Разработка системы автоматизации процесса дозирования и смешивания сыпучих материалов

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электротехнический институт Направление — Электротехника, электромеханика и электротехнологии Кафедра — электропривода и электрооборудования

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Автоматизация технологических комплексов и систем в промышленности»

Разработка системы автоматизации процесса дозирования и смешивания сыпучих материалов

Томск — 2009

Реферат

Ключевые слова: автоматизация, шнековый питатель, электрооборудование, измерительное оборудование, дозирование.

Объектами автоматизации являются шнековые питатели.

Цель работы — разработка АСУ ТП дозирования и смешивания сыпучих материалов.

В процессе проектирования проводились выбор силового, измерительного оборудования, выбор устройства управления, разработка электрической принципиальной схемы и компоновка шкафов электроавтоматики.

Спроектированная АСУ ТП обладает высокой гибкостью, возможностью апгрейда, высокой производительностью и точностью дозирования материалов.

Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Мicrosoft Word 2003 на белой бумаге формата А4.

Производительность труда и эффективность производства во многом определяются степенью автоматизации технологических процессов и, что особенно важно для пищевой и перерабатывающей промышленности, достоверностью информации о сырьевых потоках и качестве продукции.

По степени автоматизации технологические процессы разделяют на:

Автоматические Автоматизированные Ручные Так, в частности, с целью снижения транспортных затрат по доставке сыпучих материалов была поставлена задача развернуть смешивания сыпучих материалов. В связи с тем, высоким требованиям, предъявляемыми к производительности цеха и точности дозирования, возникла необходимость в разработке АСУ ТП дозирования и смешивания сыпучих материалов.

Основным требованиям, которые были предъявлено к АСУ ТП дозирования и смешивания сыпучих материалов, стали следующие:

Точность дозирования сыпучих материалов ± 3%;

Производительность за час (1 часов) — 150 тонн.

Конвертация валюты: EUR = 44.0806 RUB.

1. Обоснование функциональной схемы системы автоматизации процесса дозирования сыпучих материалов

Для обеспечения высокой надежности программно-аппаратный комплекс должен состоять как минимум из трех уровней. Нижний уровень содержит датчики и исполнительные механизмы. Средний уровень включает в себя управляющий контроллер. Верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место оператора на базе персонального компьютера.

Технологический процесс дозирования требует максимальную точность дозирования при заданной производительности. Функциональная схема системы автоматизации процесса дозирования сыпучих материалов приведена на рисунке 1.

На рисунке 1 приняты следующие обозначения:

ПЧ — преобразователь частоты;

КМ — контактор;

НСУ — нормирующий суммирующий усилитель;

М — асинхронный двигатель;

ТДВ — тензодатчик веса;

ШПшнековый питатель;

РБрасходный бункер;

SQC — концевые выключатели (SQC1 — SQC4).

На входе регулятора веса, программно выполненного в контроллере, суммируются сигнал задания на вес, поступающий сигнал с нормирующего усилителя пропорциональный текущему весу. Выход регулятора веса является заданием на частоту преобразователя и, соответственно, скорости вращения мотор-редуктора шнекового питателя. По мере наполнения бункера разница между заданной и действительной массой в бункере уменьшается, что приводит к уменьшению скорости электропривода. Остановка двигателя осуществляется на небольшой скорости, что положительно сказывается на точности дозирования. После окончания работы первого шнека, вступает в работу второй и так далее, до заполнения бункера-дозатора. Как только бункер-дозатор заполнен и все шнеки выключены, поступает сигнал управления на фидерную сборку реверсивного пуска, которая включает двигатель задвижки и открывает ее. Вся отдозированная масса высыпается в бункер смеситель. Смеситель работает по заданному времени, как время смешивания закончилось, отключается двигатель смесителя и открывается задвижка бункера-смесителя. Также включается двигатель транспортера готовой продукции. Транспортер готовый продукции будет работать по заданному времени.

Исходя из функциональной схемы в процессе проектирования нужно выбрать следующее оборудование.

Двигатели шнековых питателей;

Преобразователь частоты;

Пусковую аппаратуру;

Тензодатчики веса, датчики положения;

Нормирующий суммирующий усилитель;

Кабели, автоматические выключатели;

Блоки питания;

Контроллер, блоки релейной коммутации и компьютер.

2. Выбор редуктора и электродвигателя шнековых питателей

При проектировании системы дозирования сыпучих материалов, необходимо правильно выбрать мощность двигателя и скорость вращения шнекового питателя.

По техническому заданию на проектирование известны параметры механизма и желаемая производительность системы. Производительность шнекового питателя прямо пропорциональна скорости вращения механизма и находится по формуле:

		(1)

где D — внешний диаметр шнека;

d — диаметр вала;

S — шаг винта шнека;

nскорость вращения шнекового питателя;

— коэффициент производительности.

Для того чтобы определить скорость вращения шнекового питателя, которая требуется для обеспечения заданной производительности системы, выражаем ее из формулы (1):

		(2)

где К3 — коэффициент запаса, К3=1,1−1,3;

Для горизонтального шнека пассивная область целиком размещается на шнеке при условии S/D?1 и следовательно применима формула:

		(3)

Тогда по формуле (2) рассчитываем скорость вращения шнекового питателя:

Секундная производительность

		(4)

Удельный расход энергии

		(5)

где =0,8- коэффициент трения;

Lдлина шнека;

— насыпная объемная масса материала (кг/м3).

Расчетная мощность на валу привода

		(6)

.

Расчетный момент сопротивления на валу

		(7)

.

