Cистема автоматического управления электротермической линии ЭЛТА 8/45

1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

1.2 Назначение и цели создания системы

1.2.1 Назначение системы

1.2.2 Цели создания системы

1.3 Характеристики объекта автоматизации

1.3.1 Общие сведения об объекте автоматизации

1.3.2 Сведения об условиях эксплуатации

1.4 Требования к системе

1.4.1 Требования к структуре и функционированию системы

1.4.2 Требования к функциям системы

1.4.3 Требования к видам обеспечения

2. Техническое предложение

2.1 Выбор методов управления

2.2 Выбор технического обеспечения

2.3 Выбор программного обеспечения и структуры программного обеспечения проекта

2.4 Разработка структурных схем КТС

2.5 Визуализация технологического процесса

3. Разработка математической модели, синтез и программная реализация алгоритмов работы закалочной печи

3.1 Исследование тепловых процессов в закалочной печи

3.1.1 Построение модели нагрева закалочной печи

3.1.2 Модель нагревателя закалочной печи

3.1.3 Построение САР температуры для зоны нагрева

3.1.4 Определение коэффициентов передаточных функций модели нагрева закалочной печи и модели нагревателя

3.1.5 Определение передаточной функции датчика температуры

3.1.6 Передаточная функция преобразователя

3.2 Программирование алгоритмов работы устройств ЭЛТА 8/45

4. Технико-экономическое обоснование внедрения АСУ ЭЛТА

4.1 Исходные данные для расчета

4.2 Расчет экономической эффективности

4.2.1 Расчет временных затрат на разработку системы

4.2.2 Расчет затрат на разработку и ввод в эксплуатацию системы

4.2.3 Расчет затрат на внедрение системы

4.2.4 Расчет ожидаемой экономии по основным технико-экономическим показателям

4.2.5 Расчет ожидаемого годового экономического эффекта

4.2.6 Расчет коэффициента экономической эффективности и срока окупаемости системы

5. Безопасность труда в термическом цехе

5.1 Опасные факторы возникающие в процессе термической обработки

5.2 Обеспечение безопасной работы в условиях термического цеха

5.3 Методы расчета местной вентиляции в термическом цехе

5.4 Расчет вентиляции цеха

Заключение

Приложение А. Технические характеристики частотных преобразователей

MicroMaster

В конце прошлого века на российском рынке в огромных количествах появились автомобили, произведенные за рубежом, во многом превосходящие производимые в России. Для успешной конкурентной борьбы отечественной автопромышленности требовалось повышать качество автомобилей произве-денных внутри страны и, прежде всего, увеличить надежность двигателей. Соответственно выросли требования к конструктивным элементам двигателя.

В связи с повышением технических требований качеству металлических деталей производимых для автомобильной промышленности, увеличился процент изделий, не удовлетворяющих данным требования и, следовательно, относимым к браку. В технологическом процессе их изготовления, можно отметить, что наибольшее количество брака появляется на завершающей стадии технологической операции, а именно в процессе закалки. Чтобы определить причины, порождающие данное явление, для этого необходимо рассмотреть технологический процесс. Процесс закалки состоит из следующих стадий: закалка, мойка и сушка, отпуск. Для того чтобы обеспечить высокое качество продукции требуется тщательное соблюдение технологического процесса. Время и температура нагрева должны выдерживаться с точностью до долей процента, также требуется тщательно отслеживать состояние технических средств, на которых производиться термическая обработка. Однако большинство, применяемых сегодня, систем не способны обеспечивать заданную точность. Кроме того, качество обрабатываемой продукции зависит от человеческого фактора. Оператор, контролирующий выполнение технологического процесса, не может отслеживать все множество параметров от которых зависит процесс, ввиду того что, занимаясь длительной и монотонной работой быстро становится невнимательным.

Другая проблема быстрое устранение неисправностей возникающих в процессе работы технических средств и длительная переналадка оборудования при необходимости внести изменения в процесс.

Тем не менее, на сегодняшний день уже созданы технический средства, при помощи которых возможно решить указанные проблемы.

