Разработка системы слива жидкого гелия

Содержание Введение Техническое задание на разработку ССГ

1. Технологический раздел

1.1 Разработка технологического процесса изготовления детали типа «Переходник»

1.2 Расчет режимов резания

1.3 Разработка управляющей программы

1.4 Выбор технологического оборудования

2. Конструкторский раздел

2.1 Описание криогенно-вакуумной установки

2.2 Транспортировка сжиженного гелия

2.3 Конструкция и принцип действия вентиля дистанционного управления WEKA EPSY^plus с электропневматическим позиционером Sipart PS2 фирмы Siemens

3. Система управления

3.1 Описание компонентов системы

3.1.1 Канал связи RS-485

3.1.2 PROFIBUS

3.1.3 Модуль связи DP/PA сoupler FDC 157−0

3.1.4 Электропневматический позиционер для поступательного привода Sipart PS2 PA

3.1.5 Разветвитель и терминатор SpliTConnect

3.1.6 Кабель SIMATIC NET PROFIBUS

3.1.7 PCI карта PROFIBUS DP фирмы Comsoft

3.1.8 Источник бесперебойного питания АРС Smart-UPS RT 8000VA RM 230V

3.1.9 Вывод

3.2 Система управления электропневматическими позиционерами

3.3 Конфигурация контроллера PROFIBUS

3.4 Описание алгоритма работы электропневматических позиционеров

3.5 Тестовая программа. Графический язык программирования

3.6 Описание программного кода тестовой программы

4. Безопасность жизнедеятельности

5. Организационно-экономический раздел

5.1 Калькулирование себестоимости продукции

5.2 План производства изделий

6. Исследовательский раздел Заключение переходник гелий электропневматический позиционер Техническое задание на разработку системы слива сжиженного гелия С целью оптимизации работ по снабжению физических установок жидким гелием во время проведения сеанса, была поставлена задача дополнить криогенно-вакуумную установку физического канала 21К (КВУ 21К), путем создания автоматизированной системы управления сливом сжиженного гелия (АСУ ССГ) которая выполняла бы следующие задачи:

— Накопление жидкого гелия в специальном накопительном сосуде до объема, равного 720 л в режимах работы криогенно-вакуумной установки (КВУ), при повышенной холодопроизводительности (захолаживание криогенного коллектора до Т=100 К, тренировка резонаторов при Т=2,5−3 К, криостатирование дефлекторов при Т=1,8 К) при условии, что уровень жидкого гелия в ванне промежуточного охлаждения (ВПО) не ниже 33 см.

— Поддержание уровня жидкого гелия в НС при поддержании его уровня ВПО в заданных пределах, поддержание уровня в НС не выше 750 л и испарение по достижении этого уровня.

— Контроль за подсоединением сосуда для транспортировки жидкого гелия (СТГ) к системе слива гелия (ССГ) в режиме интерактивного взаимодействия с клиентом, тестирование соединений.

— Захолаживание ССГ.

— Контроль за действиями клиента при наполнении СТГ.

— Отепление (отогревание) ССГ.

Для реализации вышеперечисленных задач потребуется следующий принцип действия ССГ: сжиженный гелий из ВПО КВУ подаётся в накопительный сосуд ССГ через криогенный коллектор К1 и вентиль ДВ1.

Из ёмкости НС сжиженный гелий может заливаться в транспортные сосуды СТГ через вентиль РВ1 или испаряться электронагревателем W, образовавшийся газообразный гелий через вентиль ДВ2 и теплообменник ПТ направляется в хранилище криогенного цеха.

Сокращения:

— ВПО — ванна промежуточного охлаждения КВУ;

— НС — накопительный сосуд сжиженного гелия;

— ДВ1, ДВ2 — вентили дистанционного управления WEKA;

— РВ1, РВ2 — вентили с ручным управлением;

— ОК — обратный клапан;

— ПТ — пластинчатый теплообменник на улице;

— СТГ — транспортируемый гелиевый сосуд Дьюара;

— К1, К2,К3 — криогенные коллекторы;

— ЭНВ — электронагреватель воздуха;

— W — электроиспаритель жидкого гелия;

— Н — непрерывный уровнемер жидкого гелия;

— Н1, Н2, Н3, H4(не показан) — точечные уровнемеры жидкого гелия.

ССГ размещена в помещении ПК1, на двух уровнях: на верхнем (отм. +2.55 м) — накопительный сосуд с вентилями ДВ1 и ДВ2, на нижнем (отм. -1.35 м) — СТГ с коммуникационными трубопроводами и вентилями РВ1 и РВ2, рампа, низкопрофильные весы для статического взвешивания, стойка с промышленным PC, блоками управления и дисплеем оператора СТГ.

1. Технологический раздел Как было сказано выше, система слива сжиженного гелия работает на накопление, испарение и слив накопленного сжиженного гелия в транспортные сосуды Дьюара и последующей транспортировки к физическим установкам. В данном разделе предложено использовать ССГ для транспортировки сжиженного гелия к термокамере по трубопроводу (Приложение 2), а также к технологической установке для проведения испытаний на ударный изгиб образцов из металла в транспортных сосудах.

Метод испытаний на ударный изгиб при температуре минус 269⁰ (ГОСТ 22 848−77)

Данный метод был разработан Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии им. И. П. Бардина (ЦНИИЧМ), Центральным научно-исследовательским институтом машиностроения (ЦНИИМАШ), Центральным научно-исследовательским институтом материаловедения (ЦНИИМВ), Институтом проблем прочности АН УССР (ИПП АН УССР), Государственным институтом прикладной химии (ГИПХ), Всесоюзным научно-исследовательским институтом криогенного машиностроения (ВНИИКРИОГЕНМАШ).