Условия выбора электродвигателя, редуктора и мотор-редуктора:

Мощность электродвигателя: ;

Скорость вращения вала: .

Принимаем мотор-редуктор:

цилиндрический двухступенчатый 2МРЦ-200

Таблица 1 — Параметры мотор-редуктора 2МРЦ-200.

Передаточное число	6,3 — 20
Диапазон частот вращения выходного вала для регулируемого исполнения, об/мин	72−230
Крутящий момент на выходном валу, Н•м	1255 — 3980
Тип двигателя	АИР180М4
Номинальная частота двигателя, об/мин
Масса
Цена, руб	договорная от 32 000
Итого, руб	8х32 000=256000

Выставляем на мотор-редукторе передаточное число равное 6,3 со скоростью 230 об/мин.

Основные характеристики двигателя сведены в таблицу 2.

Таблица 2 — Паспортные данные АИР180М4

В	кВт	%		%	об/мин					Масса, кг
			0,87	2,0		1,7	2,7	1,5

Производитель: ОАО «Владимирский электромоторный завод» — ОАО «ВЭМЗ» (Россия, Владимир).

Рисунок 1 — Габаритные и присоединительные размеры 2МРЦ-200

Таблица 3 — Габаритные и присоединительные размеры Рисунок 2 — Габаритные и присоединительные размеры АИР180М4

3. Выбор силового электрооборудования

3.1 Выбор преобразователя частоты

Так как технологический процесс не требует одновременной работы двух и более шнеков, то все двигатели подключаются к одному и тому же преобразователю частоты по очереди через коммутатор из силовых пускателей.

Выбираемый ПЧ должен быть рассчитан на мощность мотор-редуктора т. е. 30 кВт.

Полная номинальная мощность двигателя определяется по формуле (8)

		(8)

где Q — реактивная мощность двигателя:

		(9)

.

По формуле (8) вычислим полную мощность двигателя:

.

Определим номинальный ток двигателя:

		(10)

.

Принимаем к установке частотный преобразователь типа AT06−37 производства корпорации «Триол» (Россия). Параметры которого приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Паспортные данные ПЧ

Тип, исполнение	АТ06 — 37
Номинальная мощность, кВА
Номинальная мощность двигателя, кВт
Номинальный ток нагрузки Iн, A
Питающая сеть:	3х380 В, +10%, -15%, 50(60) Гц ± 2% (с заземленной либо изолированной нейтралью)
Выходное напряжение	3х (0…380 В) ± 2% (значение макс. выходного напряжения программируется)
Коэффициент полезного действия	не менее 0,95 (без двигателя)
Коэффициент мощности	не менее 0,95
Условия окружающей среды:	рабочая температура +1 …+40°С, влажность (без конденсации) до 90%.
Кратковременное допустимое отклонение напряжения питающей сети, при котором электропривод сохраняет работоспособное состояние	— 40%
Сопротивление изоляции гальванически не связанных цепей и относительно корпуса, не менее	10 МОм
Электрическая прочность изоляции	2500 В, 50 Гц, в течение 1 мин
Опции внутренние	до 6 аналоговых входов; до 2 аналоговых выхода; до 6 дискретных входов; до 6 релейных выхода; до 2-х каналов интерфейса RS 485 стандарта Modbus.
Степень защиты	IP21

Таблица 5 — Функциональные возможности ПЧ.

Основные	Управление работой АД во всех режимах: — пуск по заданному алгоритму; — длительная работа в заданном диапазоне частот вращения и нагрузок; — реверс; — торможение и останов по заданным алгоритмам
	Регулирование технологического параметра за счет встроенного ПИД-регулятора
	Защита ПЧ, АД и механизмов в аварийных и нештатных режимах
	Дистанционный прием и обработка сигналов управления, задания параметров и режимов, в том числе по каналу последовательной связи от управляющих машин и систем высшего уровня
Дополнительные	Сигнализация, отображение и дистанционная передача информации о параметрах и режимах работы
	Учет отработанного времени
	Регистрация отказов, нештатных и аварийных режимов

Данный ПЧ полностью отвечает нашим требованиям.

Рисунок 3 — Схема подключения силовых цепей Рисунок 4 — Габаритные и присоединительные размеры АТ06−37 исполнение IP21 (основное исполнение) Рисунок 5 — Габаритные и присоединительные размеры блока тормозного резистора (БТР11.1)

Рисунок 6 — Схема подключения электроприводов (цепи управления) Триол АТ06−37

Рисунок 7 — Размещение органов настройки на базовом модуле СУ электроприводов АТ04/05

