метран 100ДД.

Тем самым мы усовершенствуем АСР и обеспечим стабильность технологических условий, в частности улучшим технико-экономические показатели работы агломашины, повысим надежность и безопасность работы оборудования, а также улучшим условия труда персонала.

2. Разработка функциональной схемы и выбор оборудования

.1 Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема разработанной САУ изображена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Функциональная схема разработанной САУ

Работа САР состоит в следующем: сигналы с датчиков (1а, 2а, 3а, 4а, 5а) поступают в контроллер UY (1б). Контроллер обрабатывает контролируемые параметры, поступающие в систему визуализации и отображающиеся в виде числовых значений на АРМ оператора UIH (1в). Зажигание верхнего слоя шихты происходит в горне агломашины при заданной температуре. Регулирование температуры производится за счет изменения расхода газа (измерение расхода газа производится датчиком Метран-100ДД, регулирование расхода газа на горн исполнительным механизмом МЭО 250 (7)). С изменением расхода газа, в соответствии с заданным соотношением, меняется и расход воздуха (измерение расхода воздуха производится датчиком Метран-100ДД, а регулирование расхода воздуха на горн исполнительным механизмом МЭО 250 (6)). Оператор выбирает нужное значение температуры горна, которое САР должна поддержать и ПЛК вырабатывает управляющий сигнал для исполнительного механизма, на основе заложенной программы. Температура в горне меряется термопарой типа ТПП10 (платинородий-платиновая).

Таблица 2 - Спецификация разработанной САУ

2.2 Выбор оборудования

.2.1 Выбор датчика измерения расхода

Измерение расхода выполняется датчиками Метран - 100ДД (рисунок 2.2). Они предназначенные для работы в системе автоматического регулирования, контроля, управления технологическими процессами и обеспечивают преобразование значения измеряемого параметра - давления абсолютного и избыточного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений агресивных и нейтральных сред в унифицированный выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи Метран - 100ДД применяются в устройствах для преобразования значения расхода жидкости, уровня жидкости или газа в унифицированный токовый выходной сигнал.

Характеристики Метран - 100ДД:

-       Измеряемые среды: жидкости, газ, пар и кислородосодержащие газовые смеси;

-       Диапазоны давлений: минимальный 0-0,04 кПа; максимальный 0-100 Мпа;

-       Пределы приведенной основной погрешности измерений ±0,25%; ±0,5%;

Рисунок 2.2 - Внешний вид датчика измерения расхода Метран - 100ДД

-       Диапазон перенастроек пределов измерений М100 до 25:1;

-       Наличие взрывозащищенности;

-       Межповерочный интервал - 3 года;

-       Гарантия - 3 года.

Преимущества датчика:

-       контролирует текущее значение измеряемого давления;

-       контролирует и настраивает параметры датчика;

-       устанавливает «нуль»;

-       выбирает систему и настраивает единицы измерения;

-       настраивает время усреднения выходного сигнала;

-       перенастраивает диапазоны измерения, в том числе на нестандартные;

-       настраивает на «смещенный» диапазон измерения;

-       выбирает зависимость выходного сигнала от входной величины;

-       калибрует датчик;

-       производится самодиагностика (непрерывная);

-       тестирует и управляет параметрами датчика на расстоянии;

-       защищает настройки от несанкционированного доступа.

.2.2 Выбор датчика измерения температуры

Для измерения температуры применяются термопары ТПП10 (платинородий-платиновые). Они измеряют температуру газообразных и жидких, химически неагрессивных сред. По своим свойствам платинародиевые сплавы и платина представляют из себя уникальные материалы для термопар. Их главное свойство - высокое сопротивление газовой коррозии.

Характеристики датчика:

-       Материал термоэлектродов: Положителый - сплав платинародий (87% Pt - 13% Rh), отрицательный - платина (Pt);

-       Коэффициент термо ЭДС, мкв/°С (в диапазоне, °С): 10-14 (600-1600);

-       Диапазоны температуры, °С: от 0 до +1300;

-       Температура придельная при кратковременном применении, °С: 1600;

-       Класс точности (°C): ±1.0 0 °C - 1100 °C; ± [1 + 0.003 × (T − 1100)] 1100 °C - 1600 °C.

