Проектирование подсистемы автоматизированной системы управления напорным ящиком БДМ

Проектирование подсистемы АСУ напорным ящиком БДМ

Бумага является упругопластическим, капиллярно-пористым листовым материалом, состоящим главным образом из мелких растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления.

Процесс изготовления бумаги очень сложен. Чтобы реализовать строгое подчинение требуемым стандартам, на предприятие внедряется автоматизированная система управления. Она помогает снизить затраты на производство бумаги, а также получить высококачественный, экологически безопасный для потребителей продукт. Однако чтобы автоматизированная система работала надлежащим образом, ее следует грамотно установить и постоянно обслуживать.

1.Техническая характеристика ОУ

Напорный ящик закрытого типа с воздушной подушкой фирмы «AHLSTROM». Установлен на БДМ № 2 «ОАО» ПЗБФ.

Напорный ящик предназначен для налива массы на сетку плоскосеточной бумагоделательной машины. Внутренние части напорного ящика изготовлены из отполированной нержавеющей стали, чтобы волокна не собирались в сгустки.

Оптимальный уровень массы в камере напорного ящика равен 400 мм. вод. столба над поверхностью нижней губы. Скорость вытекания массы на сетку регулируется за счет изменения давления воздуха в камере напорного ящика и за счет изменения числа оборотов смесительного насоса.

Таблица.1 Техническая характеристика

1.1 Описание схемы технологического процесса

Масса к напорному ящику подводится с приводной стороны машины в коллектор. Коллектор представляет собой прямоугольную трубу, сужающуюся по ходу массы. Сечение коллектора рассчитано с учетом гидравлического сопротивления движению массы, что обеспечивает равное давление по длине коллектора, являющееся необходимым условием равной скорости вытекания массы из коллектора в камеру напорного ящика, т. е. равномерного потока по всей ширине машины.

Равенство давления в коллекторе контролируется визуально по движению массы в стеклянной трубке байпасной линии, соединяющей начало и конец коллектора.

При равном давлении движение массы в стеклянной трубке отсутствует. Из коллектора масса проходит через серию относительно коротких труб в камеру напорного ящика, где отдельные струи объединяются в однородный поток, направленный по оси машины.

В камере ящика имеются два перфорированных валика Венцеля диаметром 180 мм, выравнивающие поток и поддерживающие волокна в дисперсном состоянии на всем пути от приемного коллектора до выпускной щели. На валиках Венцеля имеются отверстия, занимающие соответственно 35% и 50% всей его поверхности, т. е. первый по ходу массы валик Венцеля имеет меньшую суммарную площадь отверстий.

При ремонтных работах следует обратить внимание на правильное положение перфорированных валиков Венцеля. Зазор между торцом вала и боковыми стенками ящика должен быть не менее 3,0 (+0,5) мм. Осевое перемещение перфорированного валика Венцеля не допускается. Зазор выставляется набором прокладок с лицевой стороны и подгонкой шайб с приводной стороны. Валик Венцеля должен располагаться симметрично относительно внутренних поверхностей боковых стенок напорного ящика.

Зазор между днищем и задней стенкой напорного ящика должен составлять 0,5 (+0,2 мм), зазор между днищем и передней стенкой напорного ящика так же должен составлять 0,5 (+0,2 мм).

Рис. № 1 регулирование напускной щели.

Ширина напускаемого на сетку слоя массы ограничивается боковыми стенками напорного ящика. Толщина слоя массы и качество налива определяются положением передней стенки, перемещаемой механизмом подъема. Выпускающая № 1.поз.б).

Горизонтальное смещение верхней губы относительно кромки нижней губы (см. Рисунок № 1.поз.d) 60 мм внутрь камеры и 40 мм из камеры (см. Рисунок № 1.поз.d). Величина открытия щели и горизонтального перемещения верхней губы контролируется по шкале на лицевой стороне напорного ящика.

Горизонтальное смещение передней стенки позволяет изменять условия выхода массы на сетку (угол падения массы на сетку, обезвоживание на грудном валу), отчего изменяются и условия формования полотна бумаги.