Таблица 6 — Назначение клеммников цепей управления

ХТ1	предназначен для подключения внешних дискретных сигналов (6 дискретных входов Rвхода — 2 кОм, I 10…20 мА).
ХТ2	программируемые дискретные выходы (250 В, 3 А).
ХТ3	многофункциональный клеммник, предназначенный для подключения внешних устройств, в его состав входят клеммы: — питание 24 В, 0,5 А для датчика технологического параметра, дистанционного пульта и т. п.; — 2 гальванически не связанных программируемых аналоговых входа (0 5 мА, 0(4) 20 мА, 0 10 В); — клеммы подключения внешней кнопки «АВАРИЙНЫЙ СТОП».
ХТ4	многофункциональный клеммник, предназначенный для подключения внешних устройств, в его состав входят клеммы: — питание 24 В, 0,5 А для датчика технологического параметра; — 1 аналоговый вход для подключения внешнего потенциометра «ЗАДАНИЕ»; — 3 дискретных выхода (250 В, 0,1 А).
ХТ5	1 дискретный выход «Электропривод включён» (250 В, 3 А) и 1 программируемый дискретный выход (250 В, 3 А).
ХТ15, ХТ16	клеммники, используемые при установке дополнительных блоков. Клеммники ХТ15, ХТ16 устанавливаются при наличии следующих субблоков расширения: — субблок интерфейса RS485; — субблок аналоговых выходов (2 программируемых аналоговых выхода 0−5мА, 0(4)-20мА, 0−10В); — субблок аналоговых входов (2 гальванически не связанных программируемых аналоговых входа 0−5мА, 0(4)-20мА, 0−10В); — субблок аналоговых входов (4 гальванически связанных программируемых аналоговых входа 0−5мА, 0(4)-20мА, 0−10В); — субмодуль технологический.
ХТ6	Сеть А;
ХТ7	Сеть В;
ХТ8	Сеть С;
ХТ9	Нейтраль;
ХТ10	Выход U;
ХТ11	Выход V;
ХТ12	Выход W;
ХТ13	Rd+;
ХТ14	Rd-.

3.2 Выбор контакторов, автоматов защиты и силовых кабелей

Одним из требований к контакторам, автоматам и силовым кабелям:

— должны выдерживать номинальный ток двигателя в длительном режиме.

3.2.1 Выбор контакторов и автоматов защиты

При производстве выбора использовалась программа по подбору оборудования промышленной автоматики «KOSS «фирмы Danfoss (Дания). Все данные сведены в таблицу 7.

Номинальный ток двигателя определяется по формуле (10).

Таблица 7 — Параметры автоматов защиты и контакторов и проводов

Двигатель	Автомат защиты	Контактор	Провод
		Напряжение цепи управления 24 DC/220 AC
обозначение на схеме, назначение	мощность	ток	тип	тип	Сечение,	тип
	кВт	А
M1 — M8, ШП			CTI 100	CI 61		КГЭШ (3×16+1×10)
M9, задвижка дозатора	0,75		CTI 15	CI 9DC 24	1,5	КГ (3×1,5+1×1,5)
M10, рыхлитель	2,2		CTI 15	CI 9DC 24	1,5	КГ (3×1,5+1×1,5)
M11, смеситель			CTI 100	CI 73		КГ (3×25+1×10)
M12, задвижка смесителя			CTI 15	CI 9DC 24	1,5	КГ (3×1,5+1×1,5)
M13, транспортер	5,5		CTI 15	CI 15DC 24		КГ (3×4+1×2,5)
QF1, сетевой выкл.			NS160N: TM160D			КГ (3×50+1×16)
QF8 — QF10			CTI 15

Выпишем характеристики контакторов и автоматов защит в таблицу 8.

Таблица 8 — Характеристики контакторов, автоматов защит

код заказа	тип	кол-во	цена, руб	модификация, характеристики	назначение
037H306132	CI 61			30,0 кВт/380 В/50 Гц, I=60 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателей М1-М8
047B3014	CTI 100			380 В/50 Гц, I=40,00 — 63,00 A, 3 контакта (3 NO)	автомат QF2
037H807166	CI 9DC 24			4,0 кВт/380 В/50 Гц, I=9,0 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателей М9, М10, М12
047B3055	CTI 15			380 В/50 Гц, I=1,6 — 2,5 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателей М9, М12
047B3057	CTI 15			380 В/50 Гц, I=4,0 — 6,3 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателя М10
037H306232	CI 73			37,0 кВт/380 В/50 Гц, I=72 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателя М11
047B3015	CTI 100			380 В/50 Гц, I=63,0 — 90,0 A, 3 контакта (3 NO)
037H807666	CI 15DC 24			7,5 кВт/380 В/50 Гц, I=16 A, 3 контакта (3 NO)	для двигателя М13
047B3059	CTI 15			380 В/50 Гц, I=10,0 — 16,0 A, 3 контакта (3 NO)
037H0112	CB-NC			дополнительные контакты (1 NC)	для контакторов двигателей М9, М12
037H0111	CB-NO			дополнительные контакты (1 NO)	для контакторов двигателей М9, М10, М12, М13,
037H3067	CBD S-NO			дополнительные контакты (1 NO)	для контакторов двигателей М1-М8, М11
	NS160N: TM160D			380 В/50 Гц, I=160,0 A, 3 контакта (3 NO)	автомат QF1, сетевой выключатель (Поставщик 2)
047B3054	CTI 15			220 В/50 Гц, I=1,0 — 1,6 A, 2 контакта (2 NO)	автомат QF8 — QF10
Итого, руб

где NO — замыкающий контакт,

NC — размыкающий контакт.

Габариты и внешний вид контакторов, автоматов защиты привожу ниже.

Рисунок 8 — Контактор СI 6 — 50

Рисунок 9 — Контактор СI 9- 30 DC

Рисунок 10 — Блок дополнительных контактов CB для СI 6- 50

Рисунок 11 — Габариты блока дополнительного контактов CB для СI 6- 50

Рисунок 12 — Габариты контактора СI 6−50, CI 9−15 DC/El

Рисунок 13 — Контактор СI 61 — 86

Рисунок 14 — Блок дополнительных контактов CBD S-xx для СI 61- 86

Рисунок 15 — Габариты контактора СI 61, 73, 86

Рисунок 16 — Автомат защиты СTI 15

Рисунок 17 — Габариты автомата защиты СTI 15

Рисунок 18 — Автомат защиты СTI 100

Рисунок 19 — Габариты автомата защиты СTI 100

Рисунок 20 — Автомат защиты NS160N (крепление на DIN-рейке с помощью переходника) Рисунок 21 — Габариты автомата защиты NS160N

3.2.2 Выбор силовых кабелей

Необходимо выбрать экранированный кабель, рассчитанный на ток двигателя ШП. Для остальных двигателей выбирается не экранированный кабель.

