Разработка современной автоматизированной системы управления откачной машины

1. Технологический раздел

1.1 Технология охлаждения дефлекторов жидким гелием

1.2 Технология изготовления детали «Прокладка»

1.3 Выводы

2. Конструкторский раздел

2.1 Откачная машина (ОМ)

2.2 Исполнительные устройства

2.3 Выводы

3. Система управления

3.1 Существующая система управления, недостатки и варианты решений

3.2 Выбор контрольно-измерительного оборудования

3.3 Выбор управляющих устройств

3.4 Выбор типов линий связи, протоколов, преобразователей интерфейсов

3.5 Выбор управляющего компьютера и программного обеспечения

3.6 Структура системы управления

3.7 Выбор силовой электроарматуры

3.8 Выбор силовых и сигнальных кабелей

3.9 Монтаж системы управления

3.10 Режимы работы откачной машиной, управление

3.11 Выводы

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Электробезопасность

4.2 Основы радиационной безопасности

4.3 Обеспечение комфортных условий окружающей среды на рабочем месте оператора ОМ

4.4 Выводы

5. Исследовательский раздел

5.1 Уровнемер Model LM-500 Liquid Cryogen Level Monitor

5.2 Исследование линейности и инерционности азотного датчика

5.3 Выводы

6. Организационно-экономический раздел

6.1 Заработная плата рабочих, социальные отчисления

6.2 Расходы предприятия

6.3 Расчёт общих производственных затрат

6.4 Выводы Заключение Список литературы

Введение

Цель дипломного проектирования — разработка современной автоматизированной системы управления откачной машины (АСУ ОМ).

Одной из экспериментальных установок, работающей на ускорительном комплексе У-70 (ИФВЭ, Протвино), является установка ОКА, предназначенная для получения, выделения из общего потока и исследования каонов. Для их выделения используются СВЧ-сепаратор заряженных частиц, состоящий из двух дефлекторов, настроенных на выделение каонов из общего пучка.

Для обеспечения высокой добротности системы дефлекторы должны находиться в состоянии сверхпроводимости. Для достижения этого состояния они должны быть охлаждены до сверхнизких температур (<4.5 К). Эту задачу выполняет криогенно-вакуумная установка (КВУ) 21-го канала. КВУ — сложная технологическая система, конструктивно состоящая из разных агрегатов. Её назначение — охлаждение дефлекторов жидким гелием (He).

Одним из агрегатов в составе КВУ является откачная машина (ОМ). Её назначение — откачка испаряющегося газообразного гелия из сосудов-криостатов, в которых установлены дефлекторы. За счёт непрерывной откачки паров и уменьшения газового давления происходит дополнительное охлаждение и понижение температуры жидкого гелия. Режим работы ОМ позволяет выйти на рабочую температуру Т=1,8 оК и ниже.

Существующая на данный момент система управления ОМ является технически и морально устаревшей. Для включения/отключения насосов и клапанов применяются релейно-контактные схемы с ручным (кнопочным) управлением. Все двигатели насосов работают на одной (номинальной) частоте оборотов n = 1500 об/мин. При таком способе управления для изменения температуры в дефлекторах приходится применять метод неполной работы ОМ: включать и отключать некоторые насосы или целые ячейки для того, что бы выйти на требуемый режим.

1. Технологический раздел

1.1 Технология охлаждения дефлекторов жидким гелием азотный датчик криогенный уровнемер В этом подразделе рассмотрим проблему криогенного (сверхнизкого) охлаждения дефлекторов жидким гелием.

1.1.1 Охлаждение дефлекторов Для обеспечения высокой добротности СВЧ-резонатора его необходимо охладить до сверхнизких температур для достижения состояния сверхпроводимости. В качестве хладореагента применяется жидкий гелий (He), температура кипения (сжижения) при атмосферном давлении Тк = 4,2о К. При такой температуре происходит внутрифазовое изменение состояния гелия и резко меняются его физические свойства. Жидкий гелий при температурах выше 2,17о К называют гелий I (He I), при более низких температурах — гелий II (He II). He II обладает свойством сверхтекучести — практически полным отсутствием вязкости (способность достаточно большого объёма жидкости буквально «провалиться» сквозь микроскопическое отверстие за доли секунды). He II обладает хорошими теплоотводными свойствами (в 300 млн. раз лучше, чем He I).

Основной расчётный рабочий режим СВЧ-сепаратора достигается при его захолаживании до температуры Тс = 1,8о К. Для достижения заданного режима гелий необходимо охладить ниже температуры кипения и температуры перехода в сверхпроводящую фазу. Задачу получения жидкого гелия и охлаждение им дефлекторов решает созданная на 21 канале криогенно-вакуумная установка (КВУ).