Настоящий стандарт распространяется на металлы и сплавы и изделия из них и устанавливает метод испытания на ударный изгиб образцов при температурах от минус 100 до минус 269 °C. Нас интересуют испытания, проходящие при температуре кипения сжиженного гелия — минус 269 °C.

При испытании определяются следующие характеристики:

§ работа К, затрачиваемая на разрушение образца;

§ ударная вязкость КС, равная отношению величины работы удара к начальной площади поперечного сечения образца в месте удара;

§ процент вязкой составляющей в изломе образца, разрушенного при ударном изгибе.

Для проведения испытания при минус 269 °C применяют специальные копры (рис. 1.2). Копры рекомендуется оснащать датчиками для измерения динамической нагрузки и прогиба образца и регистрирующей аппаратурой для автоматической записи диаграмм деформации.

Для испытания на ударный изгиб при температуре кипения жидкого гелия (минус 269 °С) образец помещают в контейнер, изготовленный из миллиметровой бумаги по ГОСТ 334 (рис. 1.1). В верхней части контейнера имеется прорезь для заполнения его жидким гелием.

Рис. 1.1. Контейнер из миллиметровой бумаги Контейнер с образцом помещают в криостат, который заполняют жидким гелием. После прекращения интенсивного кипения гелия контейнер с образцом выдерживают 5 — 10 мин, затем извлекают из криостата и устанавливают на опоры копра.

Время установки контейнера с образцом на опоры копра, начиная с момента извлечения из криостата до удара ножа маятника, не должно превышать 5 с.

Рис. 1.2. Схема копра для испытаний в среде жидкого гелия 1 — основание копра; 2 — сильфон; 3 — объем для заливки жидкого хладоагента; 4 — тяги; 5 — молот; 6 — пневмоцилиндр; 7 — шток; 8 — шариковый замок; 9 — шторка; 10 — фотодатчик; 11 — образец; 12 — наковальня; 13 — динамометр

1.1 Разработка технологического процесса изготовления детали типа «Переходник»

Служебное назначение детали Переходник служит для соединения труб двух различных диаметров трубопровода. В данном случае переходник служит для соединения трубы диаметром 30 мм и сильфона, диаметром 20 мм. Деталь сделана из легированной стали 12Х18Н10Т ГОСТ 3826–82. Содержит 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля, до 1,5% титана. Условием выбора данного материала для производства детали «Переходник» было то, что деталь находится в среде под давлением, при температуре до -196 °С, а так же то, что деталь имеет сварные соединения. Сталь 12Х18Н10Т отвечает заданным условиям.

Определение характера (вида) производства Для определения массы разбиваем деталь на элементарные геометрические фигуры и узнаем объем каждой фигуры (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Деталь разбитая на элементарные геометрические фигуры

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Находим массу детали по формуле:

Где =7,85г/см для стали

.

При годовой программе выпуска детали 700 штук в год и весе детали 0,241 кг по табличным значениям определяем тип производства — мелкосерийное. Определим размер партии деталей, запускаемых в производство одновременно, по формуле: где N — годовой выпуск деталей = 700 штук, t = 15 — норма запаса деталей для хранения на складе готовых деталей в ожидании сборки, 253 — число рабочих дней в году.

Расчет параметров заготовки

— Способ получения заготовки — поковка

— По таблице 22 стр.246−248 определяем прессовое оборудование — горизонтально-ковочная машина

1) Определим исходный индекс поковки, для чего определим следующие параметры поковки.

Исходный индекс принимает значение в диапазоне 1 -23. Численную велечину исходного индекса (ИН) можно определить по формуле:

ИН=NI + (MS -1) + (ST-1) + 2 (KT-1),

где NI — номер интервала, в который попадает масса поковки; MS — группа стали (MS=1 для группы стали М1, MS=2 для группы стали М2, MS=3 для группы стали М3); ST — степень сложности поковки (ST=1 для С1, ST=2 для С2, ST=3 для С3, ST=4 для С4); KT — класс точности (КТ=1 для Т1, КТ=2 для Т2, КТ=3 для Т3, КТ=4 для Т4)

2) Расчетную масса поковки определим по формуле:

;

Гдемасса детали,

— расчетный коэффициент (табл. 26 стр. 256 [5]),

Принимаем Кр=1,8;

= 0.241×1,8 = 0,434 кг;

По табл. 4.3 стр. 103 определяем номер интервала: NI = 1.

3) Класс точности определяем по табл. 25 стр. 255 [5]: Т4 (КТ=4)

4) Определяем группу стали по табл. 24 стр. 255 [5]: для стали 12Х18Н10Т — группа М1 (MS= 1 для М1);

5) Определим степень сложности поковки по отношению объема поковки к объему геометрической фигуры в которую вписывается поковка :

;

где V — объем детали, К = 1,05 — коэффициент учитывающий увеличение объема поковки относительно объема детали; - объем описанной фигуры (цилиндра диаметром 30 мм, длинной 19мм) умноженной на коэффициент К = 1,05 (см. стр. 101)

;

;

Степень сложности — С3 (см. стр. 256 [5]). ST=3 для С3.

6) Определяем исходный индекс для последующего назначения основных припусков, допусков и отклонений:

ИН= 1+ (1−1) + (3−1) + 2(4−1)=9;

Исходный индекс = 9.

7) Конфигурация поверхности разъема — П (плоска) Припуски и кузнечные напуски

1) Основные припуски (таб. 36 стр. 348−349) сведены в таблицу 1

таблица 1

Дополнительные припуски, учитывающие:

1) смещение по поверхности разъема штампа — 0.1 мм (табл. 4.7 стр.)