Обладает:

- отличной устойчивостью к коррозии;

надежной работой в вакууме (в нейтральных средах менее стабильны).

Недостатки: очень чувствительны ко всем загрязнениям, которые могут появиться при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопары.

.2.3 Выбор исполнительного устройства

В настоящий момент для регулирования зазора дросселя в газовых трубопроводах и водоводах используется исполнительный механизм МЭО 250/63-0,25-99К (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Внешний вид исполнительного механизма МЭО 250/63-0,25-99К

Применяются для перемещения регулирующего органа в САР в соответствии с командными сигналами, которые поступают от управляющих и автоматических устройств. Принципом действия механизмов МЭО является преобразование электрического сигнала, поступающего от управляющего или регулирующего устройства во вращательное перемещение выходного вала.

Характеристики МЭО 250/63-0,25-99К:

крутящий момент на выходном валу 250 НхМ;

время полного хода выходного вала 64 сек;

полный номинальный ход выходного вала 0,24 об;

масса не превышает 28 кг;

напряжение питания 380 В;

управляющее устройство типа ПБР-3 или ПБР-3А.

Климатическое исполнение «У» категория «2»:

диапазон температур окружающего воздуха от - 30 до + 50 ºС;

влажность (относительная) окружающего воздуха до 90%;

вибрация частот от 10 до 150 Нz с амплитудой 0,075 мм для частот до 57-63 Hz и ускорением 9,7 мм/s2 для частот свыше 63 Hz;

отсутствие воздействия прямой солнечной радиации и осадков.

3. Математическое описание АСУ и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

.1 Структурная схема и алгоритм работы системы

Рисунок 3.1 - Структурная схема

В качестве пульта управления (ПУ), в представленной АСУ, применяется персональный компьютер с установленной на него системой визуализации Step7, позволяющей следить за технологическим процессом. Исполнительным механизмом (ИМ) является МЭО 250/63-0,25-99К, он позволяет с высокой точностью обрабатывать сигнал, поступающий с контроллера. Дроссель используется в качестве регулирующего органа (РО). Объект регулирования (ОР) - это горн. Чувствительным элементом (ЧЭ) системы является термопара типа ТПП10 (платинородий-платиновая).

Функционирование схемы: на контроллер поступает сигнал с датчика температуры. Производится сравнение этого значения с заданным. При рассогласовании контроллер выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм. ИМ воздействует на регулирующий орган, изменяя изменяется расход воздуха и газа и система приходит к требуемому состоянию.

3.2 Определение математической модели объекта

В структурной схеме САУ объект управления представляется в виде соединения двух звеньев: звена чистого запаздывания и апериодического (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Структурная схема объекта управления

Кривая разгона объекта регулирования - это кривая изменения во времени выходной величины в переходном процессе вызванным однократным изменением входной величины. Кривая разгона взята из технической литературы [1] и представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Кривая разгона ОУ

Динамические параметры ОУ определяются по кривой разгона и равняются:

Т_о = 75 с;

К_об = 3(⁰С/%хода РО);

.

Подставим параметры в структурную схему ОУ и получим математическую модель ОУ (рисунок 3.4):

Рисунок 3.4 - Математическая модель объекта управления

.3 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ изображается в виде трех звеньев (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Структурная схема автоматического регулятора

Усилительное звено представляет собой коэффициент усиления К_р, имеющий следующее значение:

(1)

Функция исполнительного механизма имеет следующий вид:

Закон регулирования описывается следующим выражением:

Подставим значения:

.4 Выбор закона регулирования

Для того чтобы выбрать регулятор и посчитать его параметры настройки, нужно знать следующее:

·        Динамические параметры объекта регулирования:

-       Максимальный коэффициент передачи объекта управления

-       Постоянная времени объекта управления

-       Запаздывание

·        Величину максимального возмущения по нагрузке:

·        Главные показатели качества переходного процесса:

-       отклонение регулируемой величины динамическое

X_д ≤ 10 ^oC

-       отклонение регулируемой величины статическое

X_ст ≤ 0,4 ^oC

-       время регулирования_рег ≤ 500 с

По данным величинам рассчитываем:

·        Величину, обратную относительному времени запаздывания

, (5)

Подставим значения,

 = = 0.309

·        Время регулирования

, (6)

Подставим значения,

 21,6 с

·        Динамический коэффициент регулирования

, (7)

Подставим значения,

0.22

·        Остаточное отклонение регулируемой величины

, (8)

Подставим значения и получим  = 0.009 ^oC

Выразим в процентах,  = 0,9%

Большое количество автоматизированных металлургических процессов протекают успешно, если система имеет один из трёх процессов регулирования:

-       Апериодический

-       С 20% перерегулированием

-       С min интегральной квадратичной ошибкой.

По выражению  выберем тип регулятора.

Данному значению = 0.309 подходит тип регулятора - релейный. Показатель колебательности М соответствует промежутку 1.3<М<1.8, возьмем процесс с 20% перерегулированием.

Используя график зависимости  от  (рисунок 3.6) при выбранном процессе, определяем что 0.22 при  могут обеспечить П -,ПИ- ПИД - регуляторы.

Вычислим возможность применения П-регулятора.

Рисунок 3.7 - Остаточное отклонение на статических объектах: 1 - апериодический процесс; 2 - процесс с 20%-ным перерегулированием; 3 - процесс с min .

Из графика, изображенного на рисунке 3.7 видно, что при  остаточное отклонение равно

По  определяем величину фактического остаточного отклонения:

Подставим значения,

Допустимое значение , поэтому П-регулятор не подходит.

Рисунок 3.8 - Относительное время регулирования на статических объектах. 1 - И - регулятор; 2 - П - регулятор; 3 - ПИ - регулятор; 4 - ПИД - регулятор

Вычислим возможность использования ПИ-регулятора. По рисунку 3.8 видим, что , тогда   не превышая времени регулирования. Выберем ПИ-регулятор.

Приблизительные настройки регулятора вычислим по формулам:

-       Коэффициент усиления регулятора

,

-      
Время удвоения

,(11)

3.5 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

Для любой системы автоматического управления главным устройством является управляющее устройство. В нашей системе управляющим устройством является программируемый логический контроллер (ПЛК). Выбирается контроллер на основе задач, решаемых при помощи разработанной системы.

Для автоматизированной системы регулирования температуры в горне примним контроллер фирмы Siemens. Контроллер данной фирмы полностью совместим с другим оборудованием системы. Siemens занимается выпуском контроллеров разных серий, но основные контроллеры это S7-200, S7-300, S7-400.

Модернизируемую систему относим к среднему классу сложности. Контроллеры серии S7-300 считаются достаточно мощными и применяются для систем, выполняющих задачи самой высокой сложности, имеющих не один контур управления и требующих довольно высокой производительности. Основные технические характеристики контроллера представлены в таблице 4.

Особенности:

-       программируемый контроллер, состоящий из модулей для выполнения задач АУ;

-       контроллер имеет широкий выбор модулей для максимальной адаптации к условиям выполняемой задачи;

-       используются различные структуры ввода-вывода и простота включения в сетевые конфигурации;

-       «горячая» смена модулей;

-       работа с естественным охлаждением;

-       свобода в наращивании функциональных возможностей при модернизировании системы управления;

Таблица 3 - Основные технические характеристики SIMATIC S7-300овные технически

-       большая мощность благодаря большому количеству встроенных функций.

3.6 Определение математической модели САУ, исследование на динамику системы

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления и автоматического регулятора определенным образом взаимодействующих друг с другом.

Структурная схема разработанной САУ изображена на рисунке 3.9

Рисунок 3.9 - Структурная схема разработанной САУ

Подставим значения

Т_о = 75 с

Т_с = 1 с

К_об = 3 (⁰С/%хода РО)

 = 23,15 с

Т_и = 52,5 с

К_р = 0,76 (% хода ИМ/⁰С)

Структурная схема будет иметь вид (рисунок 3.10):

Проверим систему на динамику в среде VISSIM.