Применение АСУ (Автоматизированной Системы Управления) может обеспечить нормальный ход непрерывно протекающих процессов в системе управления процессом термообработки, освободит оператора от непосредственного выполнения функций управления процессом за счет передачи этих функций автоматическим устройствам. Сегодня системы автоматизации строятся преимущественно на базе промышленных контроллеров. Это обусловлено их высокой надежностью, и возможностью организовать систему визуализации техпроцесса, что в свою очередь позволяет тщательно контролировать процесс, быстро обнаруживать и устранять неисправности, возникающие в процессе работы. Таким образом, внедрив систему автоматизации на основе программируемого логического контроллера можно решить задачу поддержания постоянства параметров техпроцесса, снизить роль человеческого фактора в процессе термообработки, сократить время требуемое для устранения неисправностей возникающих в процессе работы системы.

1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

1.1.1 Полное наименование системы управления

Автоматизированная система управления электротермической линией ЭЛТА 8/45 (Далее АСУ ЭЛТА).

1.2 Назначение и цели создания системы

1.2.1 Назначение системы

Назначением автоматизированной системы управления электротермической линией ЭЛТА 8/45 является:

— обеспечение контроля состояния оборудования;

— автоматическое управление и защита технологического оборудования в процессе его работы;

— автоматическое поддержание стабильности заданных значений следующих параметров:

· время нахождения деталей в закалочной печи (ЗП);

· время нахождения деталей в отпускной печи (ОП);

· температура в закалочной печи по зонам;

· температура в отпускной печи по зонам;

· температура масла в закалочном баке;

· температуры моющего раствора в моечной машине;

· температуры обезжиривающего раствора в моечной машине;

· температуры в зоне сушки моечной машины;

· уровня масла в закалочном баке;

· уровня обезжиривающего раствора в моечной машине;

· уровня моющего раствора в моечной машине;

· веса порций загружаемых деталей;

— контроль параметров технологического процесса (ТП);

— визуализация ТП на автоматизированном рабочем месте (АРМ) оператора;

— светозвуковая сигнализация и выдача сообщений об аварийных ситуациях на АРМ оператора;

1.2.2 Цели создания системы

Целями создания АСУ ЭЛТА является:

— автоматизация управления технологическими процессами отделения термообработки;

— повышение надежности работы оборудования;

— повышение качества продукции;

— автоматизация сбора и хранения информации о работе линии термообработки;

— снижение влияния ошибок эксплуатационного персонала на процесс работы линии и качество продукции;

1.3 Характеристика объекта автоматизации

автоматический управление электротермический

1.3.1 Общие сведения об объекте автоматизации

Объектом автоматизации является электротермическая линия ЭЛТА 8/45, предназначенная для термической обработки металлических крепежных изделий.

Состав линии:

— устройство дозированной загрузки (загрузочное устройство);

— электропечь сопротивления закалочная;

— бак масляный закалочный;

— машина моечная конвейерная;

— электропечь сопротивления отпускная;

— бак охлаждения.

Загрузочное устройство подает детали дозированными порциями из металлического контейнера на конвейер закалочной печи через загрузочный шлюз. В закалочной печи должны поддерживаться заданная технологической программой температура в каждой из трех зон нагрева, а также скорость движения конвейера. Детали перемещаются конвейером через закалочную печь (в закалочной печи производится нагрев изделий до температуры аустенизации и выдержка изделий в печи в течении заданного времени) и подаются сквозь масляную завесу в закалочный бак, где происходит процесс закаливания и охлаждения. Масляная завеса создается для предотвращения попадания газов, образующихся при закалке деталей, в атмосферу закалочной печи.

Далее конвейером закалочного бака детали перемещаются в моечную машину, где подвергаются обезжириванию, мойке и сушке. В моечной машине контролируется и поддерживается постоянство температуры обезжиривающего и промывочного растворов, температуры воздушного потока для сушки изделий, создаваемого калорифером. Затем изделия загрузочным устройством подаются на конвейер отпускной печи. В отпускной печи необходимо поддерживать постоянную температуру в каждой из трех зон нагрева в соответствии с выбранной технологической программой. Из отпускной печи изделия подаются в бак охлаждения. Охлажденные детали выгружаются конвейером в тару готовой продукции для дальнейшей транспортировки.

1.3.2 Сведения об условиях эксплуатации

Технические средства, расположенные в помещении цеха и операторной, должны иметь эксплуатационные характеристики, соответствующие следующим условиям:

— температура +15ч45єС;

— относительная влажность не более 90%;

— атмосферное давление 0,84ч1,07 кгс/см2;

— содержание пыли до 1 мг/м3;

— режим эксплуатации — круглосуточный.