1.1.2 Криогенно-вакуумная установка (КВУ) Криогенная система для охлаждения сверхпроводящего ВЧ-сепаратора (Рис. 1) построена по схеме с сателлитным рефрижератором, где в качестве холодогенерирующей установки использована установка КГУ500−4,5/140. Эта установка потребляет 60 г/с газообразного гелия при давлении 25 бар и производит 5 г/с жидкого гелия, часть которого через вентиль подается в ванну промежуточного охлаждения (ВПО), пары гелия из которой возвращаются в КГУ (рефрижераторная нагрузка). Жидкий гелий в ВПО используется для охлаждения в теплообменнике прямого потока и в теплообменнике избыточного потока гелия сателлитного рефрижератора, направляемого на охлаждение дефлекторов. Остальная часть гелия из КГУ дросселируется через вентиль и после охлаждения в теплообменнике, расположенном в ВПО, подается в контур сателлитного рефрижератора, обеспечивая в нем избыточный поток. Эта часть гелия не возвращается в КГУ и является для нее ожижительной нагрузкой.

Рис. 1 Криогенно-вакуумная установка (КВУ) 21 канала Основной поток гелия для охлаждения дефлекторов создается сателлитным рефрижератором, основой которого является Большой вакуумный теплообменник (БВТО), охлаждающий поток сжатого гелия (7−10 г/с, 25 бар) от комнатной температуры до температуры близкой к температуре жидкого гелия. После БВТО поток гелия направляется в ВПО, где дросселируется в вентиле, охлаждается в теплообменнике и затем получает поток от КГУ через теплообменник. После ВПО этот поток по криогенному коллектору попадает в распределительный бокс, где делится на две части, каждая из которых по своему криогенному трубопроводу направляется в криостаты RF1 и RF2, перед которыми охлаждается в низкотемпературных теплообменниках и дросселируется через вентили в гелиевые сосуды дефлекторов, соответственно.

Обратный поток паров гелия из гелиевых сосудов дефлекторов охлаждает прямой поток гелия в низкотемпературных теплообменниках, БВТО, затем откачивается и сжимается компрессором, после чего направляется в КГУ и БВТО и цикл повторяется. Получение и поддержание необходимой температуры дефлекторов ниже 4,4 оК осуществляется путем откачки паров из гелиевых сосудов дефлекторов с помощью откачной машины.

1.1.3 Понижение температуры жидкости методом понижения давления Скорость испарения можно искусственно увеличивать и контролировать, непрерывно понижая давление пара над зеркалом жидкости. С уменьшением давления при неизменном объёме газа уменьшается и его температура (следствие из закона Шарля: при V = const, p/T = const). Это позволяет свободно испаряться большему числу молекул с меньшей энергией, что в свою очередь ускоряет процесс испарения. При повышении интенсивности испарения увеличиваются теплопотери жидкости, что приводит к дальнейшему понижению температуры.

При испарении гелия растёт концентрация газообразной компоненты, что приводит к росту давления и уменьшению скорости охлаждения и переходу жидкости к нагреву. Для избежания этого процесса испаряющийся гелий необходимо непрерывно откачивать. Именно для этого в состав КВУ включена откачная машина. Её назначение — управлять скоростью испарения гелия, выходить на заданное давление (температуру) и поддерживать его неизменным.

1.2 Технология изготовления детали «Прокладка»

В рамках выполнения дипломного проекта была выполнена аттестационная работа по разделу «Технология». В этом разделе была разработана технология изготовления детали типа «Прокладка».

1.2.1 Назначение детали Данная деталь (Рис. 2) используется для установки насоса АВЗ-180 на фундаментальную плиту.

Рис. 2 Прокладка

1.2.2 Анализ технологичности детали Правила обеспечения технологичности конструкции изделий регламентируется ГОСТом 25 069 и методическими рекомендациями МР-186−85.

Точность размеров: диаметры наружных поверхностей выполняются по h12; отверстия по Н12.

Качество поверхностного слоя: Шероховатость наружних торцов составляет Rz=12,5 мкм, остальных наружних поверхностей соответствуют Rz=25 мкм, внутренних поверхностей Rz=25 мкм.

Предельные отклонения: Неуказанные предельные отклонения наружных поверхностей — h14, внутренних поверхностей — H14.

1.2.3 Определение массы детали и характера (вида) производства Необходимо изготовить 32 накладки (по четыре на каждый из восьми насосов). Найдём массу детали:

Плотность стали 20: = 7,85 103 кг/м3 = 7,85 г/см3.

Найдем объем Vдет детали. Для этого разобьем ее на простейшие геометрические фигуры (Рис. 3).

Объём рассчитываем складыванием и вычитанием объёмов простейших фигур:

Рассчитаем массу детали:

Тип производства определяем как единичное в силу необходимости выпустить всего одну партию в короткий интервал времени для специальных (не коммерческих) нужд.

Рис. 3 Схема разбивки детали на простые фигуры

1.2.4 Определение параметров заготовки В качестве исходной заготовки выбираем прокат стальной горячекатаный круглый (ГОСТ 2590−2006) диаметром 230 мм обычной точности. Заготовка для единичного изделия представляет собой стальной кругляш (цилиндр). Для определения толщины заготовки назначим припуски на подрезку торцов ш230 (ш226) мм.

Обработка торцов осуществляется в два прохода: черновой и чистовой. Суммарный припуск будет равен их сумме. Назначим припуск 1,2 мм на черновую обработку, и 0,3 мм — на чистовую. Суммарный припуск на одну сторону будет равен 1,5 мм, но обе — 3 мм.

Максимальная толщина детали — 67 мм, таким образом ширина заготовки составит h = 70 мм (Рис. 4). Масса заготовки равна:

Рис. 4 Заготовка для изготовления детали «Прокладка»

1.2.5 Разработка маршрутного и операционного технологического процесса изготовления детали

1.2.6 Расчёт режимов резания.