Местные отклонения массы 1 м² полотна по ширине машины устраняются упругим изгибом верхней губы с помощью тяг механизмов тонкой регулировки, расположенных по всей ширине напорного ящика.

Величина изгиба контролируется по шкале механизма тонкой регулировки.

Одно деление шкалы соответствует вертикальному перемещению верхней губы на 0,2 мм.

Знак «+» на шкале обозначает увеличение размера щели, знак «- «уменьшение щели. Пределы регулировки ± 3 мм.

Для гашения пены и предотвращения образования сгустков массы в напорном ящике установлены две горизонтальные спрысковые трубки.

Для осмотра и промывки камеры напорного ящика коллектор, может быть, откинут на шарнирах.

При пользовании механизмами тонкой регулировки верхней губы, во избежание появления на ней резких перегибов и повреждений, перепад в показаниях на шкалах двух соседних механизмов допускается не более 2 делений шкалы. Деформация губы должна быть упругой, иначе возможна остаточная деформация, искажающая форму верхней губы. Регулируйте еще по одному механизму с обеих сторон, если требуется регулировка более 0,4 мм. При ревизии и ремонте сохраняйте взаимное положение деталей при разборках узлов, не путайте одинаковые детали из разных узлов. Это позволяет избежать излишних затрат времени на регулировку.

1.2 Описание основного оборудования

Конструктивная схема всех восьми размеров напорных ящиков в основном одинакова. Закрытый напорный ящик изображен на рисунке 2 включает корпус, коллекторную камеру с двухступенчатой перфорированной плитой, два перфорированных вала с регулируемой частотой вращения, переднюю стенку с механизмами регулирования, пеногасители, контрольно-регулирующую аппаратуру для поддержания постоянного уровня массы в ящике и постоянного давления воздушной подушки. Поток массы, поступающей в напорный ящик, распределяется по ширине машины коллекторной камерой.

Рис. 2. Напорный ящик закрытого типа: 1 — коллектор-потокораспределитель; 2— перфорированная плита; 3— перфорированные валы; 4 — корпус ящика; 5 — передняя стенка; 6 — механизмы регулирования щели; 7 — пеногаситель; 8 — воздушная подушка.

автоматизированный напорный ящик

Прямоугольного сечения, проходит через отверстия перфорированной плиты, стабилизируется двумя вращающимися перфорированными валами. Передняя стенка придает потоку массы плавное ускорение (до скорости сетки). Верхняя губа, установленная в конце передней стенки, имеет приспособления для местного регулирования ширины щели и указатели, показывающие деформацию губы. Общее открытие щели и перемещение верхней губы по отношению к нижней по горизонтали обеспечивается механизмами, установленными на крыше ящика. В конструкции ящика предусмотрены люки, смотровые стекла, осветители, мостки для обслуживания. Все внутренние поверхности ящика облицованы полированными листами нержавеющей стали. Для уменьшения прогиба передняя стенка ящика закреплена на расстоянии ширины ящика. Предусмотрен перелив массы, насыщенной воздухом, и пены. Для удобства промывки и ремонта коллекторная камера с перфорированной плитой откидывается вниз.

1.3 Параметры процесса и способы их регулирования

Основным показателем режима работы напорного ящика является скорость напуска (коэффициент) массы на сетку плоскосеточной бумагоделательной машины.

По скорости напуска (коэффициенту) массы определяется размер напускной щели. Определение величины открытия щели по формуле (1)

где: В — масса квадратного метра бумаги или картона в граммах;

К₁ — концентрация масса в напорном ящиках, принимаем в среднем 0,8%;

К₂ — концентрация регистровой воды, принимаем 0,1%;

а — коэффициент сжатия струи (а = 0,7…0,8)

Определение суммарного напора в камере напорного ящика и коэффициента напуска по Таблице 2.