2) отклонение от плоскостности и прямолинейности (таб. 4.8 стр. 109 [7]):

— наибольший размер заготовки (диаметр 30 мм): 0,3 мм.

3) Штамповочные уклоны (таб. 4.18 стр. 117 [7]) для наружных поверхностей (для горизонтально-ковочных машин) — не более

4) Радиусы закруглений (таб. 4,9 стр. 109[7])

— наружных углов принимаем 2 мм

— внутренних углов 2 мм

5) Размеры поковки, мм.

— диаметр 30+(1+0,1+0,3)2= 32,8 мм

— диаметр 20+(1+0,1+0,3)2= 22,8 мм

— длина 19 + 1= 20 мм

— длина 9+1= 10 мм

6) Полученные размеры поковки округляем с точностью до 0,5 мм. Допускаемые отклонения размеров (таб.4.10 стр 110−111 [7]) для поковки с исходным индексом 9:

— диаметр:

— диаметр:

— длина:

— длина:

Разработка маршрутного и операционного технологического процесса изготовления деталей Технологические задачи при изготовлении детали переходник, обусловленные ее назначением, представлены на чертеже переходника. Рассматриваемая делать имеет удобные базовые поверхности и не вызывает технологических трудностей при ее изготовлении. При этом может использоваться высокопроизводительное оборудование и оснастка. Материал переходника — Сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 3826–82, масса детали — 0.241 кг. Заготовка получена методом штамповки на горизонтально-ковочной машине (ГКМ).

Приведенный (таблица 2) технологический процесс предусматривает обработку переходника при программе выпуска 700 шт/год.

Таблица 2

Расчет припусков для поверхности D=30 мм Расчетные значения заносятся в таблицу 3 приложения 2.

1)Графы 2,3,13

Качество поверхности поковок, изготавливаемых штамповкой Масса поковки 0.434 кг

R_Z=200, h=250

Расчет отклонений расположения поверхностей:

Т=0.7, т. к исходный индекс -4

(- таб. 16 стр. 334; Т — таб. 32 стр. 341; Кyкоэффициент уточнениятаб. 29 стр. 338; е-погрешность базирования заготовки таб. 18 стр. 54−57;)

2)Графы 6, 7,9,10,11,12

— Штамповка Подрезание торцевой поверхности:

— черновое

— чистовое Точение:

— черновое

— чистовое Т_d — определяем из табл. 32 стр. 341

Расчет наименьших расчетных размеров по технологическим переходам производим, складывая значения наименьших предельных размеров, соответствующих предшествующему технологическому переходу, с величиной припуска на выполняемый переход:

29,98 + 0,248 = 30,228 мм;

30,228 + 1,7 = 31,928 мм.

Наименьшие расчетные размеры заносим в графу 7 таблицы.

Наименьшие предельные размеры (округленные) заносим в графу 10 таблицы.

Определим наибольшие предельные размеры по переходам, для чего суммируем наименьший предельный размер получаемый на переходе с допуском размера для этого перехода (графу 10 таблицы суммируем с графой 8), результаты расчетов заносим в графу 9 таблицы.

30 + 0,16 = 30,16 мм;

30,2 + 0,25 = 30,45 мм;

32 + 1,6 = 33,6.

Расчет фактических максимальных и минимальных припусков по переходам производим, вычитая соответственно значения наибольших и наименьших предельных размеров, соответствующих выполняемому и предшествующему технологическим переходам:

Максимальные припуски (2zmax)

30,45 — 30,16 = 0,29 мм;

33,6 — 30,45 = 3,15 мм;

Минимальные припуски (2zmin)

30,2? 30 = 0,2 мм;

32 — 30,2 = 1,8 мм;

Результаты расчетов заносим в графы 11 и 12 соответственно.

Вывод: разность размера поковки определенного расчетно-аналитическим методом относительно размера полученного с использованием опытно-статистического метода (по номинальному диаметру) составляется: 33,6 — 33 = 0,6 мм.

1.2 Расчет режимов резания Расчет режимов резания для подрезки торца.

Операция токарная 005 переход 1

1) Подача S [мм/об]

Для стали 12Х18Н10Т, максимальном диаметре детали 30 мм, при глубине резания t = 0,5 мм, размерах державки резца 16×25 мм подача будет равна 0,5 (мм/об). ([5], стр. 364, табл. 11)

2) Скорость резания Vрез [м/мин]

Т [мин] - период стойкости режущего инструмента. Т находиться в диапазоне от 30 до 60 минут. Принимаем Т = 45 мин. Материал режущей части — Т15К6. Следовательно:

CV = 290; y = 0,35; m = 0,2; x = 0,15. ([5], стр367, табл17)

KV = KMV KПV KИV

KMV — коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала,

KПV — коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки,

KИVкоэффициент, учитывающий качество материала инструмента.

Т.к. материал заготовки? сталь, следовательно Так как уВ больше, чем 450 МПа. (уВ = 550 МПа), материал режущего инструмента — быстрорежущая сталь. Следовательно:

Отсюда:

= 0,9; (стр. 361, табл. 5, [5])

=0,3; (стр. 361, табл. 6, [5])

;

3) Частота вращения шпинделя:

Станок имеет программно управляемую коробку передач в диапазоне от 10 до 2000 об/мин с шагом 1 об/мин. Поэтому действительную частоту вращения шпинделя и действительную скорость резания принимаем равными расчетным.