Чистовое наружное точение ш142.

Глубина резания, t, мм. Глубина резания — толщина стружки, срезаемая за один проход, измеренная в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности. Глубина резания равна припуску на данном этапе обработки.

t = 0,2 мм.

Подача S [мм/об]. Подача — перемещение режущей кромки инструмента относительно обработанной поверхности заготовки за единицу времени. Подача при чистовой обработке выбирается в зависимости от необходимой шероховатости и радиуса при вершине резца.

Примем S = 0,25 мм/об.

Скорость резания Vрез [м/мин]. Скорость резания — перемещение в единицу времени произвольной точки, взятой на активной части главной режущей кромки, относительно обрабатываемой поверхности заготовки.

T — период стойкости режущего инструмента, для токарныз резцов он составляет 30ч60 мин, с учётом, что обработка носит многоинструментальный характер (К=2), примем T = 120 мин.

По значениям стойкости и подачи выбираем из таблицы значение коэффициентов CV, x, y, m: CV = 350, x = 0,15, y = 0,2, m = 0,2.

KV — поправочный коэффициент, рассчитываемый по формуле:

где Kmv — коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала; Knv — коэффициент, отражающий состояние поверхности заготовки; Kuv — коэффициент, учитывающий качество материала инструмента, Кц — коэффициент, учитывающий влияние параметров резца на скорость резания.

Заготовка — сортовой стальной прокат, коэффициент Kmv рассчитываем по формуле:

Для стали 20 уВ = 420 МПа. Материал режущего инструмента сталь Т15К6, поэтому берём КГ = 1, nv = 1. Отсюда находим Kmv = 1,8. Для поверхности без корки Knv = 1, для материала резца Kuv = 1, Кц — 0,7 (угол в плане ц=90о). Рассчитываем поправочный коэффициент: Определяем расчётную скорость резания:

Частота вращения шпинделя [об/мин] рассчитывается по формуле:

где d0 — исходный диаметр до обработки, d0 = 142 мм.

Коробка скоростей имеет бесступенчатое регулирование, потому принимаем: nф = nрас Машинное время, Tм1 [мин] - время для выполнения одного технологического прохода.

Где L — расчётная длина (ширина) обработки, определяется в направлении подачи и равна расстоянию между начальным и конечным положениями инструмента/детали с учётом врезания, перебегов, взятия пробных стружек (если они имеют место в этом переходе), мм; n — число оборотов инструмента (детали), мин-1; S — подача инструмента (детали) за один оборот, мм/об.

Таблица режимов резания

В случае, если обработка осуществляется за несколько проходов, машинное время рассчитывается по формуле:

Где i — число проходов.

1.2.7 Расчёт штучного времени операций Норма штучного времени на операцию:

Тшт = Т0 + Тв + Тпз/N

Где Т0 — технологическое (основное) время, Тв — вспомогательное время, Тпз — подготовительно-заключительное время, N — партия.

Тпз = 30 мин, Тпз/N = 0,94 мин Операция 005:

Т01 = 0,44 + 0,86 + 1,02 + 0,23 + 0,3 + 0,11 + 0,33 + 0,11 + 0,17 + 0,34 + 0,43 + 0,85 + 0,62 + 0,70 = 6,51 мин Тв1 = 3 мин Операция 010:

Т02 = 0,07 + 1,26 + 0,42 = 1,75 мин Тв2 = 2 мин Норма штучного времени:

Тшт = Т01 + Т02 + Тв1 + Тв2 + Тпз Тшт = 6,51 + 1,75 + 3 + 2 + 0,94 = 14,2 мин

1.2.8 Выбор технологического оборудования Токарный станок с ЧПУ с горизонтальной станиной модели MicroPanther 446.

Рис. 5 Токарный станок MicroPanther 446

Станки MicroPanther 446 (Рис. 5) имеют классическую конструкцию, зарекомендовавшую себя как одну из самых надежных за долгие годы эксплуатации подобного оборудования. Горизонтальная станина изготовлена из высококачественного чугуна марки «Механит» и гарантирует высокую жесткость и виброустойчивость.

Жесткий шпиндельный узел установленный на 4-рех конических двухрядных роликовых подшипниках приспособлен для нагруженной работы, так же он хорошо сбалансирован для чистовой обработки на высоких скоростях. Высокоточные ШВП класса точности С3 со сдвоенной гайкой гарантируют высокую жесткость и точность. Станок оснащается 8-ми позиционной гидравлической револьверной головкой с временем индексации между соседними позициями 0,79 секунды. Все элементы электрического шкафа отвечают европейским нормам CE.

Технические характеристики станка

Вертикальный обрабатывающий центр с линейными направляющими модели Challenger MM-430.

Рис. 6 Обрабатывающий центр Challenger MM-430

· Предназначен для скоростной обработки деталей из стали, чугуна и легких сплавов. Обрабатывающие центры серии VL предназначены для обработки деталей сложной криволинейной формы из сталей, чугуна и легких сплавов из литых и штампованных заготовок.

· Станина изготовлена из высококачественного чугуна марки «Механит» и обладает высокой жесткостью и виброустойчивостью.