Таблица 2

Коэффициент напуска = V_массы / V_{сетки (гауч-вала)}

V массы = 60мv2gh, м/мин где g — ускорение силы тяжести, /сек² (9,81) h — высота суммарного напора массы перед выпускной щелью, м (считается до середины щели); м — коэффициент истечения, зависит от формы напускной губы и от распределительных элементов перед щелью, равен 0,90−0,95.

Изменения суммарного напора массы производятся в зависимости от коэффициента напуска путем изменения числа оборотов смесительного насоса и высоты щели.

Определение уровня массы в камере напорного ящика На пульте управления смесительным насосом выставляется значение оборотов смесительного насоса в зависимости от скорости бумагоделательной машины.

Пуск напорного ящика и смесительного насоса Пуск смесительного насоса и напорного ящика осуществляет машинист 5, 6 разряда в следующем порядке:

1.Проверьте качество промывки напорного ящика, отсутствие посторонних предметов.

2. Закройте люк и затяните крепежные болты.

3. Проверьте высоту открытия щели.

4. Откройте вентили на подаче воды в спрыски напорного ящика.

5. Произведите пуск перфорированных валов с пульта управления.

6. Произведите пуск на оборотной воде.

7. Включите смесительный насос, нажав кнопку «ПУСК» (поз.3, рис.3);

8. Загорается зеленая лампочка «РАБОТА» (поз.2, рис.3);

9. Добейтесь необходимого уровня кнопками «СКОРОСТЬ МЕНЬШЕ» и «СКОРОСТЬ БОЛЬШЕ» (рис 3). При этом следует помнить, что заполнение всей камеры напорного ящика недопустимо.

10. Число оборотов смесительного насоса не должно превышать 120% (поз. 10, рис.3);

11. Нагрузка на смесительный насос не должна превышать 100% (поз. 9, рис.3);

Рис 3. Пульт управления смесительным насосом (1,2,7-лампочки; 3-кнопка «ПУСК»; 4-кнопка «СТОП»; 5,6-кнопки регулирования числа оборотов смесительного насоса; 8-кнопка аварийного останова смесительного насоса; 9-индикатор тока, 10-индикатор числа оборотов смесительного насоса).

12. Подайте в напорный ящик массу, включив в работу массный насос;

13. Включите в работу систему автоматического регулирования уровня;

14. При отрегулированном выпуске массы должно отсутствовать видимое движение ее в стеклянном участке трубы, соединяющей начало и конец коллектора, что указывает на равенство давления по всей длине коллектора.

2.Технико-Экономическое обоснование автоматизации

2.1 Описание и анализ существующей системы автоматизации

На предприятии пока нет централизованной системы управления автоматизации напорным ящиком БДМ. Оно носит пока локальный характер.

Существующая система автоматизации включает следующие системы автоматики;

— САУ управления воздушной подушкой.

— САУ управления уровня.

— САУ управления смесительным насосом.

Процесс управления напускным устройством осуществляется в полуручном режиме, с помощью простых регуляторов ТРМ212. Система автоматизации имеет очень низкое быстродействие, не обеспечивающая хороший динамический процесс. Данная система не дает ни малейшего представления о характеристики изменения динамического процесса.

Требуется постоянный контроль работы регуляторов обслуживающим персоналом. Система не имеет возможности информировать оператора о состоянии работы исполнительных механизмов. Не имеется возможности оператору оперативно влиять на процессы напуска при переходе на различные виды продукции.

2.2 Выбор и обоснование предлагаемой системы автоматизации

Производство бумаги на бумагоделательной машине (БДМ) состоит из нескольких технологических стадий, наиболее важным из которых является процесс напуска полотна.

Производство бумаги характеризуется высоким уровнем автоматизации. Регулирование параметров технологического режима и качества готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации осуществляется автоматически, а при обрывах полотна — оперативным персоналом (сушильщиком) в режиме ручного управления. Требования к эффективности работы БДМ, а также к качеству продукции непрерывно возрастают. Наиболее эффективными в настоящее время оказались решения по автоматическому управлению качеством готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации. Значительно меньший прогресс достигнут в создании систем автоматического управления качеством в переходных режимах: при смене производительности, вида продукции, обрывах бумажного полотна.