4) Мощность резания Nрез [кВт]

Pz [Н] - тангенциальная сила резания Сp = 204; x = 1,0; y = 0,75; n = 0; ([5], стр. 372, табл. 22)

Kр = K? р Kгр Kлр; ([5], стр. 374, табл. 23)

У нас подрезной резец: материал режущего инструмента — быстрорежущая сталь, следовательно:

K?р = 1; Kгр = 1; Kлр = 1;

Kр = 1,0?1,0?1,0 = 1,0

Полученное значение мощности меньше мощности привода главного движения (30 кВт), расчет выполнен для максимально нагруженного режима, следовательно, станок подходит для обработки данной детали.

5) Машинное время Тм

i — число проходов резцом, L — длина прохода резца

1. Расчет штучного времени операций

1) Норма штучно времени на операцию гдетехнологическое (основное) время, мин; - вспомогательное время, мин; - подготовительно-заключительное время, мин; N — размер партии.

Операция 005

берем из таблицы Операция 010

Норма штучного времени находим по формуле:

1) Вывод результатов расчета режимов резания:

* Подача S = 0,5 (мм/об)

* Период стойкости режущего инструмента T = 45 мин

* Скорость резания Vрез = 186 (м/мин)

* Частота вращения шпинделя n = 830 об/мин

* Мощность резания Nрез = 0,85(кВт)

* Машинное время Тм = 0,04 мин Результаты расчета режимов резания на всех переходах операций 005 и 010 сведены в таблицу 4 приложения 2.

1.3 Разработка управляющей программы Маршрут обработки детали

G95 — функция подачи, подача на оборот;

G00 — функция быстрого подвода;

G01 — линейная интерполяция;

G02 — круговая интерполяция, движение по часовой стрелке;

G03 — круговая интерполяция, движение против часовой стрелки;

G91 — размер в приращениях;

G97 — функция главного движения, обороты в минуту;

Т — функция инструмента;

М00 — программируемый останов;

М04 — вращение шпинделя против часовой стрелки;

М06 — смена инструмента;

F — функция подачи;

S — функция главного движения.

Управляющая программа

1.4 Выбор технологического оборудования

Станок токарный Hardinge GS 250L

Предназначен для токарной обработки с фрезерованием. Оснащен револьверной головкой VDI и 3-кулачковым патроном.

Технические характеристики:

o Максимальные размеры обработки :

· Диаметр детали над направляющими оси Z, ммO595

· Диаметр наружной обработки, мм — O356

· Длина обработки, мм- 1024,5

o Максимальные перемещения :

· по оси Х, мм — 271,5

· по оси Z, мм — 1050

Шпиндель:

· Максимальный диаметр обрабатываемого прутка, ммO78

· Максимальная частота вращения, мин-1 — 3500

· Максимальная мощность привода главного движения, кВт — 18,5

· Количество инструментов, шт.- 12

· Система ЧПУ Siemens 810

рис. 2. Hardinge GS 250L

Выбор приспособления для закрепления В нашем случае используется трехкулачковый самоцентрирующийся клиновой патрон с механизированным приводом, применяется для зажима заготовок. В пазах корпуса патрона установлены три кулачка, к которым винтами и сухарями прикреплены сменные кулачки. В корпусе патрона установлена втулка, которая винтом и тягой соединена со штоком поршня пневмоцилиндра. Во втулке имеются три паза «а» с углом наклона 15⁰, в которые входят наклонные выступы «б» кулачков, образуя клиновые сопряженные пары. Во время подачи сжатого воздуха в штоковую полость пневмоцилиндра поршень со штоком перемещается в пневмоцилиндре влево, шток через тягу, винт и втулка, передвигает выступы «б» кулачков вниз по наклонным пазам «а» втулки. При этом сменные кулачки, перемещаясь к оси патрона, зажимают обрабатываемую заготовку. После обработки заготовки сжатый воздух подается в бесштоковую полость. Шток через промежуточные звенья передвигает втулку вправо, выступы «б» кулачков перемещаются по наклонным пазам втулки вверх и сменные кулачки расходятся от оси патрона и деталь разжимается.

Для замены кулачков в шестигранное отверстие втулки 6 вставляют торцовый ключ, который поворачивает втулку против часовой стрелки на угол 15⁰, кулачки выходят из пазов корпуса и тогда их вынимают. Втулка предохраняет патрон от засорения. Клиновые патроны обладают высокой жесткостью и износоустойчивостью.

2. Конструкторский раздел

2.1 Описание криогенно-вакуумной установки (КВУ) На 70 ГэВ протонном синхротроне ИФВЭ создается пучок чистых К-мезонов для изучения СР-нарушения в распадах К — мезонов.

Для выделения экзотических частиц К-мезонов из общего числа частиц, вылетевших из мишени, используется сверхпроводящий высокочастотный сепаратор, погруженный в криостат с жидким сверхтекучим гелием. Охлаждение дает возможность резко увеличить добротность и отклоняющее поле, уменьшить полосу пропускания и, в конечном счете, получить более чистый пучок частиц. Для охлаждения был создан криогенный комплекс, включающая в себя:

— газгольдер;

— компрессор;

— криогенную гелиевую установку КГУ;

— откачные машины ОМ;

— блок дистанционного управления откачной машиной БДУ;

— криостаты.

Газгольдер — установка для хранения газообразного гелия. Компрессором гелий из газгольдера подается в криогенную установку. В криогенной установке газ захолаживается, и жидкий гелий с температурой Т = 4,2К поступает в криостаты. Криостат имеет две теплоизолирующие оболочки: внутренняя — вакуум, внешняя — жидкий азот с температурой 77К.

Сверхпроводящий дефлектор находится в криостате и полностью погружен в жидкий гелий.

При нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. над зеркалом гелия и температурой Т = 4,2К возникает эффект сверхпроводимости.