· Высококлассные линейные направляющие дают возможность перемещаться шпиндельной бабке и столу со скоростью до 24 м/мин.

· Шпиндель с максимальной частотой вращения до 8 000 об/мин.

· Круговой инструментальный магазин типа «диск» на 16 позиций расположен на одной колонне вместе со шпинделем.

· Высокомоментные сервоприводы напрямую соединены с шариковинтовыми передачами по всем осям.

· Высокоточные ШВП класса точности С3 со сдвоенной гайкой гарантируют высокую жесткость и точность даже при долговременных тяжелых нагрузках.

Технические характеристики станка

1.2.9 Разработка управляющей программы изготовления детали «Прокладка»

Кодирование управляющих программ соответствует ГОСТ 20 999–78.

Каждая управляющая программа состоит из последовательности кадров. Признаком начала программы является символ «%».

Разделы программы, которые могут быть пропущены, обозначаются символом «Пропуск кадра». Пропуск кадра обозначается символом «/» (косая черта), которая ставится перед адресом номера кадра. Каждая программа должна заканчиваться командой М02.

Тексты, поясняющие управление программы необходимо заключить в круглые скобки. Внутри скобок не должно быть символов «%», «: «, ПС. Информация в скобках устройством ЧПУ не воспринимается и не обрабатывается.

Вся информация внутри управляющей программы задается в виде кадров. Длина кадра — переменная, порядок слов — свободный, способ записи слов — адресный.

Каждый кадр содержит:

— признак начала кадра, задаваемый адресом N или символом ": «;

— числовую информацию (геометрическую и технологическую), необходимую для данного этапа обработки, с соответствующими адресами;

— признак конца кадра — ПС.

Порядок номеров кадра управляющей программы произвольный, но для удобства в работе рекомендуется упорядочить последовательность в сторону возрастания и использовать нумерацию кадров кратную пяти или десяти.

Максимальная длина кадра не должна превышать 80 символов.

Исходными данными для разработки управляющей программы являются: расчетные значения подач, скорости резания, а также координаты опорных точек.

005. Токарная, переход 1: черновая подрезка торца ш230 мм, инструмент — подрезной резец

005. Токарная, переход 1: чистовая подрезка торца ш230 мм, инструмент — подрезной резец

005. Токарная, переход 2: черновое наружное точение ш142 мм, инструмент — проходной упорный резец

005. Токарная, переход 2: чистовое наружное точение ш142 мм, инструмент — проходной упорный резец

005. Токарная, переход 2: подрезка торца ш142/ ш 230 мм, инструмент — проходной упорный резец

005. Токарная, переход 3: обработка канавкиш142/ ш 230 мм, инструмент — канавочный резец

005. Токарная, переход 4: сверление сквозного отверстия ш22 мм, инструмент — сверло с цилиндрическим хвостовиком

005. Токарная, переход 5: черновое растачивание отверстия ш30 мм, глубиной 20 мм, инструмент — проходной упорный резец.

005. Токарная, переход 6: черновое наружное точение ш226 мм, инструмент — проходной упорный резец.

005. Токарная, переход 6: чистовое наружное точение ш226 мм, инструмент — проходной упорный резец.

005. Токарная, переход 7: черновая подрезка торца ш22/ш226 мм, инструмент — четырёхгранный резец.

005. Токарная, переход 7: чистовая подрезка торца ш22/ш226 мм, инструмент — четырёхгранный резец.

005. Токарная, переход 7: черновая подрезка торца ш82/ш226 мм, инструмент — четырёхгранный резец.

005. Токарная, переход 7: чистовая подрезка торца ш 82/ш226 мм, инструмент — четырёхгранный резец

010. Фрезерная, переход 1: центровка 8 отверстий ш2 мм, инструмент — центровочное сверло

010. Фрезерная, переход 2: сквозное сверление 8 отверстий ш12 мм, инструмент — сверло

010. Фрезерная, переход 3: фрезерование паза длиной 52 мм, шириной 31 мм, инструмент — концевая фреза

1.3 Выводы Сформулирована технологическая задача получения и поддержания криогенных температур. Описана система криогенного обеспечения для охлаждения дефлекторов, откачная машина для поддержания и управления температурой.

Описана технология обработки и изготовления детали типа «Прокладка». Определены исходные параметры заготовки, припуски на обработку, рассчитаны режимы резания. Был произведён выбор технологического оборудования. Составлена программа для обработки детали на современных станках с ЧПУ.

2. Конструкторский раздел В конструкторском разделе рассмотрим устройство и принцип функционирования откачной машины. Произведём описание существующих (работающих) устройств, а так же выберем дополнительные, необходимые для создания современной автоматизированной системы управления.

2.1 Откачная машина (ОМ) Откачная машина (ОМ) (Рис. 7) криогенно-вакуумной установки представляет комплекс технических средств, назначение которого — откачка газообразного гелия из дефлекторов и холодогенерирующей установки (КГУ 500). Основу ОМ составляют 24 насоса 3 типов (по 8 насосов каждого типа): пластинчато-роторные насосы 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 и агрегат вакуумный золотниковый АВЗ-180.