При выборе комплекса технических средств учитываются следующие факторы:

· Технические характеристики

· Надежность

· Экологические показатели при использовании

· Цена Перед автоматизированной системой управления ставятся следующие задачи:

ѕ Автоматическое поддержание заданных параметров (давление, температура)

ѕ Измерение контроль и регистрация параметров.

ѕ Диагностика системы управления.

ѕ Архивирование и просмотр архивных данных за указанный промежуток времени.

ѕ Печать рапортов и отсчетов.

Это объясняет необходимость и эффективность применения средств информационной измерительной техники. Система автоматического управления принципиально может быть реализована на базе КТС различных фирм. Таких как системы автоматики фирмы MITSUBISHI, системы управления фирмы YOKAGAWA.

Система управления фирмы YOKAGAWA.

Фирма YOKAGAWA разработала систему управления на базе программируемых контроллеров CENTUM CS 3000. Эта система является интегрированной системой управления, осуществляющей комплексное управление технологическим процессом.

Система управления CENTUM CS 3000 решает следующие основные задачи.

• Повышение надежности и безопасности оборудования

• Автоматический пуск и останов оборудования

• Защиты и блокировки

• Комплексная диагностика технологического оборудования и системы управления.

• Оперативный контроль и отображение технологического процесса

• Отображение и распечатка текущих и аварийных трендов Системы автоматики фирмы MITSUBISHI

ПЛК семейства FXэто программируемые контроллеры универсального назначения. Компактные контроллеры объединяют в одном корпусе дискретный ввод/вывод, центральный процессор, память и электропитание. Возможности их применения можно расширить, благодаря различным опциям, например дополнительным входам и выходам, аналоговому вводу/выводу. Контроллеры семейства FX можно подключить ко всем наиболее распространенным сетям, например, Ethernet, CC-Link, Profibus и т. д. Основные функции и решаемые задачи ПТК на базе контроллера серии FX3U.

1.Реализация всех систем автоматического контроля и управления, указанных в схеме автоматизации.

2.Адаптивная настройка САУ без вмешательства оператора.

3.Управление с пульта исполнительными механизмами.

4. Плавный переход системы из автоматического режима в ручной.

5.Програмирование и отладка программного обеспечения с помощью инструментов программирования (например, GX Developer).

Все вышеперечисленные системы имеют ряд равноценных преимуществ.

Недостатками внедрения импортной техники является ее относительная дороговизна по сравнению с отечественной, ограничение по электромагнитным помехам (эфирные помехи, помехи в питании, напряжении) квалификация обслуживающего персонала.

В данном случае предпочтительным является использование техники фирмы MITSUBISHI. Во первых продукция этой компании не уступает по своим техническим показателям аналоги других фирм.

Второй причиной является то что КТС этой фирмы имеет меньшую стоимость чем КТС других фирм.

Так же немало важной причиной является то, что работа КТС возможна и в тяжелых условиях.

Из всех выше перечисленных фирм мы выбираем КТС фирмы MITSUBISHI. Предлагаемый контроллер выполняет все функции релейной автоматики, позволяет принимать унифицированные сигналы, сигналы с термопар и термосопротивлений, осуществлять ручное управление технологическим процессом, отказаться от большого количества сигнальных ламп и кнопок управления. Так как весь технологический процесс отображается на панели управления.

3. Разработка и описание предлагаемой системы автоматизации

3.1 Разработка предлагаемой функциональной схемы автоматизации

Функциональная схема автоматизации объекта на базе программно-технического комплекса ПТК представлена на рисунке 4.

Рис. 4.Функциональная схема

3.2 Описание предлагаемой схемы автоматизации

Функциональная схема напускного устройства БДМ представлена на рис 4.

Для стабилизации поверхностной плотности бумажного полотна на заданном значении с точностью ±0,5% давление массы в напускном устройстве при истечении на сетку должно управляться с точностью ±1%.