Но для снижения собственных шумов СВЧ — аппаратуры установка должна находиться в среде, с температурой Т=1,8К.

Для дальнейшего понижения температуры от 4,2К до 1,8К необходимо откачивать газ над зеркалом гелия. Эта операция производится группой насосов, образующих откачную машину (ОМ). Режимом работы откачной машины управляет блок дистанционного управления откачной машиной (БДУ). Откачанный газообразный гелий поступает в КГУ.

Система слива сжиженного гелия является частью всей криогенно-вакуумной установки. Структурная схема КВУ и ССГ приведена на рис. 3.

Также на схеме КВУ условно изображена термокамера, в которой охлаждают образец для испытаний.

Система слива сжиженного гелия состоит непосредственно из накопительного сосуда (НС), головки с расположенными на ней вентилями дистанционного управления, уровнемера с датчиками, трубопровода и системой управления и сбора данных.

Общей вид системы слива представлен на рисунке Х приложения 3.

Элементами управления в данной системе являются два дистанционных криовентиля WEKA EPSY^plus с электропневматическими позиционерами Sipart PS2 фирмы Siemens. Вентили обозначены на схеме как:

1) ДВ1- нормально закрытый вентиль; используется для накопления сжиженного гелия;

2) ДВ2- нормально открытый вентиль; используется для испарения сжиженного гелия.

Так же в системе предусмотрены ручные вентили:

1) РВ1 — используется для слива сжиженного гелия в транспортный сосуд;

2) РВ2 — используется для испарения гелия из транспортного сосуда;

3) РВ3 — используется для слива сжиженного гелия в термокамеру.

2.2 Транспортировка сжиженного гелия В криогенном цехе (КЦ) из газгольдеров газообразный гелий при помощи компрессоров по трубопроводу транспортируется в криогенную гелиевую установку (КГУ). На этом участке транспортировки газообразный гелий проходит через фильтры очистки. Температура газа — 292,67 К. В КГУ происходит сжижение газообразного гелия. Из КГУ уже сжиженный гелий попадает в накопительную емкость КГУ. Температура гелия составляет 6 К. Далее, по трубопроводу сжиженный гелий поступает в ванну промежуточного охлаждения (ВПО), здесь температура гелия составляет 4,3 К. Из ВПО сжиженный гелий через вентиль дистанционного управления ДВ1 накапливается в гелиевом сосуде (СГ) емкостью 800 литров. Накопившийся гелий через ручной вентиль РВ1сливается в транспортный сосуд Дьюара (СТГ), объемом 100 или 250 литров, а также поступает в термокамеру. Сосуд на тележке транспортируется к технологической установке. В нашем случае СТГ транспортируется к установке, использующейся для испытания на ударный изгиб при температурах от минус 100 до минус 269 °C. Не использованный сжиженный гелий в СГ испаряется, газ через вентиль дистанционного управления ДВ2 по трубопроводу возвращается в криогенный цех.

Структурная схема транспортировки сжиженного гелия приведена на рисунке Х приложения 3.

2.3 Конструкция и принцип действия вентиля дистанционного управления WEKA EPSY^plus с электропневматическим позиционером Sipart PS2 фирмы Siemens

В АСУ ССГ в качестве вентилей с дистанционным управлением используются два крио-вентиля WEKA EPSY^plus Общий вид вентиля с электропневматическим позиционером показан на листе диплома №…

Этот тип вентилей специально спроектирован для работы в экстремальных температурах (-270⁰С…+430⁰С) при рабочем давлении 1…6 бар.

Электропневматические позиционеры SIPART PS2 применяются для регулировки позиции вентилей и клапанов на пневматических поступательных и поворотных приводах. Электропневматический позиционер устанавливает на приводе позицию вентиля, соответствующую заданной величине. Через дополнительные функциональные входы можно запустить блокировку или позицию безопасности клапана. Для этого в позиционере имеется стандартный двоичный вход.

Устройство и принцип работы.

Вентиль дистанционного управления состоит из привода 1, позиционера 2, вентиля 3, штока 4. На вход электропневматического позиционера из пневмосистемы подается сжатый воздух. По средствам программного обеспечения на выходе формируется давление исполнительного импульса, которого воздействует на мембрану привода 1. Мембрана привода 1 приводит в движение шток 4. Шток, в свою очередь, открывает или закрывает вентиль 3. Шток 4 имеет ход 10 мм.

Два вентиля дистанционного управления крепятся на головку гелиевого сосуда. Сборочный чертеж головки представлен на листе диплома №…

На чертеже показаны трубопроводы отвечающие за:

1) Слив сжиженного гелия в гелиевый сосуд. К данному трубопроводу подсоединен вентиль ДВ1;

2) Испарение гелия из гелиевого сосуда. К данному трубопроводу подсоединен вентиль ДВ2;

3) Слив сжиженного гелия в транспортный сосуд.

Соединения труб и вентилей являются сварными.

Термокамера В настоящее время ССГ реально используется как накопительная система для непрерывного снабжения экспериментальных установок сжиженным гелием. Но так же эту же систему можно приспособить к использованию для снабжения низкотемпературными жидкостями термокамеру.

Термокамеры предназначены для испытания объектов на воздействие отрицательных и положительных температур в определенных диапазонах, с заданной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания, а так же охлаждения испытательных образов до заданной температуры. Термокамеры используют: для типового испытания изделий электронной, электротехнической, машиностроительной, строительной промышленности; холодильной обработки, которая является частью технологического процесса, например для низкотемпературной закалки высоколегированной стали с целью повысить срок службы измерительного и режущего инструмента; искусственного старения печатных плат, оптических линз и дюралюминиевых заклепок, исследования свойств материалов; длительного хранения медикаментов и биологических объектов.