Насосы в составе ОМ объединены в откачные ячейки (ОЯ). Каждая ячейка включает в себя три насоса, по одному каждого типа, установленных последовательно: 2ДВН-500, 2ДВН-1500, АВЗ-180. Между насосами установлены теплообменники, охлаждаемые подводимой к ним водой. Вода так же применяется и для охлаждения насосов АВЗ-180 и 2ДВН-1500.

Откачные ячейки соединены между собой параллельными трубами перед входами насосов (входные трубы) и на выхлопах АВЗ-180. Перед всасами всех насосов установлены вакуумные клапаны, такие же клапаны установлены на выхлопах 2ДВН-1500 и 2ДВН-500. Входные трубы соединены между собой ещё двумя клапанами.

Рис. 7 Структурная схема откачной машины Откачная машина в сеансе работает поступенно, в режиме компрессора. Рабочий режим должны обеспечивать 6 откачных ячеек (2 ячейки — резервные, на случай выхода некоторых основных из строя). В начальный момент в дефлекторах жидкий гелий имеет температуру 4,4 оК, давление газообразного гелия около 107 кПа. Сначала включаются насосы АВЗ-180, при этом клапаны на всасах и выхлопах насосов 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 закрыты, а клапаны между входными трубами открыты. С их помощью давление в дефлекторах понижается до 4,0−5,0 кПа. При этом давлении насосы АВЗ-180 начинают «захлёбываться» (не в состоянии дальше понижать давление на всасе), и тогда включаются насосы 2ДВН-500 соответствующих ячеек (открываются соответствующие клапаны всаса, выхлопа, закрывается второй клапан соединения входных труб). Они понижают давление в дефлекторах до 2,5−3,0 кПа. Когда и они начинают «захлёбываться», подключаются насосы 2ДВН-1500 (открываются и закрываются соответствующие клапаны), понижая давление до 1,5−1,6 кПа (основной рабочий режим).

2.2 Исполнительные устройства

2.2.1 Насосы 2ДВН-500 и 2ДВН-1500

Насосы 2ДВН-500, 2ДВН-1500 (Рис. 8) предназначены для откачки воздуха и газов, неагрессивных к серому чугуну, конструкционной стали и минеральным маслам, и взрывобезопасных в условиях проточной части и зубчатого редуктора.

Насосы 2ДВН относятся к классу ротационных компрессорных машин объёмного действия, внешнего сжатия, с двумя поршнями одинакового профиля. Насос приводится через упругую пальцевую муфту электродвигателем, корпус которого соединён фланцем с насосом. Система смазки подшипников и шестерён — жидкостная, циркуляционно-барботажная. Охлаждение насоса 2ДВН-500 — воздушное, при этом в значительной степени используется поток воздуха, создаваемый электродвигателем. Насос 2ДВН-1500, кроме того, имеет ещё и систему водяного охлаждения.

В пазах вращающегося ротора, ось которого смещена относительно оси неподвижного статора на величину эксцентриситета, установлены несколько пластин с пружинами. Вращаясь вместе с ротором, эти пластины одновременно совершают вращательно-поступательные движения в пазах ротора. Рабочими камерами являются объёмы, ограниченные соседними пластинами, а также поверхностями ротора и статора. При вращении ротора рабочая камера, соединённая с полостями всасывания, увеличивается в объёме и происходит её заполнение. Затем она переносится в зону нагнетания. При дальнейшем перемещении её объём уменьшается и происходит вытеснение (сжатие) газа из рабочей камеры.

Насос 2ДВН-500 укомплектованы трёхфазными асинхронными электродвигателями, 2ДВН-500 — АИР 112 М², 2ДВН-1500 — АИР 132 М².

Рис. 8 Насосы 2ДВН (500 и 1500).

Технические характеристики насосов 2ДВН-500 и 2ДВН-1500

2.2.2 Насос АВЗ-180

Вакуумный насос АВЗ-180 (Рис. 9) — электронасосный агрегат с золотниковым одноступенчатым насосом предназначен для откачки воздуха, неагрессивных газов и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений, из герметичных вакуумных систем в стационарных установках, находящихся в производственных помещениях, при температуре окружающей среды от 10 до 35о C (создание глубокого и среднего вакуума).

Агрегат АВЗ состоит из насоса, маслоотделителя, асинхронного электродвигателя АИР 160 S2, смонтированного на основании, закрепленном на корпусе насоса. Передача вращательного движения от двигателя к насосу осуществляется посредством клиновых ремней с передаточным отношением 0,5. Натяжение ремней обеспечивается натяжными винтами. Шкивы насоса и двигателя после их установки и закрепления агрегата закрываются ограждением. Сверху на корпус насоса устанавливается маслоотделитель. Входной и выходной патрубки закрыты заглушками. Насос имеет водяное (проточное) охлаждение.

Рис. 9 Габаритные и присоединительные размеры агрегата АВЗ-180

Насос имеет две рабочие камеры. В рабочей камере вращается эксцентрик с надетым на него плунжером. При вращении эксцентрика газ из откачиваемого объема через окно в прямоугольной части плунжера поступает в полость всасывания. Одновременно в полости сжатия происходит сжатие и вытеснение откачиваемой среды. При вращении плунжер не касается стенок роторных камер, а проходит около них с необходимым зазором. Вал насоса вращается в двух подшипниках, расположенных в передней и задней крышках. Уплотнение по валу со стороны маховика и между камерами обеспечивается посредством манжет.