Номинальное сечение жилы рассчитываем по формуле (11).

		(11)

где — сечение жилы, мм2.

— экономическая плотность тока, А/мм2.

Таблица 9 — Экономическая плотность тока [2, таб. 1.3.36]

Согласно [2], для силовых кабелей с резиновой и пластмассовой изоляцией толщина изоляции жил сечением 1−240 мм2 на напряжение 0,4 кВ принята равной 1,0−2,4 мм в зависимости от сечения жил. Толщина экрана лежит в пределах 0,3 — 0,9 мм.

Согласно [3, таб 1.12] принимаем толщину изоляции для проводов на номинальное переменное напряжение от 220 до 400 В и сводим в таблицу 7.

Таблица 10 — Толщина пластмассовой и резиновой изоляции, мм.

Сечение жилы,	0,75	1,0	1,5	2,5	4,0	6,0
пластмассовая	0,6	0,7	0,7	0,7	0,8	0,8	1,0	1,0	1,2	1,2	1,4
резиновая	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,2	1,2	1,4	1,4	1,6

Выбор сечения кабеля рассчитанный на ток двигателя М1

принимаем ,

принимаем ближайшее ном. значение .

Для обеспечения высокой надежности рекомендуется выбирать медные жилы.

Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами экранированный КГЭШ (3×16+1×10). Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 12. Основные технические характеристики приведены в таблице 11.

Таблица 11 — Технические характеристики кабеля КГЭШ (3×16+1×10)

Число и номинальное сечение жил, мм2	3х16+1×10
Диаметр токопроводящих жил, мм	5,2; 4
Электрическое сопротивление токопроводящих жил на 1 км, при 200С, Ом, не более	1,21; 1,91
Толщина изоляции экрана основных жил, мм	2,0; 0,5
Толщина оболочки, мм	внутренней	1.5
	наружной
Наружный диаметр кабеля, мм	34,37
Масса кабеля, кг/км	1564,39

Таблица 12 — Материалы, используемые для изготовления кабеля КГЭШ

Жилы	Медь
Изоляция	Резина типа РТИ-1
Электропроводящие экраны	Резина типа РЭ-2
Оболочка	Двухслойная, наружный слой — резина типа РШН

Выбор сечения кабеля рассчитанный на ток двигателя М11

принимаем ,

принимаем ближайшее ном. значение .

Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами КГ (3×25+1×10). Основные технические характеристики приведены в таблице 13. Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 14.

Таблица 13 — Технические характеристики кабеля КГ (3×25+1×10)

Число и номинальное сечение жил, мм2	3х25+1×10
Диаметр токопроводящих жил, мм	6,8; 4
Толщина изоляции, мм	1,4; 1,2
Толщина оболочки
Наружный диаметр кабеля, мм	29,2
Масса кабеля, кг/км	1441,12

Таблица 14 — Материалы, используемые для изготовления кабеля КГЭШ

Жилы	Медь
Изоляция	Резина типа РТИ-1
Оболочка	Резина типа РШТ-2, РШТМ-2, РШТН-1
Изоляционно-защитная оболочка	Резина типа РТИШ

Выбор сечения кабеля сетевого выключателя QF1

Сечение рассчитывается на ток при работе всех двигателей. (для двигателей М1- М8 учитываем один двигатель, согласно режиму работы). Тогда суммарный ток равен 149 А.

принимаем ,

принимаем ближайшее ном. значение .

Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами КГ (3×50+1×16). Основные технические характеристики приведены в таблице 15. Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 14.

Таблица 15 — Технические характеристики кабеля КГ (3×50+1×16)

Число и номинальное сечение жил, мм2	3х50+1×16
Диаметр токопроводящих жил, мм	8,8; 5,2
Толщина изоляции, мм	1,6; 1,2
Толщина оболочки	4,8
Наружный диаметр кабеля, мм	36,36
Масса кабеля, кг/км	2488,46

Выбор сечения кабеля рассчитанный на ток двигателя М10

принимаем ,

принимаем ближайшее ном. значение .

Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами КГ (3×1,5+1×1,5). Основные технические характеристики приведены в таблице 16. Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 14.

Таблица 16 — Технические характеристики кабеля КГ (3×1,5+1×1,5)

Число и номинальное сечение жил, мм2	3х1,5+1×1,5
Диаметр токопроводящих жил, мм	1,6; 1,6
Толщина изоляции, мм	0,8; 0,8
Толщина оболочки	1,7
Наружный диаметр кабеля, мм	11,11
Масса кабеля, кг/км	174,05

Выбор сечения кабеля рассчитанный на ток двигателя М13

принимаем ,

принимаем ближайшее ном. значение .

Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами КГ (3×4+1×2,5). Основные технические характеристики приведены в таблице 17. Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 14.