Некоторые паспортные данные, а так же общая электрическая схема работы термокамеры приведены ниже.

Назначение изделия:

— Термокамера ТК-500 предназначена для проверки пластин хомута, которые фиксируют обмотки сверх проводящего магнита (СП-магнита) и сердечника СП-магнита. Материал сердечника — электротехническая сталь, материал хомута — нержавеющая сталь.

При изготовлении СП-магнита проводится теоретический расчет термоусадки так, что бы в процессе охлаждения термоусадка хомута и сердечника были равны, хотя материал разный.

Результаты расчета проверяются погружением пластин хомута и сердечника в термокамеру до рабочей температуры СП-магнита (4.2К-4.3К).

— Термокамера не является средством измерений, но имеет точностные характеристики.

— Термокамера является одноканальным многофункциональным изделием третьего порядка по ГОСТ 12 997–84. Это означает, что изделия третьего порядка должны быть устойчивыми и (или) прочными к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха в соответствующих диапазонах.

Устройство и принцип работы Термокамера состоит из двух самостоятельных блоков: блока терморегулятора и термоккамеры. Общий вид термокамеры показан на рис.

Термокамера представляет собой воздушную камеру цилиндрической формы с установленными в ней электронагревателем, центробежным вентилятором, платиновым термопреобразователем сопротивления и трубкой для распыления хладагента. Стенки камеры изолированы от внешней среды слоем минеральной ваты и воздушным промежутком.

Центробежный вентилятор приводится в движение электродвигателем, установленным на дне камеры. Камера и электронагреватель закрыты объемным декоративным кожухом.

На задней стенке термокамеры расположены штепсельные разъемы, штуцер для ввода хладагента и клемма ЗЕМЛЯ.

Принцип действия термокамеры основан на сравнении значений сопротивления первичного преобразователя температуры (платинового термопреобразователя сопротивления) и декадного задатчика температуры и преобразования разности этих значений в соответствующее значение напряжения на нагревателе термокамеры и во временной интервал, определяющий размер дозы жидкого хладагента, поступающий в рабочий объем термокамеры. Центробежный вентилятор обеспечивает равномерность температурного поля в рабочем объеме камеры.

Рис. 5. Общая электрическая схема Так же термокамера используется для охлаждения образца, при испытаниях на ударный изгиб при температурах от минус 100 до минус 269 °C.

3. Система управления Система управления — систематизированный набор средств влияния на подконтрольный объект для достижения определённых целей данным объектом. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей.

В системе слива сжиженного гелия, рассматриваемой и описываемой в данном дипломном проекте подконтрольным объектом являются два крио-вентиля фирмы WEKA AG, управление положением которых осуществляется при помощи электропневматических позиционеров Sipart PS2 фирмы Siemens. На мнемосхеме вентили обозначаются, как ДВ1 и ДВ2.

Вентиль ДВ1 — нормально закрытый. Осуществляет подачу сжиженного гелия в гелиевый сосуд. Вентиль ДВ2 — нормально открытый. Осуществляет испарение гелия из гелиевого сосуда.

В системе в качестве канала связи выбран RS- 485, с сетевым протоколом Profibus DP/PA.

Для персонального компьютера приобретена сетевая PCI карта PROFIBUS DP фирмы Comsoft. Приобретены модуль связи DP/PA-coupler FDC 157−0, два разветвителя и один терминатор SpliTConnect, кабели SIMATIC NET PROFIBUS. А также источник бесперебойного питания АРС Smart-UPS RT 8000VA RM 230V.

3.1 Описание компонентов системы

3.1.1 Канал связи RS- 485.

RS -485 (англ. Recommended Standard 485) — стандарт передачи данных по двухпроводному полудуплексному многоточечному последовательному каналу связи.

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных часто используется единственная витая пара проводов. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. По одному проводу (условно А) идет оригинальный сигнал, а по-другому (условно В) — его инверсная копия Другими словами, если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между проводниками витой пары всегда есть разность потенциалов: при «1» она положительна, при «0» -отрицательна.

Свойства технологии передачи RS-485

Технология передачи RS-485, используемая в сетях PROFIBUS, имеет следующие физические характеристики:

Таблица 5. Физические характеристики технологии передачи

3.1.2 PROFIBUS

PROFIBUS — коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN50170−1-2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и «ведущий — ведомый» между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконнооптический кабель или беспроводная среда.

Профиль протокола PROFIBUS DP оптимизирован для быстрого обмена данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и децентрализованной периферией на полевом уровне.

PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи данных. Техника передачи согласно IEC 1158−2 обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.

PROFIBUS-PA — специальная концепция, позволяющая подключать к общей шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.

Физический уровень для DP (RS485)

В основной версии для экранированной витой пары уровню 1 PROFIBUS соответствует симметричная передача данных по стандарту EIA RS485 (также обозначается H2). Проводники шинных сегментов замкнуты с обеих сторон, скручены и экранированы.

Способ передачи Для PROFIBUS назначен способ передачи RS485, базирующийся на полудуплексной, асинхронной синхронизации. Данные передаются внутри 11- разрядного кадра (рис. 1) в NRZ-коде (Non Return to Zero). Значения сигнала (биты) не изменяются во время передачи сигнала. В то время, как передача бинарного значения «1» соответствует положительному значению на проводнике RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P), напротив, на проводнике RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) присутствует «0». Состоянию покоя между отдельными телеграммами соответствует двоичный сигнал «1» (рис.6).

Рис. 6. PROFIBUS UART-кадр В литературе часто также оба проводника PROFIBUS обозначают как А-проводник и В-проводник. При этом А-проводник соответствует RxD/TxD-N, а В-проводник — RxD/TxD-P.