1.4 Требования к системе

1.4.1 Требования к структуре и функционированию системы

1.4.1.1 Структура системы

В соответствии с назначением в АСУ ЭЛТА должны входить следующие подсистемы:

I. Подсистема управления линией термообработки;

II. Подсистема управления загрузкой;

III. Подсистема управления закалочной печью;

IV. Подсистема управления закалочным баком;

V. Подсистема управления моечной машиной;

VI. Подсистема управления отпускной печью;

VII. Подсистема управления баком охлаждения;

VIII. Подсистема отображения технологических процессов (АРМ оператора).

Подсистемы II — VII предназначены для преобразования сигналов от подсистемы управления линией термообработки в непосредственное воздействие на исполнительные механизмы и выдачи в подсистему управления линией термообработки информации о состоянии оборудования.

Подсистема управления линией термообработки должна включать в себя:

— программируемый логический контроллер (ПЛК) с модулями ввода-вывода и коммуникационными модулями, управляющий остальными подсистемами в соответствии с загруженной в него программой;

— средства гальванической развязки цепей контроллера от силовых цепей;

— источник бесперебойного питания;

— автоматические выключатели;

— промежуточные реле;

— - источники питания 24VDC и т. д.

Подсистемы управления закалочной и отпускной печами должны включать в себя:

— вторичные преобразователи датчиков технологических параметров, относящихся к печам;

— астотные преобразователи (ЧП) управления двигателями конвейеров печей;

— блоки управления силовыми ключами нагревателей;

— коммутационную и защитную аппаратуру всех электрических исполнительных механизмов, относящихся к данным печам.

Подсистемы управления загрузкой, управления закалочным баком, управления моечной машины, охлаждающим баком должны включать в себя:

— вторичные преобразователи датчиков технологических параметров, установленных и/или относящихся к этим подсистемам;

— частотные преобразователи управления двигателями конвейеров;

— блоки управления силовыми ключами вибропитателей и нагревателей;

— коммутационную и защитную аппаратуру всех агрегатов и исполнительных механизмов, относящихся к данным подсистемам.

Подсистема отображения технологических процессов должна включать в себя автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, состоящее из панельного компьютера с установленным на него программным обеспечением, выполняющим функции HMI (human-machine interface — человеко-машинный интерфейс).

Структура АСУ ЭЛТА представлена на рисунке 1.

Рисунок 1- Структура АСУ ЭЛТА

1.4.1.2 Требования к способам и средствам связи для информационного обмена между компонентами системы

Информационный обмен между частотными преобразователями (ЧП) и ПЛК необходимо осуществлять по шине ProfiBus.

Для выдачи аварийных сигналов на останов приводов и получения сигналов состояния привода необходимо использовать дискретные цифровые входы/выходы ЧП.

Информационный обмен между ПЛК и АРМ оператора должен осуществляться по промышленной сети, на основе протоколов семейства Simatic S7 PROTOCOL SUITE.

1.4.1.3 Требования к режимам функционирования системы

АСУ ТП электротермической линии должна функционировать в непрерывном круглосуточном режиме. Должно быть обеспечено управление линией и отдельными агрегатами в следующих режимах:

- автоматический;

— наладочный;

— дежурный;

— сушка.

Режим работы «Автоматический»: электротермическая линия должна работать автоматически по заданной программе, поддерживаться заданные температурные режимы, скорости конвейеров, производиться автоматическая загрузка деталей.

Режим работы «Наладочный» предназначен для проверки работоспособ-ности, настройки и регулировки исполнительных механизмов. В режиме работы «Наладочный» необходимо предусмотреть возможность включения и выключения отдельных элементов (электродвигателей, нагревателей, насосов, вентиляторов и пр.) по командам оператора.

Режим работы «Дежурный» предназначен для поддержания электротерми-ческой линии при минимально допустимой температуре в печах с целью экономии энергозатрат при длительном отсутствии полезной загрузки. В данный режим линия может быть переведена оператором. Параметры режима могут быть заданы (изменены) технологом.

Режим работы «Сушка» предназначен для подготовки печей к работе по заданным режимам нагрева после ремонта или длительного простоя с выключением нагревателей. В данный режим работы линия может быть переведена оператором. Параметры режима могут быть заданы (изменены) технологом.