Таблица 17 — Технические характеристики кабеля КГ (3×4+1×2,5)

Число и номинальное сечение жил, мм2	3х4 +1×2,5
Диаметр токопроводящих жил, мм	2,6; 1,6
Толщина изоляции, мм	1; 0,9
Толщина оболочки	1,9
Наружный диаметр кабеля, мм	13,2
Масса кабеля, кг/км	244,74

Выбор сечения кабеля для цепей управления Выбираем сечение равное 2,5 мм², при расчете на максимальный ток до 8 А. Принимаем кабель силовой гибкий с медными жилами КГ (1×2,5). Основные технические характеристики приведены в таблице 18. Материалы, из которых изготовлен кабель, приведены в таблице 14.

Таблица 18 — Технические характеристики кабеля КГ (1×2,5)

Число и номинальное сечение жил, мм2	1х2,5
Диаметр токопроводящих жил, мм	2,1
Толщина изоляции, мм
Толщина оболочки	2,3
Наружный диаметр кабеля, мм	6,7
Масса кабеля, кг/км	66,21

4. Выбор датчиков и элементов измерительной системы

В данном разделе рассматривается выбор датчиков веса, нормирующего усилителя и концевых выключателей.

4.1 Выбор датчиков веса

Для контроля за весом бункера-дозатора необходимо установить как минимум три датчика веса. Так как максимальный вес бункера-дозатора составляет 25 тонн, то каждый датчик должен быть рассчитан на 25/3=8,3 тонн. Также необходимо учесть вес самого бункера-дозатора и прикрепленного к нему оборудования.

Выбираем тензорезисторный S-образный датчик сжатия-растяжения модификации 60 001 производитель Vishay Sensortronics с наибольшим пределом измерения 10 тонн. Основные технические характеристики выбранных тензодатчиков приведены в таблице 19.

Таблица 19 — основные технические характеристики тензодатчиков

Наибольший предел измерения (НПИ), т
Класс точности по ГОСТ 30 129 (МОЗМ Р 60)	С3
Число поверочных интервалов, ед.
Направление измеряемого усилия	Растяжение/сжатие
Рабочий коэффициент передачи (РКП) мВ/В
Компенсированный диапазон температур, 0С	— 10…+40
Рабочий диапазон температур, 0С	— 30…+40
Допустимая перегрузка, % от НПИ
Разрушающая нагрузка, % от НПИ, не менее
Входное электрическое сопротивление, Ом	380±10
Выходное электрическое сопротивление, Ом	349±3
*Напряжение питания постоянного тока, не более, В	15,0
Электрическое сопротивление изоляции, ГОм, не менее
Степень защиты оболочки по ГОСТ 14 254 (МЭК 529−89)	IP 67

Рисунок 22 — Внешний вид тензодатчика (модификация 60 001)

Стоимость одного датчика составляет от 11 000 рублей, полные затраты на датчики веса составляют 33 000 рублей.

4.2 Выбор нормирующего устройства

Нормирующее устройство должно иметь как минимум три входа для датчиков и выполнять суммирование входящих сигналов. Исходя из этих условий, выбираем нормирующее устройство фирмы Тензо-М СНУ4−010. Технические характеристики приведены в таблицах 12 и 13.

Таблица 20 — Основные технические характеристики СНУ4−010

Модель	Кол-во каналов	Выход	Питание
СНУ4−010	4, суммирующий	0…10 В	2 х 12 В, 0.2 А

Таблица 21 — Подробные технические характеристики СНУ4−010

Напряжение питания усилителя (постоянное), В
Количество подключаемых датчиков (R=350 Ом)
Потребляемый ток, мА, не более
Рабочий коэффициент передачи (РКП) мВ/В
Сопротивление нагрузки, Ом
Суммарная погрешность в рабочем диапазоне температур, %	0.05…0.1
Рабочий диапазон температур, 0С	— 30…+60
Допустимый температурный диапазон, 0С	— 40…+85
Габаритные размеры корпуса (без учета гермовводов), мм	125×78×58
Степень защиты оболочки по ГОСТ 14 254 (МЭК 529−89)	IP65

Рисунок 23 — Внешний вид нормирующего устройства Нормирующий усилитель может дополнительно поставляться в комплекте с блоком питания. Блок питания выполнен в пластмассовом корпусе с возможностью крепления на DIN-рейку. Выбираем блок питания БП220−24/12×2, обеспечивающий питание НСУ. Цена 1445 рублей.

Характеристики БП220−24/12×2:

1. Входное напряжение может быть как постоянным, так и переменным.

2. Переменное входное напряжение — от 170 до 270 В, частотой от 45 до 70 Гц.

3. Постоянное входное напряжение — нестабилизированное, от 170 до 270 В.

4. БП сохраняет свои параметры при подаче входного постоянного напряжения обратной полярности.

5. Максимальная потребляемая мощность при максимальной нагрузке на выходе — не более 22 Вт.

6. Выходное напряжение — постоянное (24±5) В; ток нагрузки от 0 до 0.8 А; пульсации от пика до пика не более 800 мВ.

7. Время установления выходного напряжения до номинального значения во всем диапазоне входного напряжения и температуры окружающей среды не более 1 с.

8. Выход БП защищен от короткого замыкания. После устранения короткого замыкания работоспособность БП восстанавливается менее чем через 1 с.

4.3 Выбор концевых выключателей

Выключатели концевые мгновенного действия серии ВК-200, ВК-300 предназначены для срабатывания в электрических цепях управления переменного тока напряжением до 660 В частоты 50−60 Гц, и постоянного тока напряжением до 440 В, под воздействием управляющих упоров (кулачков) в определенных точках пути контролируемого объекта. Выключатели допускают установку в любом положении в местах, не защищенных от попадания пыли и случайного попадания брызг воды или масла, падающих вертикально или под углом к вертикали (для ВК 200) или случайного обливания водой или маслом.