Технические характеристики насоса АВЗ-180

2.2.3 Асинхронные электродвигатели АИР Асинхронные электродвигатели АИР с короткозамкнутым ротором (Рис. 10), благодаря простоте конструкции, отсутствию подвижных контактов, высокой ремонтопригодности, невысокой цене по сравнению с другими электрическими двигателями применяются практически во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства. Они используются для привода вентиляционного оборудования, насосов, компрессорных установок, станков, эскалаторов и многих других машин.

Рис. 10 Габаритные размеры электродвигателей АИР Габаритные размеры двигателей АИР (112 М2, 132 М², 160 S2)

Проверочный расчёт электродвигателей.

Откачная машина в сеансе рассчитана на непрерывную работу около полутора месяца (900 — 1100 ч. и более) при непрерывной, неизменной нагрузке, то есть функционируют в продолжительном режиме работы S1. Это самый простой режим работы, в нём устанавливается неизменная температура всех частей электродвигателя. При режиме S1 не требуется выполнять дополнительный расчёт по определению нагрева двигателя.

Выполним проверочный расчёт чтобы убедиться, что используемые электродвигатели подходят для данного режима работы. Проверка двигателей осуществляется по двум условиям:

Расчётная мощность насоса определяется по формуле:

Где Mс — момент сопротивления насоса, nном — номинальные обороты насоса, знас — КПД насоса.

Выполним проверочный расчёт электродвигателя АИР 112 М² (в комплекте к насосу 2ДВН-500).

Характеристики электродвигателя АИР 112 М²

Определим расчётную мощность насоса:

Мощность данного двигателя удовлетворяет условию.

Частоты вращений электродвигателя и насоса одинаковы, так как они соединены по безредукторной схеме, и следовательно:

Данный электродвигатель удовлетворяет полностью удовлетворяет всем рабочим условиям.

Выполним проверочный расчёт электродвигателя АИР 132 М² (в комплекте к насосу 2ДВН-1500).

Характеристики электродвигателя АИР 132 М²

Определим расчётную мощность насоса:

Мощность данного двигателя удовлетворяет условию.

Частоты вращений электродвигателя и насоса одинаковы, так как они соединены по безредукторной схеме, и следовательно:

Данный электродвигатель удовлетворяет полностью удовлетворяет всем рабочим условиям.

Выполним проверочный расчёт электродвигателя АИР 160 S2 (в комплекте к насосу АВЗ-180).

Характеристики электродвигателя АИР 160 S2

Определим расчётную мощность насоса:

Мощность данного двигателя удовлетворяет условию.

Электродвигатель сопряжён с насосом ремённой передачей с коэффициентом 0,5, то есть выходная частота вращения будет в 2 раза меньше.

Данный электродвигатель удовлетворяет полностью удовлетворяет всем рабочим условиям.

2.2.4 Клапан латунный электромагнитный муфтовый (исполнение НЗ) типа SMS-TORK T-GP 103 ДУ 15

Клапан электромагнитный типа SMS-TORK T-GP (Рис. 11) предназначен для автоматического управления подачей воздуха, холодной и горячей воды (до 85 оС), а также других жидких и газообразных сред, неагрессивных к материалам корпуса, уплотнений и мембраны. Представляет собой 2/2 ходовой нормально закрытый соленоидный клапан непрямого действия.

Данный тип клапанов используется для управления потоками охлаждающей воды к насосам 2ДВН-1500 и АВЗ-180.

Рис. 11 Клапан SMS-TORK T-GP 103 ДУ 15.

Характеристики клапана SMS-TORK T-GP 103 ДУ 15

2.2.5 Вакуумные клапаны с электромагнитным приводом КВМ-25 и КВМ-63.

Вакуумные клапаны с электромагнитным приводом типа КВМ (Рис. 12) предназначены для герметичного перекрытия вакуумных систем в диапазоне давлений от 1*10−5 до 1,07*105 на трубопроводах для воздуха и неагрессивных газов. Под действием возникающего магнитного поля катушки якорь втягивается, преодолевая усилие пружины и поднимает заслонку. Клапан закрывается пружиной при прекращении подачи тока в цепь катушки электромагнита. Открытие и закрытие клапана дистанционное.

Рис. 12 Клапаны КВМ-63 (слева) и КВМ-25 (справа) Клапаны КВМ-63 используются в качестве клапанов всаса и выхлопа насосов 2ДВН (500 и 1500), КВМ-25 — в качестве шунтирующих клапанов в обход насосов АВЗ-180.

2.2.6 Клапан запорно-регулирующий прямоходный однодроссельный КЗР-Аргонавт (DN = 65 мм).

· Диаметр условного прохода DN — 65 мм.

· Средняя наработка на отказ — 100 000 ч.

· Средний ресурс — 80 000 ч.

· Температура рабочей среды — до +150 оС.

· Допустимая величина относительной протечки в положении «закрыто» — менее 0,0005% от Kvs.

· Пропускная характеристика — линейная.

· Перепад давления на плунжере — 1,6 МПа.

· Пропускная способность до 63 м3/ч.