Программа VisSim является разработкой компании Visual Solutions. Она предоставляет пользователю графический интерфейс, используя который, мы можем создать модель из виртуальных элементов с некоторой условностью так же, если бы мы строили реальную систему из настоящих элементов. Она позволяет создавать, а потом оптимизировать и исследовать модели систем широкого диапазона различной сложности.

Рисунок 3.10 - Структурная схема САР

При описании модели в среде VisSim и последующем построении, не обязательно записывать и решать дифференциальные уравнения. Программа сделает это сама, по предлагаемой ей исследователем структуре системы. Результат решения выводится в наглядной графической форме. Программу могут использовать и те, кто не владеет глубокими познаниями в программировании и математике.

Интерфейс VisSim представляет из себя виртуальный, интерактивный лабораторный стенд, который обеспечивает построение модели из отдельных блоков, управления им, контроль результатов и запуск процесса моделирования.

Начальными данными при построении моделей в VisSim является структурно-алгоритмическая схема объекта или процесса и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. В нашем случае это структурная схема САР, изображенная на рисунке 3.10.

Создадим (рисунок 3.11) виртуальный аналог нашей системы, в обратной связи которой включена термопара с передаточной функцией W(s).

На выходе получили, что перерегулирование Ϭ = 40% и время регулирования tp = 184 c.

Для хороших систем перерегулирование не превышает 30%, поэтому под настроим регулятор. Например, уменьшим коэффициент до 0,6.

Рис. 3.11 - VisSim - диаграмма модели исследуемой системы

Меняем значение коэффициента усиления регулятора с 0,76 на 0.6 и получим VisSim-диаграмму модели скорректированной системы на рисунке 3.12.

Получили систему с хорошими показателями качества работы, удовлетворяющую поставленным требованиям:

Перерегулирование Ϭ = 25,3%

Время регулирования tp = 156,92 c

Рис. 3.12 VisSim - диаграмма модели скорректированной системы

Рис.3.13 Переходный процесс на выходе системы

4. Конструктивное оформление системы

.1 Схема электрических соединений

Монтаж щитов и пультов

Шкафы предназначены для установки на них средств управления и контроля технологическим процессом (ТП), а точнее контрольно измерительных приборов (КИП). Производят их на заводах электромонтажных изделий. Несущей основой является каркас из швелера, на который крепят болтовыми и винтовыми соединениями стенки, панели, двери т.д.

Для монтажа контроллера выберем шкаф Rittal TS 8 габаритами 1000*600 мм:

·        Установка в производственных помещениях;

·        Уплотнение термоизоляцией из пенопласта стен с термодатчиками. Их еще обрудуют амортизаторами в местах установки щитов;

·        Многоканальные щиты собирают строго по отвесу и уровню, для того чтобы лицевая панель их находилась в одной плоскости;

·        Зазоры в стыках между щитами могут быть не более 2мм. Крепления их между собой, а так же к полу (фундаменту) должно быть болтовым;

·        Панельные щиты крепят вверху к стене специальными регелями, для увелечения жёсткости;

·        При значительных протяжённостях щитовых сборок их монтируют в виде многограника, П-образной или Г-образной формы. Щиты с пультами устанавливаются на бетонные основания в двойном полу, либо над кабель-каналами в бетонном основании пола;

·        Ввод кабеля под раму в щит производится из кабель-канала шита. Перед монтажем шит по месту крепиться к опорной раме (швелеру) соединениями с помощью болтов, а в углах рамы, для большей жёсткости, приваривают косынки;

·        Щиты малых габаритов монтируют на стенах, коллонах или на полу на подставке на высоте от пола 0,7м - 2м для показывающих приборов, и от 1 до 1.5м для самопишущих приборов и вспомогательной аппаратуры (переключатели, ключи, пробки);

·        Ширина прохода должна быть не менее 0,8м для обслуживания. Запрещается монтировать аппаратуру и приборы с открытыми токоведущими частями на деврях щитов и углом при открытии 90-110^о. Шкафы нужно обязательно заземлять, а металло свзяь между щитовыми сборками должна быть не более 0,1 Ом.

На рисунке 4.1 показан план прокладки трасс и кабелей.