1.4.1.4 Требования по диагностированию системы

Система должна обеспечивать бесперебойное функционирование с высокой степенью надежности. В случае сбоя или отказа восстановление системы должно обеспечиваться за короткий срок. Для этого система должна обеспечивать следующие возможности:

— оперативную диагностику технических средств (для диагностирования должны использоваться стандартные средства диагностики оборудования подсистем автоматического управления технологическими процессами и передачи данных);

— наличие встроенной диагностики аппаратных средств.

1.4.1.5 Требования к показателям назначения

АСУ ЭЛТА должна обеспечивать следующие показатели назначения:

- получение информации о состоянии оборудования и параметрах ТП от датчиков системы с интервалом не более 1 с;

— должна обеспечиваться автономная работа подсистемы управления электротермической линией от источника бесперебойного питания в течение не менее 15 минут после отключения питающего напряжения;

— отклонение массы деталей одной порции деталей, загружаемой в закалочную печь, от заданной, не должно превышать -0,5ч+2 кг;

— отклонения температур не должны превышать ± 5 єС от заданных значений;

— отклонение скоростей конвейеров, управляемых частотными преобразователями, не должны превышать ± 0,5% от заданного значения;

— период опроса и обновления технологических данных ТП на экране АРМ оператора — не более 3 секунд;

— включение аварийной и предупредительной сигнализации и выдачу текстового сообщения, содержащего описание события, в случае возникновения аварийной ситуации, или о наступлении события, о котором необходимо предупредить оператора;

— глубина архива системы должна быть не менее 3-х месяцев.

1.4.1.6 Показатели надежности

Для системы АСУ ТП должны быть установлены следующие показатели надежности (в соответствии с ГОСТ 27.002−89 и ГОСТ 27.003−90):

- средняя наработка на отказ, часов;

— срок службы, лет.

1.4.1.7 Требования к показателям надежности

Система АСУ должна иметь следующие значения показателей надежности:

- средняя наработка на отказ — не менее 10 000 часов;

— срок службы при условии выполнения регламентных работ и замены комплектующих устройств не менее 10 лет.

1.4.1.8 Требования по безопасности

Технические средства АСУ ЭЛТА должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.1.030−81, «Межотраслевым правилам по охране труда при эксплуатации электроустановок» и «Правилами устройства электроустановок» (ПУЭ-2002). Оборудование АСУ ТП должно быть подключено к отдельному контуру заземления (СНиП 3.05.07−00).

1.4.1.9 Требования к защите информации от несанкционированного доступа

Для обеспечения нормального функционирования системы, предотвращения нарушения информации от случайных воздействий со стороны эксплутационного и обслуживающего персонала, не имеющего доступа к отдельным функциям системы, должна быть предусмотрена защита информации от несанкционированного доступа. Это должно быть достигнуто идентификацией личности пользователя при помощи пароля.

Должна быть предусмотрена следующая градация по уровню доступа:

— оператор;

— технолог;

— администратор системы (инженер-программист).

1.4.1.10 Требования к стандартизации и унификации

Система должна отвечать общим принципам стандартизации и унификации:

- открытость и способность к наращиванию;

— модульный принцип построения технических и программных средств;

— использование стандартных протоколов обмена информации;

— возможность наращивания аппаратных и программных средств при изменении количества и масштабов используемых подсистем;

— применение стандартных средств разработки приложений.

Для отображения информации должны быть использованы стандартные символьные обозначения. При этом условные обозначения, используемые в системе, должны быть приближены к терминам и понятиям, применяемым персоналом Заказчика, и не должны вызывать трудностей при их восприятии.

При разработке должны быть проанализированы и использованы прогрессивные технические решения аналогичных систем.

1.4.2 Требования к функциям системы

1.4.2.1 Требования к функциям подсистемы управления линией термообработки

Подсистема должна выполнять следующие функции:

- сбор значений температуры закалочной среды в электропечах, температуры масла в закалочном баке и обезжиривающего раствора в моечной машине;

— сбор значений давления и расхода эндогаза и азота;

— получение сигналов о состоянии загрузочного устройства и сигналов с пульта управления загрузочным устройством;

— выработка сигналов управления клапанами, регулирующими подачу газов, вентиляторами и электронагревателями в печах;

— выработка сигналов управления приводами конвейеров;

— включение аварийной звуковой и световой сигнализации;

Сигналы контроля и управления должны поступать в ПЛК. Обработку входных сигналов от датчиков и от технологического оборудования, выработку управляющих воздействий на оборудование, а также защитное отключение оборудования и закрытие регулирующих клапанов необходимо осуществлять в соответствии с описанием технологического процесса.