· Тип электропривода — STO.1 (P = 16 Вт)

· Время полного открытия или закрытия — от 30 до 180 с.

· Датчик степени открытия клапана — резистивный или токовый (0 … 5 мА, 0 … 20 мА, 4 … 20 мА).

· Установочное положение на трубопроводе — любое, кроме положением привода вниз.

· Напряжение питания 220 В, 50 Гц.

· Степень защиты IP54 или IP65.

· Имеется ручной дублёр управления и механический показатель положения плунжера.

· Коэффициент гидравлического сопротивления x = 6,2 … 6,6.

· Масса 31 кг.

· Габаритные размеры 615×290×220 мм.

Регулируемые клапаны КЗР-Аргонавт (Рис. 13) устанавливаются на всасах насосов АВЗ-180 для предварительного регулирования понижаемого давления и прокачки (имеющиеся насосы начинают давать хорошее разрежение при первоначальном давлении 14 — 15 кПа).

Рис. 13 Регулируемые клапаны КЗР-Аргонавт.

2.3 Выводы В данном разделе было описано и выбрано основное технологическое (исполнительное) оборудование, произведены проверочные расчёты электродвигателей насосов.

3. Система управления В разделе, посвящённом системе управления ОМ, разработаем схему АСУ ОМ, определим необходимое для её построения оборудование и арматуру.

3.1 Существующая система управления, недостатки и варианты решений Существующая система управления ОМ имеет два существенных недостатка, не позволяющих полностью использовать ресурсы исполнительных агрегатов.

1) Неуправляемые электродвигатели насосов. Двигатели насосов работают только при номинальных значениях частоты и напряжения, обеспечивающих только номинальные обороты и, тем самым, постоянную производительность. Это приводит к тому, что для изменения производительности ОМ (с целью изменения температуры в дефлекторах) некоторые из насосов приходится периодически вручную отключать/подключать.

Предлагаемое решение: для управления производительностью ОМ использовать частотное регулирование оборотов электродвигателей насосов при помощи преобразователей частоты (ПЧ). Это позволит плавно (без переключения насосов) выходить на заданную рабочую температуру. Использование современных ПЧ с дистанционным микропроцессорным управлением позволит управлять насосами дистанционно (по интерфейсу) посредством сигналов с датчиков состояния дефлекторов и самой откачной машины. Таким образом, возможно создать замкнутую систему автоматического управления с авторегулированием.

2) Релейно-контактные схемы с ручным (кнопочным) управлением. Существующие схемы пуска/торможения насосов, защиты двигателей, открытия/закрытия клапанов выполнены на релейной, морально устаревшей, основе. Пуск, торможение, переключение ступеней осуществляются вручную нажатиями на соответствующие кнопки. Это вносит ощутимый человеческий фактор в работу системы (возможные ошибки, промахи оператора).

Предлагаемое решение: управление режимами работы и устройствами ОМ реализовать программным способом на современных микропроцессорных устройствах (ПЛК, Prom PC). Это позволит избежать человеческого фактора оперативного управления и убрать из системы громоздкие и сложные релейные шкафы.

3.2 Выбор контрольно-измерительного оборудования Выбираемое в этом подразделе оборудование служит для получения информации о состоянии технологических параметров (внутренних параметров ОМ).

3.2.1 Датчик давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 (Рис. 14) предназначены для измерения и непрерывного преобразования значения давления в унифицированный аналоговый токовый и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART/RS-485.

Рис. 14 Датчик давления Метран-100

Управление параметрами датчика: кнопочное, со встроенной панели; с помощью HART-коммуникатора или компьютера; с помощью программы IPC-Master и компьютера или программных средств АСУ ТП. Имеется встроенный фильтр радиопомех, внешняя кнопка установления «нуля». Непрерывная самодиагностика.

*Тип выходных сигналов зависит от типа датчика и встроенного микропроцессора

3.2.2 Массовый кориолисовый расходомер и плотномер MicroMotion

Кориолисовые расходомеры и плотномеры Micro Motion (Рис. 15) производства «Метран» предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объёмного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Расходомеры Micro Motion конструктивно состоят из сенсора расхода и микропроцессорного преобразователя. Выпускается 9 серий сенсоров и 9 моделей преобразователей, функциональные возможности которых отвечают самым различным требованиям.

Рис. 15 Сенсор Elite CMFS010 с преобразователем 2200

Для проектируемой системы выбираем сенсор серии Elite, модель CMFS010 (стандартная модель), и микропроцессорный преобразователь, модель 2200.

Основные характеристики сенсора и преобразователя

3.2.3 Термопреобразователи сопротивления ДТС Термопреобразователи ДТС (Рис. 16) применяются для измерения температуру масла во всех двигателях откачной машины. Полученные значения используются в качестве сигналов обратной связи для контроля допустимого температурного режима работы АД и, при необходимости (при перегреве), их остановки.

Характеристики термопреобразователей ДТС

Для проектируемой системы выбираем термопреобразователи ДТС044.

D = 8 мм, М = 12Ч1,5

L = 30 мм

*Длина кабельного вывода выбирается при заказе Рис. 16 Габаритные размеры термопреобразователя ДТС044

3.2.4 Полупроводниковые датчики температуры Honeywell TD4A.