Рис. 7. Структура сигнала при передаче NRZкодом Шина В таблице 6 приведена максимально допустимая длина провода (длина сегмента) системы PROFIBUS. Эта длина зависит от скорости передачи. Внутри сегмента может быть до 32 участников.

Таблица 6. Максимальная длинна сегмента в зависимости от скорости

Подключение шины В качестве стандарта для подключения участников к шине в нормах PROFIBUS EN 50 170 рекомендуется 9-и штырьковый штекер, который изображен в табл.6. У каждого участника есть такой разъем с бухтовыми контактами, шинный кабель имеет разъем со штырьковыми контактами.

Табл.6. Расположение контактов

Физический уровень (уровень 1) для PA

В PROFIBUS-PA используется передающая техника по IEC 1158−2. Эта техника позволяет достигнуть электробезопасности и питания полевых приборов прямо через шину. Для передачи данных используется бит-синхронизированный, с манчестерским кодом протокол передачи без постоянной составляющей (обознач также как H1). При передаче данных с помощью манчестерского кода бинарный «0» передается как смена фронта с 0 на 1, а бинарная «1» — как смена фронта с 1 на 0. Данные передаются с помощью модуляции +/-9mA основного тока шинной системы IB.

Рис. 8. Передача данных в PROFIBUS-PA с помощью модуляции тока Скорость передачи составляет 31,25 кбит/c. В качестве среды передачи используется витой экранированный или неэкранированный провод. К сегменту шины PA может быть подключено максимум 32 участника. Максимальная длина сегмента сильно зависит от применяемого источника питания, типа провода и потребления тока подключенными участниками.

Суммарный ток всех полевых устройств не должен превышать максимальный выходной ток модуля сопряжения DP/PA. Поэтому значение максимального выходного тока ограничивает число полевых устройств, которые могут быть подключены к PROFIBUS-PA.

Шинный провод В качестве среды передачи для PROFIBUS-PA применяется 2-жильный кабель, технические данные которого не установлены/не нормированы.

Свойства типов кабелей определяют максимальную длину шины, число подключаемых участников и чувствительность к электромагнитным шумам. На основании этого установлены для стандартных типов кабелей электрические и механические свойства.

В DIN 61 158−2 предложены для применения стандартные кабели для PROFIBUSPA, называемые типами A, B, C, D.

С помощью PROFIBUS-PA могут быть реализованы отдельные структуры: линейные, древовидные, звездообразные, а также их комбинации. Количество шинных сегментов, занятых участниками шины зависит от установленных источников питания, тока, потребляемого участниками, типа кабеля и экрана шинной системы. На шинную систему можно подключить до 32 участников. Чтобы повысить надежность системы, можно сделать сегмент резервированным.

Подключение шинных сегментов РА к сегменту PROFIBUS-DP осуществляется с помощью сегментных разветвителей — DP/PA-Copler (рис.9) или сегментных соединителей — DP/PA-Link.

Рис. 9. Конфигурация шины с соединителем сегментов DP/PA

Управление доступом к шине в PROFIBUS

Гибридно построенное управление доступом к шине, состоящее из децентрализованного обмена маркером (токеном) между активными участниками (Master'ами) и централизованного обмена Master-Slave для обмена данными между активными и пассивными участниками шины PROFIBUS.

Активный участник, который владеет маркером, берет на себя в данное время функции мастера на шине, чтобы проводить коммуникации с пассивными и активными участниками. Обмен сообщениями по шине происходит при этом через адресацию участников. Каждому PROFIBUS-участнику назначается однозначный адрес. Адрес назначается из области от 0 до 126. При этом максимальное число участников, находящихся на шине, не превышает 127. С этим управлением доступом к шине могут быть реализованы следующие конфигурации системы:

* «Чистая» система Master-Master (обмен маркером)

* «Чистая» система Master-Slave (Master-Slave)

* Комбинация обоих методов

3.1.3 Модуль связи DP/PA-coupler FDC 157−0

Модуль связи DP/PA coupler FDC 157−0 (рис. 10) с диагностическими функциями реализует переход между PROFIBUS DP и PROFIBUS PA, к которым подключены полевые устройства.

Рис. 10. Модуль связи DP/PA-coupler FDC 157−0

Свойства Модуль связи DP/PA coupler FDC 157−0 разработан для следующих приложений:

? Электрическая развязка между PROFIBUS DP и PROFIBUS PA

? Реализация физической передачи между RS 485 и симметричной физической шиной, соответствующей IEC IEC 61 784−1:2002 Ed1 CP 3/2

? DP-слэйвы: установка адреса PROFIBUS от 1 до 125 с помощью DIL-переключателя

? Диагностика с помощью светодиодных индикаторов

? Диагностические функции через PROFIBUS DP:

— Значение тока или величина напряжения в качестве пользовательских данных

— Локальный список доступных станций

— Обрыв проводника/короткое замыкание

? Выбор режима резервирования через DIL-переключатель

? Скорость передачи 45,45 кбод на PROFIBUS DP

? Скорость передачи 31,25 кбод на PROFIBUS PA

? Встроенный блок питания для PROFIBUS PA

? Встроенный шинный терминатор для PROFIBUS PA

Технические данные модуля связи DP/PA coupler FDC 157−0:

Технические данные модуля связи DP/PA coupler FDC 157−0:

3.1.4 Электропневматический позиционер для поступательного привода Sipart PS2 PA

Позиционер служит для перестановки и регулирования пневматических приводов. Позиционер работает с помощью электропневматической энергии, вспомогательной энергией служит сжатый воздух. В корпусе находятся электроника с дисплеем, позиционное квитирование, а также вентильный блок.