Значения диапазонов измерения датчиков, порогов срабатывания аварийной и предупредительной сигнализации, а также перечень аварийных защит и отключений должны быть предоставлены Заказчиком в виде «Карты технологических уставок» до начала пусконаладочных работ. Для организации обмена данными между АРМ оператора и ПЛК должны использоваться стандартные протоколы семейства Simatic S7 PROTOCOL SUITE.

1.4.2.2 Требования к функциям подсистемы управления загрузкой

Подсистема управления устройством загрузки должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы для ПЛК о состоянии оборудования;

— дозировать загрузку деталей в закалочную печь.

1.4.2.3 Требования к функциям подсистемы управления закалочной печью Подсистема управления закалочной печью должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать получение и исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы о состоянии оборудования;

— поддерживать заданные температуры в закалочной печи по зонам нагрева;

— поддерживать заданную скорость конвейера;

— поддерживать равномерность температуры между зонами.

1.4.2.4 Требования к функциям подсистемы управления закалочным баком

Подсистема управления закалочным баком должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать получение и исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы о состоянии оборудования;

— поддерживать заданную температуру масла;

— поддерживать уровень масла;

— поддерживать заданную скорость конвейера.

1.4.2.5 Требования к функциям подсистемы управления моечной машиной

Подсистема управления моечной машиной должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать получение и исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы о состоянии оборудования;

— поддерживать заданные температуры обезжиривающего и моющего растворов, воздушного потока сушки;

— поддерживать уровень моющего и обезжиривающего растворов;

— поддерживать заданную скорость конвейера.

1.4.2.6 Требования к функциям подсистемы управления отпускной печью Подсистема управления отпускной печью должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать получение и исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы о состоянии оборудования;

— поддерживать заданные температуры в закалочной печи по зонам нагрева;

— поддерживать заданную скорость конвейера;

— поддерживать равномерность температур между зонами.

1.4.2.7 Требования к функциям подсистемы управления баком охлаждения

Подсистема управления баком охлаждения должна выполнять следующие функции:

— обеспечивать получение и исполнение сигналов управления от подсистемы управления линией термообработки;

— формировать сигналы о состоянии оборудования;

— поддерживать заданную температуру раствора;

— поддерживать уровень раствора;

— поддерживать заданную скорость конвейера.

1.4.2.8 Требования к функциям подсистемы отображения технологических процессов

АРМ оператора должна выполнять следующие функции:

- обеспечивать оконный интерфейс управления;

— обеспечивать выбор режима работы при помощи меню;

— обеспечивать ввод технологических процессов для различных деталей;

— обеспечивать выбор технологических процессов и типа обрабатываемых деталей из сформированной библиотеки;

— квитирования оператором предаварийных и аварийных сообщений.

1.4.3 Требования к видам обеспечения

1.4.3.1 Требования к математическому обеспечению

Математическое обеспечение системы должно обеспечивать реализацию функций системы, и содержать алгоритмы, разработанные на основе описания технологического процесса.

Должны быть разработаны следующие алгоритмы:

— алгоритмы управления работой загрузочного устройства;

— алгоритмы управления работой нагревательных элементов в закалочной и отпускной печах;

— алгоритмы управления работой приводов конвейеров;

— алгоритмы управления работой насосов масляной завесы, циркуляции масла, водяной завесы, циркуляции охлаждающего раствора;

— алгоритмы управления работой клапанов подачи воды на охлаждение, подпитки обезжиривающего и моющего растворов в моечной машине, подачи эндогаза и азота.

1.4.3.2 Требования к информационному обеспечению

В системе должна использоваться единая система классификации и кодирования. В то же время должна обеспечиваться поддержка существующих у заказчика классификаторов в целях совместимости с принятой у него нормативно-справочной базой и комплексирования с существующими смежными системами.

Информационное обеспечение системы должно включать описание следующих массивов данных:

- перечень наблюдаемых системой АСУ ЭЛТА технологических данных и состояний оборудования;

— перечень управляющих воздействий;

— перечень используемых в приложениях текстовых и графических окон;

— перечень сообщений;

— перечень отчетов.