Рисунок 4.1 - План прокладки трасс и кабелей

Таблица 4 - Маркировка кабелей

4.2 Конструктивное оформление

Разрабатывая конструктивное оформление системы автоматического управления нужно учитывать такие факторы, как безопасность и удобство обслуживания технических средств.

Монтаж датчиков расхода воздуха и газа Метран-100 ДД

Сужающие устройства (диафрагмы) монтируют на горизонтальном, наклонном или вертикальном трубопроводах. Перед установкой происходит чистка диафрагмы от антикоррозийной смазки и выполняется проверка:

-       Внутренних диаметров трубопровода и место установки диафрагмы;

-       Трубопровода (отсутствие грязи, сварочных швов и т.п.);

-       Направления потока в измеряемой среде;

-       Марки материала диафрагмы.

Диафрагму ставят на прямолинейном участке трубопровода, для того что бы торец был перпендикулярен оси трубопровода, оси диафрагмы и трубопровода совпадали. Ее монтаж проводится между приваренными фланцами, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру трубопровода. Между фланцами и кольцевыми камерами монтируют прокладки (уплотнительные). На рисунке 4.2 изображен пример установки камерной диафрагмы.

К участку трубопровода приварены 2 фланца перпендикулярно оси трубопровода и параллельно друг другу, стянутые болтами (по окружности) с гайками. Диафрагма установлена между фланцами, с обеих ее сторон установлены 4 пары отборных патрубков.

Рис.4.2 - Диафрагма

Впоследствии установки сужающего устройства затягиваются фланцевые болты, контролируя центровку диафрагмы.

Точное измерение давления зависит от правильности установки датчика и соединения трубок от места отбора давления до датчика. Соединяющие трубки прокладываются по наикратчайшему пути. Отбор давления необходимо производить в месте, где скорость движения среды самая наименьшая.

Температура в измеряемой среде рабочей плоскости не должна быть выше температуры окружающего воздуха. На входе в рабочую полость датчик монтируют на соединительной линии, для снижения температуры измеряемой среды, длина которой рекомендуется не меньше 3 м. Соединяющие линии должны иметь уклон односторонний (не менее 1:10) от места отбора давления, вверх к датчику.

От места отбора давления к датчику давления, в соединительных линиях, необходимо установить 2 вентиля или трехходовой кран необходимый для отключения датчика от линии.

Для прокладки линии связи применяются кабеля с резиновой изоляцией, кабели для блокировки и сигнализации - с полиэтиленовой изоляцией.

На рисунке 4.3 представлена схема соединительных линий датчика расхода газа (воздуха) Метран-100 ДД.

Рис.4.3 Схема соединительных линий датчика Метран-100 ДД

Порядок монтажа термопары типа ТПП10 (рисунок 4.4):

)        Наносим разметку для монтажа;

)        Вырезаем участок трубопровода установленной длины;

)        Свариваем фланцы параллельно друг к другу;

)        Устанавливаем диафрагмы через прокладку и стягиваем их болтовыми соединениями;

)        Устанавливаем в бобышку через прокладку защитную гильзу, заливаем в нее трансформаторное масло и устанавливаем в нее ТПП10.

) Устанавливать данные термопары на стенки печи не допускается. Они монтируются от стены на расстоянии 50 - 70 мм.

) Термопары платиновые не разрешается устанавливать на вибрирующем оборудовании и трубопроводах.

) Кабеля подводимые к термопаре, должны быть промаркированы в соответствии с проектом.

Рисунок 4.4 - Термопара типа ТПП10

Монтаж ПЛК

Алгоритм установки контроллера simatic S7-300 представлен на рисунке 4.5

Рис.4.5 - Алгоритм установки контроллера

При монтаже ПЛК в шкаф нужно соблюсти размеры зазоров (рисунок 4.6), для того чтобы гарантировать необходимое место для отвода выделяемого ими тепла и монтажа. Рисунок показывает размер зазоров между отдельными стойками, и между соседними элементами оборудования по отношению к стенкам шкафов и т.д.

Порядок установки:

)        Монтаж профильной шины

-       Помещаем профильную шину так, чтобы оставить места для монтажа и для охлаждения модулей (не менее 50 мм над и под модулем);

-