САУ давлением — каскадная. Внутренний (стабилизирующий) контур управления — САУ частотой вращения насоса (1−3, 1−2), причем 1−2 — преобразователь частоты питающего напряжения привода насоса. Внешний (задающий) контур — САУ давлением массы (1−1) в напускном устройстве.

2 и 3 — САУ уровнем массы в правом переливном отсеке напускного устройства и в переливной трубе.

САУ давлением массы для повышения точности управления воздействует также на подачу воздуха в напускное устройство (5) и на отвод массы в линию рециркуляции (4).

4. Выбор и обоснование комплекса технических средств

4.1 Выбор локальных приборов и средств автоматизации, составление заказной спецификации

При выборе средств автоматизации необходимо учитывать такие факторы как вид используемой энергии наличие унифицированных сигналов, область применения, климатическое исполнение, доступность, цена и др.

При автоматизации тепловых процессов, таких как процесс сушки бумажного полотна необходимо использовать приборы имеющие стандартные унифицированные сигналы. Система автоматизации должна строиться на однотипных приборах одной серии или фирмы.

Заказная спецификация представлена в таблице 3, и 4.

Таблица.3. Спецификация ПТК

Таблица. 4 Спецификация ТСА

4.2 Выбор и описание устройств управления

Автоматизированная система управления сушильной частью БДМ № 1 строится на контроллерах фирмы MITSUBISHI серии FX которые выполняют следующие функции.

• Собирает и обрабатывает измерительную информацию, получаемую от контролируемого процесса.

• Собирает и обрабатывает данные о состоянии исполнительных механизмов.

• Выполняет логические операции

• Аварийная обработка данных

• Отображение и распечатка текущих и аварийных трендов

• Повышение надежности и безопасности оборудования

• Автоматический пуск и останов оборудования

• Защиты и блокировки.

• Комплексная диагностика технологического оборудования и системы управления.

• Оперативный контроль и отображение технологического процесса.

ПЛК семейства FXэто программируемые контроллеры универсального назначения. Компактные контроллеры объединяют в одном корпусе дискретный ввод/вывод, центральный процессор, память и электропитание. Возможности их применения можно расширить, благодаря различным опциям, например дополнительным входам и выходам, аналоговому вводу/выводу. Контроллеры семейства FX можно подключить ко всем наиболее распространенным сетям, например, Ethernet. CC-Link, Profibus и т. д.

Модуль центрального процессора (CPU): для решения задач различного уровня сложности может использоваться разных типов производительности.

Используя дополнительные опции аналоговых или дискретных входов /выходов, модули позиционирования, модули интерфейсов можно создать гибкую систему управления для любой задачи автоматизации.

Центральный процессор CPU FX3U предназначен для построения относительно простых систем так и сложных процессов с высоким требованием к скорости обработки информации и малым временем реакции.

На данный момент FX3U с его временем цикла 0,065 мкс на каждую логическую операцию является самым быстрым контроллером семейства FX. Входы и выходы обрабатываются с более высокой частотой, программа реагирует быстрее и пользователь выигрывает благодаря более высокой точности процесса. Память может вмещать до 64 000 шагов программы.

Вход дискретных сигналов встроенный в модуле предназначен для преобразования входных дискретных сигналов в его внутренние логические сигналы, а выходные дискретные сигналы это преобразованные внутренние логические сигналы контроллера. Дискретные входа могут работать с контактными датчиками, кнопками, а выхода способны управлять релейной схемой, магнитными пускателями, сигнальными лампами.

Модуль ввода аналоговых сигналов FX2N-8AD выполняет аналого-цифровое преобразование входного аналогового сигнала и формирует цифровые значения мгновенных значения аналоговых величин. Эти значения используются центральным процессором в ходе выполнения программы.

Модуль вывода аналогового сигналаFX2N4DA предназначен для цифро-аналогового преобразования внутренних цифровых величин контроллера в выходные аналоговые сигналы.

Аналоговый модульFX2N-8AD c 8 каналами способны определять напряжение, токи, температуру (в том числе одновременно). Разрешающая способность аналогового модуля семейства FX составляет от 8до 16 бит.