1.4.3.3 Требования к лингвистическому обеспечению

К лингвистическому обеспечению системы АСУ ЭЛТА (согласно ГОСТ 24.104−85) предъявляются следующие требования:

- стандартизация обозначений переменных, применяемых в АСУ ЭЛТА;

— удобство и однозначность общения пользователей со средствами АСУ ЭЛТА;

— использование стандартных языков программирования, а именно:

· перечень отчетов для программирования контроллеров должны использоваться языки, совместимые со стандартом IEC 6113−03, входящие в состав Simatic Step7;

· для программирования приложений АРМ оператора должны быть использованы стандартные языки программирования, входящие в состав WinCC 6.0.

1.4.3.4 Требования к программному обеспечению Программирование ПЛК должно осуществляться на основе программного пакета Simatic Step7.

АРМ оператора должно программироваться с использованием SCADAпакета WinCC v6.0.

На АРМ оператора должна быть установлена операционная система MS Windows XP.

1.4.3.5 Требования к техническому обеспечению

В состав оборудования АСУ ЭЛТА должны входить:

— программируемый логический контроллер, нормализаторы аналоговых сигналов, промежуточные реле, источник бесперебойного питания, клеммные соединители, лотки;

— блоки управления силовыми ключами нагревателей ОП и ЗП;

— частотные преобразователи и коммутационная аппаратура приводов, клапанов и вентиляторов, нагревателей;

— панельные компьютеры промышленного исполнения, имеющих клавиатуру, манипулятор (Track Ball, Touch Pad), цветной экран с диагональю не менее 12″;

— средства аварийной сигнализации.

Для обеспечения связи между АРМ оператора и ПЛК по промышленной шине должны быть предусмотрены специальные коммуникационные модули. Оборудование комплекса технических средств АСУ ЭЛТА должно быть смонтировано в электротехнические шкафы. В шкафах должны быть предусмотрены системы контроля температуры и вентиляция.

Прокладка кабелей и проводов внутри шкафов должна осуществляться в пластиковых кабель-каналах. Провода цепей управления 24VDC и 220/380 VAC должны прокладываться раздельно.

Частотные преобразователи (ЧП) должны комплектоваться базовой панелью оператора (BOP-Basis Operator Panel) и коммуникационными модулями ProfiBus, устанавливаемыми непосредственно на ЧП.

Должна быть предусмотрена гальваническая развязка между силовыми цепями и цепями контроллера.

2. Техническое предложение

2.1 Выбор методов управления Процесс термической обработки зависит от целой группы различных по своему физическому смыслу, но взаимосвязанных параметров влияющих на качество изготавливаемой продукции.

Как объект управления электротермическая линия распадается на множество меньших объектов, каждый из которых связан с остальными.

Электротермическую линию сложно однозначно отнести к дискретным или непрерывным системам, так как в электротермической линии протекают как дискретные процессы, так и непрерывные. Отметим, что непрерывными процессами в системе являются только процессы, связанные с изменением температур и скоростей, то есть работа двигателей конвейеров и нагревателей в печах. Все остальные процессы (открытие/закрытие клапанов, заслонок закалочной печи, включение/отключение любых устройств электротермической линии) являются дискретными.

Большинство процессов протекающих в устройствах электротермической линии, являются дискретными. Очевидно, что для управления устройствами линии следует применить дискретно-логическое управление, поскольку для любого устройства электротермической линии есть группа дискретных состояний, в которых оно может находиться, а переходы между состояниями происходят по условиям, которые можно представить только как дискретные сигналы.

В зависимости от решаемой задачи для синтеза логического аппарата можно применить следующие методы логического синтеза: метод синтеза дискретно-логических систем управления на основе циклограмм работы механизмов и метод ориентированных графов[6,17]. Будем применять как основной — метод ориентированных графов и теорию конечных автоматов [20], так как при синтезе логического аппарата на основе циклограмм невозможно учесть аварийные состояния объекта и следовательно получить полные алгоритмы работы устройств для любых ситуаций возможных в работе.

Система логического управления представима с помощью двух взаимодействующих моделей: модели управляемой системы (в нашем случае устройств электротермической линии) модели системы управления (АСУ ЭЛТА). Алгоритм логического управления синтезируется по модели поведения объекта управления. Можно использовать следующую последовательность синтеза алгоритма управления:

— моделирование поведения объекта управления;

— описание связи переменных модели поведения объекта и устройства управления;

— синтез алгоритма логического управления как модели поведения устройства управления.