Рисунок 24 — Габаритные и установочные размеры ВК-200(300)

Рисунок 25 — Схема присоединения

Таблица 22 — Технические характеристики выключателей ВК 200 (300)

Номинальное напряжение, В	постоянный ток
	переменный ток 50/60 Гц
Номинальный ток, А
Усилие срабатывания выключателя, Н, не более
Продолжение таблицы 22.
Усилие отпускания выключателя, Н, не более
Рабочий ход привода, градусов	14°
Время срабатывания не более, с	0,04
Конструктивное исполнение	Рычаг с роликом
Степень защиты	IP54
Количество и род контактов	1″ Замык." + 1″ Разм."
Частота включений в час, не более
Механическая износостойкость, млн. циклов, не менее
Коммутационная износостойкость, не менее, по группам	Б — 1млн. циклов ВО
Цена, руб.	281,40
Сальник для ВК, р	20,00
Итого, руб.(с сальником)

5. Выбор элементов системы управления

Таблица 23 — Сравнительный выбор малых модульных ПЛК для системы управления ТП

	MFD-Titan (MFD-CP8-NT-RA17), фирма «Moeller»	«Tecomat Foxtrot» (CP 1004), фирма «Teco»
1 Технические характеристики
1.1 количество каналов ввода/вывода;	12DI; 4DI/1AI; 4DO	8DI; 4DI/4AI; 6DO
— дискретные входы / выходы (Т=транзисторы, R=реле)	12/4R	8/6R
— аналоговые / выходы	4/1	4/;
1.2 уровни напряжения входов/выходов;	12/24DC/115,240AC	24DC/240AC
1.3 быстродействие	0,1−0,3 мс	0,4 мс
1.4 напряжения изоляции.	1,5 кВ	4 кВ
2. Эксплуатационные характеристики
— диапазон рабочих температур;	от 0 °C до +55 °С	от 0 °C до +55 °С
— относительная влажность, %.	5−95	10−90
3. Потребительские свойства
3.1 надежность
— наработка на отказ (MTBF);	150 000 ч	200 000 ч
— среднее время восстановления (MTTR).	;	;
4 массогабаритные характеристики
— масса	0,340 кг	0,350 кг
— габариты	107,5×90×29,5	106×90×65

5.1 Малый модульный ПЛК Tecomat Foxtrot

Этот компактный прибор снабжен процессором, энергонезависимой памятью, встроенной системой программирования, миниатюрной жидкокристаллической панелью и несколькими кнопками для ввода программы и некоторых параметров в процессе работы. Устройство имеет дискретные и аналоговые входы и выходы, и различные функциональные программные блоки, такие как таймеры, счётчики, компараторы, часы реального времени и многие другие.

Таблица 24 — Параметры модулей фирмы «Teco»

Параметры	Процессорный модуль CP 1004 (TXN 110 04)	Периферийный модуль IB-1301 (TXN 113 01)	Периферийный модуль IR-1501 (TXN 115 01)	Блок питания постоянного тока PS50/24 (TXN 070 10)
Основные технические данные, условия эксплуатации
Напряжение питания	24 В DC	24 В DC	24 В DC	230 В AC
Внутренняя защита	нет	нет	нет	предохранитель T2,5L250B
Подключение	Постоянные винтовые клеммы, макс 2,5 мм², RJ-45 (Эзернет)	Постоянные винтовые клеммы, макс 2,5 мм²	Постоянные винтовые клеммы, макс 2,5 мм²	Постоянные винтовые клеммы, макс 2,5 мм²
Защита от помех на основе МЭК 60 529	IP 20	IP 20	IP 20	IP 20
Потребляемая мощность	8 Вт	2,5 Вт	2,5 Вт	;
Диапазон рабочих температур (°С)	0 °C по +55	0 °C по +55	0 °C по +55	0 °C по +55
Диагностирование	Оптическое изображение состояния вх/вых	Оптическое изображение состояния вх/вых	Оптическое изображение состояния вх/вых	Оптическое изображение состояния вх/вых
Продолжение таблицы 24.
Габариты (В х Ш х Г) мм	90×106×65	90×52×65	90×52×65	85×148×57
Тип прибора	встраиваемое U-рейка	встраиваемое U-рейка	встраиваемое U-рейка	встраиваемое U-рейка
Аналоговые входы
Число				;
Описание	Четыре входа можно установить как аналоговые с масштабом работы 0−10 В и различием 10 бит	;	;	;
Дискретные входы
Число				;
Описание	24 В DC, 5 мс, вариант установки на входы DI0-DI3: быстрый счетчик (2×16/1×32 bit), инкрементальный датчик положения (20 кГц)	24 В DC, 5 мс, вариант установки на входы DI0-DI3: быстрый счетчик (2×16/1×32 bit), инкрементальный датчик положения (20 кГц). Входы DI4-DI11 230 В АC, 5 мс.	24 В DC, 5 мс, вариант установки на входы DI0-DI3: быстрый счетчик (2×16/1×32 bit), инкрементальный датчик положения (20 кГц)	;
Дискретные выходы
Число				;
Описание	Реле, 230 В AC/DC, гальваническая развязка	;	Реле, 230 В AC/DC, гальв-ая развязка	;
Продолжение таблицы 24.
Защита от индуктивной нагрузки	Внешняя (RC-элемент, варистор, диод)	;	Внешняя (RC-элемент, варистор, диод)	;
Системные показатели
Контур реального времени	да	;	;	;
Память программы и таблиц	192 + 64 кБайт	;	;	;
Дополнительная память программы EEPROM	2 МБайт	;	;	;
Дополнительная память, бокс данных — Databox	512 кБайт
Дополнительная память, внешняя	MMC Flash (до 1 ГБайт)	;	;	;
Резервирование RAM и RTC	200 часов, конденсатор	;	;	;
Длина цикла / 1 к лог. инструкции	0,2 мс	;	;	;
Файл инструкции	Расширенный 32 бит
ОРС сервер	возможно
Вебовский сервер	возможно
Интерфейс коммуникации (основной модуль)
Эзернет (Ethernet)	10/100Мб, RJ-45
CH1	RS 485/RS 232
CH2	RS 485/232/422, CAN, M-Bus, ProfibusDP Слейв, LON и др. гальваническая развязка
TCL2	TCL2 подключение до 10 периферийных модулей Фокстрот, до 8 CIB Мастер, скорость передачи данных 345 кБит
CIB	подключение до 32 элементов внутренней монтажной системы
Стоимостные показатели
Цена, руб
Количество, шт.
Итого, руб