Полупроводниковые датчики температуры Honeywell TD4A (Рис. 17) имеют линейный выход, малое время отклика и высокую точность, взаимозаменяемы без дополнительной калибровки. Чувствительный элемент — кремниевый кристалл с тонкоплёночной резистивной структурой.

Данные датчики применяются для измерения температуры теплообменников перед насосами 2ДВН-500 и АВЗ-180.

Рис. 17 Полупроводниковый датчик температуры Honeywell TD4A.

Основные характеристики датчика Honeywell TD4A

3.2.5 Блок измерения температуры ИТП-16

Блок ИТП-16 (Рис. 18) является разработкой сотрудников отдела электроники и автоматизации (ОЭА) ИФВЭ. Блок предназначен для измерения температур в диапазоне -25°C до +105°C с использованием полупроводниковых ИС температуры AD592. Блок имеет два встроенных гальванически развязанных интерфейса RS-485 и CAN.

Посредством этого блока будет производиться считывание информации с температурных датчиков Honeywell TD4A (температура теплообменников).

Рис. 18 Блок измерения температуры ИТП-16

Отличительные особенности:

· Высокая предварительно установленная точность: не хуже 0,5 °C при 25 °C;

· Превосходная линейность: не хуже 0,15 °C в диапазоне 0 … 70 °C;

· Широкий температурный диапазон: -25 … +105 °C;

· Широкий диапазон напряжения питания: +4 … +30 В;

· Высокая повторяемость и стабильность;

· Линейный токовый выход с крутизной 1мкА/K;

· Преобразователь температура/ток;

· Минимальная ошибка из-за саморазогрева;

Технические характеристики блока ИТП-16

3.3 Выбор управляющих устройств Управляющие устройства используются для непосредственного управления исполнительным оборудованием.

3.3.1 Трёхфазные частотно-регулируемые преобразователи ТРИОЛ АТ04

ТРИОЛ АТ04 — универсальный низковольтный 0.4 кВ трёхфазный частотно-регулируемый преобразователь для управления широким спектром производственных машин и механизмов, которые оснащены приводными низковольтными (класса напряжения 0.4 кВ) трёхфазными асинхронными электродвигателями (АМ) мощностью от 5.5 до 315 кВт. Ряд ТРИОЛ АТ04 содержит пятнадцать моделей электроприводов (005, 007, 011, 015, 022, 037, 055, 075, 090, 110, 132, 160, 200, 250, 315).

Основные параметры и технические характеристики

Функциональные возможности

Управление приводами можно осуществлять в ручном режиме, либо в автоматическом. Ручное управление осуществляется с пульта оператора, либо дистанционно. В автоматическом режиме регулирование частоты вращение электродвигателя происходит в замкнутой системе. Регулирование осуществляется либо встроенным программным ПИД-регулятором по сигналам с датчиков обратной связи, либо по математической модели управляемого процесса без датчиков обратной связи. В электроприводах ТРИОЛ реализовано скалярное и векторное управление работой.

Для приёма управляющих и задающих сигналов преобразователь содержит:

· 6 дискретных входов;

· до 6 аналоговых входов;

· 2 канала интерфейса RS-485 с поддержкой протокола Modbus;

Для управления внешними устройствами электропривод содержит:

· до 6 релейных выходов;

· 2 аналоговых выхода;

В преобразователях ТРИОЛ АТ04 предусмотрена возможность увеличения числа входов/выходов с помощью дополнительных встраиваемых субмодулей расширений.

Преобразователь способен измерять токи и напряжения на фазовых обмотках двигателя посредством встроенных датчиков.

Предусмотрены следующие аппаратные и программные защиты преобразователя и электродвигателя:

· От токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания;

· От замыкания на «землю»;

· От неполнофазного режима работы сети и электродвигателя;

· От перенапряжения на силовых элементах схемы;

· От недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

· От недопустимого перегрева силовых элементов схемы;

· От неисправностей и сбоев системы управления;

· От недопустимых отклонений технологического параметра;

Кроме вышеперечисленных видов защит, в преобразователе предусмотрены режимы ограничения минимальной и максимальной мощности, минимальной рабочей частоты, а также введение запрещённых (резонансных) рабочих частот. О текущем состоянии электропривода можно узнать по состоянию элементов индикации, либо по информации, выводимой на дисплей ПУ.

Выбор моделей силовых преобразователей.

Для выбора моделей силовых частотных преобразователей необходимо рассчитать полную мощность электродвигателя насоса и его номинальный ток.

Полная мощность электродвигателя рассчитывается по формуле:

Где Q — реактивная мощность электродвигателя.

Номинальный ток рассчитывается по формуле:

Определим полную мощность и номинальный ток электродвигателя АИР 112 М² (насос 2ДВН-500). Преобразователь должен быть рассчитан на мощность P = 7,5 кВт.

Вычисляем полную мощность электродвигателя:

Определяем номинальный ток двигателя:

Для управления данным электродвигателем выбираем преобразователь модели АТ04−11 исполнения IP21 (Рис. 19).

Определим полную мощность и номинальный ток электродвигателя АИР 132 М² (насос 2ДВН-1500). Преобразователь должен быть рассчитан на мощность P = 11 кВт.