Выберем в качестве аппарата моделирования поведения ОУ теорию конечных автоматов, в которой конечный автомат представляется кортежем множеств:

; (2.1)

где Х — множество входных переменных;

S — множество внутренних переменных состояния;

Y — множество выходных переменных;

Fперех — функция переходов;

Fвых — функция выходов.

Таким образом, моделирование поведения объекта управления сведётся к перечислению множеств X, Y, S и определению функций переходов и выходов.

Состояния элементов электротермической линии зависят от внутренних состояний устройств и входных переменных, для описания таких объектов применяется конечный автомат четвертого рода — автомат Милли.

Структура автомата Милли представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Автомат Милли Используем понятия «состояние», «подсостояние» и «наблюдаемость» при составлении алгоритмов, для того чтобы наглядно представлять поведение управляющих автоматов и композиций из них. В работе будем рассматривать два вида состояний:

— желаемые, то есть состояния связанные с нормальной работой системы;

— аварийные, связанные с нарушением алгоритмов нормальной работы электротермической линии.

Наиболее важной задачей при проектировании системы автоматизации электротермической линией является управление температурой, так как качество обрабатываемой продукции, непосредственно связанно с точность поддержания температуры в закалочной и отпускной печах. Для того чтобы определить характер процессов нагрева, протекающих в печах и оценить их качество, необходимо построить математическую модель нагрева.

Для построения модели рассмотрим закалочную печь как объект управления. Закалочная печь состоит из трех зон нагрева, в каждой из которых должна поддерживать постоянная температура. В каждой из зон нагрева располагается нагреватель, чьи спирали располагаются на стенах печи. Через все зоны печи движется конвейер. Каждая из зон нагрева закалочной печи можно представить как тепловую систему, состоящую из нагревателя, атмосферы зоны, стенок печи. Поскольку зоны нагрева закалочной печи почти идентичны, достаточно построить модель одной зоны закалочной печи.

Из курсов физики и математического моделирования систем [12], известно, что основными физическими свойствами технических объектов любой физической природы являются — инерционные, упругие и диссипативные. Они отображаются в динамических моделях соответственно инерционными, упругими и диссипативными элементами. Однако тепловая система, которую мы рассматриваем, не обладает инерционными свойствами, это следует из того, что падение температуры вдоль дискретного элемента не зависят от скорости изменения теплового потока, а зависит лишь от его абсолютной величины. Следовательно, модель зоны нагрева электрической печи можно представить группой взаимосвязанных простых элементов: упругих и диссипативных. Состояние простого элемента характеризуется одной переменной типа потока и одной переменной типа потенциала. Для тепловой системы переменной типа поток является Ф — тепловой поток, а переменной типа потенциал Ттемпература. Зависимость между этими переменными называют компонентным уравнением. Компонентное уравнение упругого элемента для тепловой системы в общем случае выглядит следующим образом:

(2.1)

где СТ — удельная теплоемкость вещества в котором распространяется тепловой поток, ;

Фи — тепловой поток расходуемый на нагрев вещества, Дж/с.

Компонентное уравнение диссипативного элемента для тепловой системы в общем случае выглядит следующим образом:

(2.2)

где Тд — разница между температурой нагреваемого тела и температурой среды в которую рассеивается тепловая энергия, єС;

мТ — коэффициент конвективного теплообмена, ;

Фд — тепловой поток, рассеиваемый нагретым телом, Дж/с.

На поверхностях контакта твердого тела с жидкостной или газовой средой осуществляется конвективный теплообмен. Для конвективного теплообмена коэффициент теплового сопротивления определяется по формуле:

(2.3)

где — коэффициент конвективного теплообмена, ;

— площадь контакта твердого тела с газом или жидкостью, м2.

Для получения полной математической модели технической системы необходимо объединить все компонентные уравнения элементов в общую систему уравнений. Объединение осуществляется на основе физических законов выражающих, условия равновесия и непрерывности физических переменных. Уравнения этих законов называют топологическими уравнениями. Они описывают характер взаимодействия между простыми элементами, устанавливая соотношения между однотипными переменными.

Условия равновесия записываются для фазовой переменной типа потенциала (в рассматриваемой системе температура):

(2.4)

Условия непрерывности — для переменных типа потока (для рассматриваемой системы тепловой поток):

(2.5).