Рисунок 26 — Процессорный модуль CP 1004 (TXN 110 04)

Рисунок 27 — Блок питания PS50/24 (TXN 070 10)

5.2 Выбор персонального компьютера

Необходимо выбрать недорогой компьютер с низкой производительностью. Компьютер должен иметь сетевую карту со скоростью 100Мб/10 Мб, VGA — адаптер, слоты для присоединения периферийных устройств (мышь, клавиатура)

Таблица 25 — Параметры системного блока

Процессор	Celeron 430
Объем ОЗУ	1. ГБайт
Жесткий диск	SATA 80
Оптический привод	DVD-RW
Видеокарта	Интегрированная, 386 МБайт
Сетевой адаптер	1 x Gigabit Ethernet
Разъемы внешних устройств	4? USB 2.0, 1 x COM, 1? Parallel, 2? PS/2
Источник питания	250 Ватт
Габариты (В?Ш?Г)	177?482?450 мм
Температурный режим	5…40?С (работа),
Влажность	10−85% при 40? С (работа)
Гарантия:	2 года
Цена, руб.

Таблица 26 — Периферийные устройства персонального компьютера

Тип	Параметры	Цена, р.
Монитор	Acer LCD 17″ V173b [1280×1024, 2000:1, 5мс, 176гор/176вер]
Клавиатура	A4-Tech (KBS-720) Ergo black PS/2
Мышь	A4 OP-35D optical PS/2
Динамики	Creative 2.0 Inspire 245 [2×2 Вт]

Рисунок 28 — Персональный компьютер (АРМ оператора)

6. Структурная схема системы управления процессом дозирования и ее исследования на имитационной модели.

6.1 Оптимизация контура веса

Рисунок 29 — Структурная схема линеаризованного контура веса На рисунке приняты следующие обозначения:

— передаточная функция регулятора веса;

— коэффициент передачи шнека.

Разомкнутый контур веса, настроенный на модульный оптимум, должен иметь следующую передаточную функцию:

		(15)

где — малая постоянная времени контура веса.

Для определения величины транспортной задержки рассчитаем высоту бункера-дозатора.

		(16)

где — объем бункера-дозатора;

— максимальная масса насыпаемого груза;

— насыпная объемная плотность.

Согласно (16) определим высоту бункера-дозатора.

.

Через ускорение свободного падения находим время транспортной задержки, соответствующей массе «падающего столба».

		(17)

Согласно (17) определим малая постоянная времени контура веса

.

Принимаем малую некомпенсируемую постоянную контура веса равную величине транспортной задержки шнекового питателя =0,594 с.

Протекание процессов по контуру веса имеет медленный характер по сравнению с процессами регулируемого электропривода. Поэтому в данной автоматической системе регулируемый привод можно представить пропорциональным звеном.

		(18)

где iр — коэффициент передачи редуктора,

fрв макс — выходная частота ПЧ.

Согласно (18) определим коэффициент РЭП

.

Коэффициент шнекового питателя:

		(19)

.

Передаточная функция разомкнутого контура веса рассматриваемой системы по теории Кейслера (рисунок 24) определяется следующим образом:

		(20)

Она должна быть приравнена к желаемой передаточной функции разомкнутого контура. Решая полученное уравнение относительно передаточной функции регулятора веса, получаем:

		(21)
		(22)

Согласно (22) определим коэффициент регулятора веса

.

Имитационная модель линеаризованного контура веса, разработанная в среде Matlab 7.0/Simulink, представлена на рисунке 33.

Рисунок 30 — Иммитационная модель линеаризованного контура веса Рисунок 31 — Переходный процесс дозирования линеаризованного контура веса

6.2 Исследование системы дозирования на имитационной модели

Имитационная модель автоматической системы дозирования сыпучих материалов, разработанная в среде Matlab 7.0/Simulink, представлена на рисунке 32.

Рисунок 32 — Иммитационная модель автоматической системы дозирования сыпучих материалов Здесь оранжевым цветом выделены блоки, моделирующие объект управления — шнековый питатель с заданной производительностью, звено транспортной задержки (время падения дозируемого материала) и интегратор (растущая масса бункера-дозатора). Синим цветом выделены блоки, моделирующие преобразователь частоты: задатчик интенсивности на входе преобразователя, пропорциональное звено. Ограничение выходной частоты на верхнем и нижнем уровнях, а также блоки, имитирующие отключение электропривода при уменьшении ошибки дозирования ниже заданного уровня. Зеленым цветом выделены блоки задания на вес, регулятор веса и блоки, моделирующие квантование сигнала задания на скорость по времени и уровню. Датчик веса в модели имеет единичный коэффициент передачи.