Имея встроенный интерфейс для программирования и связи между контроллером и панелью оператора, дает возможность создать небольшую автоматизированную систему, а встроив дополнительный интерфейсный адаптер можно использовать его в качестве второго коммуникационного интерфейса RS485/RS422/RS232/USB для программирования или для построения коммуникационной сети.

Применение модуля интерфейса FX3U-ENET позволяет расширить функции связи ПЛК с другими ПЛК и построить систему АСУТП верхнего уровня для решения более глобальных задач автоматизации производства.

Панель оператора, обеспечивающая человеко-машинный интерфейс, облегчает диалог между оператором и машиной. Панель серии G1000 -это сенсорный экран, с высоким разрешением от256 до 65 536 цветов с возможностью отображать сложные графические элементы. Мультимедийные возможности позволяют использовать видеоролики в качестве подсказок для оператора (например, при неполадках). Быстрый USB-порт с прозрачным режимом передачи данных в контроллер. Кодировка Unicjdt позволяет отображать информацию на большинстве языках.

Дополнительные интерфейсы для Ethernet. Melsecnet/10/H, CC-LinkIE, а также дополнительный портRS232, RS422. Для программирования семейства

GOT имеется среда программирования GT Designer2., которую можно установить на любом компьютере с операционной системой Windows.

Основные функции и решаемые задачи ПТК на базе контроллера серии FX3U.

1.Реализация всех систем автоматического контроля и управления, указанных в схеме автоматизации.

2.Адаптивная настройка САУ без вмешательства оператора.

3.Управление с пульта исполнительными механизмами.

4. Плавный переход системы из автоматического режима в ручной.

5.Програмирование и отладка программного обеспечения с помощью инструментов программирования (например, GX Developer).

Рис. 5 Блоксхема связи ПТК на базе контроллера серии FX Mitsubishi Electric .

5. Эффективность системы автоматизации

5.1 Экономическая, экологическая и социальная эффективность автоматизации

Экономическая эффективность автоматизации заключается в уменьшении потерь сырья при транспортировке за счет плавности протекания процесса:

· Перенаправление сырья при его избытке.

К социальной эффективности можно отнести облегчение и улучшение условий труда. Облегчение труда рабочих в автоматизированном производстве обеспечивается освобождением их от непосредственного участия в производстве.

Так же можно отнести снижение травматизма на рабочем месте — работник, который наблюдает за технологическим процессом находиться на удаленном расстоянии от рабочих частей машины.

Заключение

В данной работе представлен проект автоматизации напорного ящика закрытого типа, как объект автоматизации.

Обоснована необходимость модернизации существующей системы автоматизации. Разработана новая система автоматизации на базе контроллера FX 3U.

Список использованных источников

1. Серебряков Н. П., Буйлов Г. П. Основы автоматизированного проектирования систем автоматизации в ЦБП/ ЛТИЦБП.- Л., 1990. 35 с.

2. Буйлов Т. П., Доронин В. А., Серебряков Н. П. Автоматика и автоматизация производственных процессов ЦБП: учебное пособие. — М.: Экология, 1995. 320 с.

3. Суриков В. Н., Малютин И. Б., Серебряков Н. П. Автоматизация технологических процессов и производств: учебно-методическое пособие/ СПбГТУРП.- СПб., 2011. 62 с.

4.Буйлов Г. П. Автоматизация оборудования ЦБП: учебное пособие/ СПбГТУРП.- СПб., 2009. 167 с.

5.Плетнёв Г. П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для студентов вузов.- М.: МЭИ.- 2007. 352 с.

6.Кугушев И. Д. Терентьев О.А. Бумагоделательные и картоноделательные машины / СПб. 2008.

7. Иванов С. Н. Технология бумаги. 2-е изд. перераб. — М.: Лесная промышленность, 2007.-696с. 8. Технологический регламент ОАО «ПЗБФ» 2013 год.

9. Проспект фирмы Mitsubishi Electric. М 2009.

10. www. mitsubishi-automation.ru.