Электропневматическй позиционер SIPART PS2 вместе с пневматическим приводом образуют контур регулирования, в котором фактическая величина x является позицией приводного штока у поступательных приводов, а задающая величина w — установочным током регулятора или ручной станции управления от 0/4 до 20 mA.

Поступательное движение привода через соответствующие монтажные детали, через вал квитирования и через беззазорную переключаемую зубчатую передачу подается на высококачественный потенциометр и передается на аналоговый вход микроконтроллера. Он при необходимости исправляет угловую погрешность съема хода, сравнивает напряжение потенциометра как фактическую величину x с подводимым через клеммы 6 и 8 управляющим воздействием w и вычисляет приращения управляющего воздействия.

В зависимости от величины и направления рассогласования (x-w) открывается пьезоуправляемый вентиль приточного или отработанного воздуха. Объем привода интегрирует управляющие инкременты в давление исполнительного импульса y, которое практически пропорционально двигает приводный шток. Через эти управляющие инкременты давление исполнительного импульса изменяется до тех пор, пока рассогласование не станет равно нулю.

Имеются пневматические приводы простого и двойного действия. У приводов простого действия подача и отвод воздуха осуществляется только в одной камере давления. Возникающее давление воздействует на пружину.

Алгоритмом регулирования является адаптивный прадиктивный пятипозиционный регулятор (см. рис.11).

При этом управление вентилей при больших рассогласованиях осуществляется через длительный контакт (зона быстрого хода). При средних рассогласованиях управление вентилями осуществляется через широтно-импульсную модуляцию (зона медленного хода). В зоне малого рассогласования (адаптивная зона нечувствительности) перестановочные импульсы не выдаются. Благодаря адаптации зон нечувствительности и постоянной адаптации минимальных длин импульсов в автоматическом режиме осуществляется наилучшая точность регулирования при наименьшей частоте коммуникации.

Пусковые параметры вычисляются при инициализации и фиксируются в энергонезависимом ЗУ. В основном это реальный рабочий ход с механическими упорами, время установки, размер зоны нечувствительности и т. п.

Дополнительно при работе постоянно вычисляется и ежечасно запоминается количество сообщений об ошибках, изменений направлений, а также число ходов. Эти параметры могут считываться и документироваться через коммуникационные программы, к примеру PDM и AMS. Сравнивая старую величину с актуальной вычисленной величиной Вы можете определять степень износа арматуры (функция диагностики).

Сигнал ошибки устанавливается тогда, когда рассогласование регулирования не может быть подавлено за определенное время, к примеру, если вентиль заедает или недостаточно сетевое давление. Три двоичных выхода реализованы как полупроводниковые выходы с самосигнализацией ошибок, т. е. и при отключении вспомогательной энергии и дефектной электронике выходы срабатывают. Через находящийся также на модуле тревоги двоичный вход исполнительный привод через внешнее событие, в зависимости от конфигурации, может быть, к примеру, заблокирован или перемещен в конечные позиции.

Рис. 11. Принцип работы пятипозиционного регулятора Компоненты прибора:

1) Вход: приточный воздух 7 Шумоглушитель

2) Выход: давление исполнит. импульса Y1 8 Переключатель передаточного числа

3) Дисплей 9 Перестановочное колесо проскальзывающей муфты

4) Выход: давление исполнит. импульса Y2*) 10 Соединительные клеммы опционных модулей

5) Клавиши управления

6) Дроссель

7) Шумоглушитель

8) Переключатель передаточного числа

9) Перестановочное колесо проскальзывающей муфты

10) Соединительные клеммы опционных модулей

12) Заглушки

13) Кабельное резьбовое соединение

14) Клеммовая табличка на кожухе

15) Переключатель продувочного воздуха Ввод в эксплуатацию Из-за большого количества возможностей использования после монтажа позиционер должен быть индивидуально согласован (инициализирован) с соответствующим приводом. Данная инициализация может осуществляться тремя различными способами:

1) Автоматическая инициализация Инициализация осуществляется автоматически. При этом позиционер последовательно определяет среди прочего направление действия, путь перестановки или угол поворота, время перестановки привода и согласовывает параметры регулирования с динамической характеристикой привода.

2) Ручная инициализация Путь перестановки или угол поворота привода могут быть установлены вручную, остальные параметры самостоятельно вычисояются при автоматической инициализации. Эта функция необходима при мягких конечных упорах.

3) Копирование параметров инициализации (обмен данными между позиционерами) У приборов с функцией HART параметры инициализации одного позиционера могут быть считаны и скопированы на другой позиционер. Это позволяет заменять сломанный прибор без остановки текущего процесса для инициализации.

Перед инициализацией на позиционер должны быть заданы лишь несколько параметров. Остальные параметры настроены таким образом, что обычно они не должны изменяться.

3.1.5 Разветвители и терминатор SpliTConnect

Т-образный разветвитель SpliTConnect позволяет строить сегменты шины PROFIBUS-PA, удовлетворяющие стандарту IEC 61 158−2. С помощью объединителя SpliTConnect разветвители SpliTConnect можно соединять последовательно для создания узла разветвления (хаба) PROFIBUS-PA. Терминатор служит для согласования волнового сопротивления.

3.1.6 Кабель SIMATIC NET PROFIBUS

Стандартный FC кабель 6XV1 830−0EH10: стандартный ЛВС кабель для быстрого подключения (FastConnect) для сетей SIMATIC NET PROFIBUS. Он удовлетворяет требованиям EN 50 170, тип кабеля A, медные жилы из цельного проводника.