Рисунок 33 — Результаты моделирования при задании 2500 кг.

Рисунок 34 — Результаты моделирования при задании 25 000 кг.

Выше приведены переходные процессы дозирования 2500 кг (рисунок 36) 25 000 кг (рисунок 34) материала. Точность дозирования составила 6 кг пересыпа материала при заданиях требуемой массы 2500 и 25 000 кг. В верхнем окне показан график изменения скорости шнекового питателя. В нижнем окне: текущий вес m, задание на вес mз и ошибка по весу д. Наличие в системе транспортной задержки приводит к тому, что после остановки двигателя, т. е. потере управляемости системы, вес продолжает увеличиваться, как минимум, на величину массы «падающего столба» материала. Кроме того, масса столба уменьшается пропорционально скорости, предшествующей остановке шнекового питателя.

В итоге моя система дозирования имеет производительность 200 т/ч, с учетом того, что выходная частота ПЧ была 50 Гц. Следовательно можно добиться большей производительности при увеличении выходной частоты, однако это уменьшит точность дозирования. Для того чтобы увеличить точность дозирования необходимо учесть «падающий столб» и отключать шнеки немного раньше запланированного.

7. Разработка схемы электрических соединений

Принципиальная электрическая схема вынесена в графическую часть курсового проекта и выполнена на одном листе формата А3.

На принципиальной электрической схеме приняты обозначения, которые сведены в таблице 27.

Таблица 27 — Перечень блоков принципиальной электрической схемы

Обозначение	Расшифровка
А1	Преобразователь частоты
А2	АРМ оператора (компьютер)
А3	Блок питания БП-220−24/12
А4	Блок питания PS50/24 (TXN 070 10)
А5	Суммирующее нормирующее устройство СНУ4−010
А6	Процессорный модуль CP 1004 (TXN 110 04).
А7, А10	Периферийный модуль IB-1301 (TXN 113 01).
А8, А9	Периферийный модуль IR-1301 (TXN 115 01).

8. Выбор шкафа электроавтоматики и его компоновка

сыпучий материал дозирование автоматизация Размещение выбранного оборудования будет производиться в несколько шкафов электроавтоматики. В шкаф № 1 будут размещены ПЧ (AT 06−37) и блок тормозного резистора (БТР11.1) (рисунок 35). В шкаф № 2 будут размещены модули ПЛК Tecomat Foxtrot (CP 1004, IR-1501/1, IR-1501/2, IB-1301/1, IB-1301/2), блок питания постоянного тока (PS50/24), автоматы защиты (QF1 — QF10), контакторы (KM1 — KM15) и блок питания постоянного тока (БП-220−24/12×2) (рисунок 36).

Рисунок 35 — Шкаф № 1

Рисунок 36 -Шкаф № 2

Тензодатчики веса крепятся на бункер-дозатор. Нормирующий суммирующий усилитель крепится возле тензодатчика. Концевые выключатели располагаются возле задвижек бункеров и выполняют защитную функцию, следовательно, в шкафах электроавтоматики их нельзя разместить.

Шкаф изготавливается на заказ по требованиям заказчика. Цена договорная от 15 000 руб.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта разработал функциональную схему АСУ ТП дозирования сыпучих материалов согласно техническому заданию.

Согласно разработанной функциональной схеме, определил требуемой оборудование, необходимое для реализации АСУ ТП, после чего выбрал все необходимые компоненты системы.

После выбора требуемого оборудования проектируемой системы автоматизации разработал принципиальную электрическую схему соединений и скомпоновал выбранные элементы в двух шкафах электроавтоматики.

Заключительным этапом была разработка структурной схемы системы и моделирование. По результатам моделирования можно сделать вывод, что погрешность системы дозирования составляет 6 кг.

В заключении необходимо отметить, что спроектированная система имеет возможность для дальнейшего расширения.

1. Ларина Э. Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1996.

2. ПУЭ РФ, (7-е издание, переработанное и дополненное, с изменениями) от 08.07.2002 № 204.

3. Белорусов Н. И. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о электродвигателях компании ООО «ВЭМЗ» — Режим доступа: http://www.ges.ru

5. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о редукторах компании ООО «Эпсилон» — Режим доступа: http://www.motor-reductor.ru

6. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о преобразователях частоты компании «Триол» — Режим доступа: http://www.triolcorp.comhttp://www.schneider-electric.ru/

7. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о контакторах и автоматических выключателях фирмы «Danfoss — Режим доступа: http://www.kpsk.ru

8. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о контакторах и автоматических выключателях фирмы «Schneider Electric», о электротехнических шкафах, соединительном и монтажном оборудовании компании «KNURR AG» — Режим доступа: http://www.icsgroup.ru

9. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о кабельной продукции компании ЗАО «Сибкабель» — Режим доступа: http://www.sibkabel.ru

10. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о весоизмерительном оборудовании компании «Vishay Sensortronics» — Режим доступа: http://tensosensor.ru

11. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о весоизмерительном оборудовании компании «ТЕНЗО-М» — Режим доступа: http://www.tenso-m.ru

12. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о концевых выключателях и крановом оборудовании компании «LSSINE» — Режим доступа: http://lssine.kazprom.net

13. Электронный каталог [Электронный ресурс]: база данных содержит сведения о автоматизированном оборудовании компании «Teco» — Режим доступа: http://www.tecomat.com