Для построения модели воспользуемся методом электроаналогий [12,16]. Метод электроаналогии — это один из методов имитационного моделирования опирающийся на единообразие физических законов. Поскольку именно электрические схемы обладают наибольшей наглядностью и изученностью, то благодаря единству формы уравнений математического представления объектов различной физической природы, исследование явлений в неэлектрической системе может быть заменено исследованием процессов в электрической цепи. Сравнивая компонентные и топологические уравнения, можно отметить очевидность динамических аналогий между тепловой и электрической системами. Для топологических уравнений тепловой системы аналогами являются законы Кирхгофа. Для компонентных уравнений тепловой системы — закон Ома и уравнение конденсатора:

(2.6)

где — напряжение, В;

I — ток, А;

С — емкость, мкФ.

В результате моделирования были получены графики переходного процесса протекающего в замкнутом контуре регулирования температуры в зоне нагрева закалочной печи, при нагреве от температуры цеха до минимальной рабочей (810 єС). График переходного процесса в системе при нагреве представлен на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2- График переходного процесса в зоне нагрева закалочной печи.

Из графика можно определить, что время нагрева печи от начальной температуры (температура атмосферы цеха) до минимальной рабочей температуры составляет около двух с половиной часов. Перерегулирование отсутствует.

Рассмотрим также переходные процессы, протекающие в системе при появлении возмущающих воздействий. В качестве возмущающих воздействий выступают снижение температуры в печи, связанные с потерей тепла при открытии заслонок шлюзования, с целью загрузки деталей в печь. Потери тепла при однократном открытии заслонок шлюзования малы, но так как открытие заслонок шлюзования происходит многократно, то следует удостоверится в том что температура в печи не выйдет за допустимые пределы (± 5єС от установившегося значения). Процессы, протекающие в системе при подаче таковых возмущений, представлены на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Переходной процесс, протекающий в системе при появлении возмущающих воздействий.

Отметим, что при появлении серии скачкообразных возмущений температура в печи не вышла за пределы допустимых значений, (± 5єС от установившегося значения).

Опираясь на полученные характеристики можно сделать вывод, что система не нуждается в применении дополнительного регулятора, так как показатели качества процесса вполне удовлетворяют требованиям, указанным в техническом задании.

Для управления температурой целесообразно будет применить широтно-импульсное регулирование, так как широтно-импульсное регулирование позволяет обеспечить высокую плавность регулирования.

Импульсные методы регулирования основаны на изменении количества энергии, подводимой к объекту управления (в нашем случае к нагревателю). В этом случае к нагревателю подводится последовательность импульсов неизменного напряжения (U) и работа нагревателя состоит из периодов Т (нагрев — охлаждение). Требуемый нагрев должен соответствовать среднему значению за период Т и будет определяться относительной продолжительностью включения (скважностью) импульсов г:

(2.7)

где tИ — длительность импульса;

tП — длительность паузы.

Импульсное регулирование нагрева может быть осуществлено при помощи различных преобразователей: широтно-импульсных, частотно-импульсных и широтно-частотно-импульсных.

При импульсном управлении мгновенное значение теплового потока будет непрерывно колебаться в определенных пределах. При этом размах колебаний будет тем меньше, чем больше теплоемкости к периоду следования импульсов. Следовательно, с ростом частоты управляющих импульсов размах колебаний теплового потока уменьшается. Отметим, что среднее значение теплового при этом остается неизменным, что наиболее важно с точки зрения поддержания температуры в печи. Оно может быть изменено только путем изменения скважности импульсов за счет изменения их длительности (2.7). С ростом скважности импульсов, подаваемых на нагреватель, среднее значение температуры в печи также растет.

В техническом задании поставлена задача регулирования скоростей двигателей конвейеров электротермической линии. В электротермической линии применяются асинхронные двигатели, это обусловлено рядом преимуществ асинхронных двигателей, таких как высокая надежность, низкая стоимость, простота изготовления и эксплуатации.

Из теории электропривода известно, что скорость вращения вала асинхронного двигателя зависит от конструктивных параметров электродвигателя, момента нагрузки и частоты напряжения питающей сети, это следует из уравнений механической характеристики асинхронного двигателя (3.1) и формулы (3.2):

(3.1)

где щ0 — синхронная угловая скорость (скорость холостого хода), рад/с;

Uф — первичное фазное напряжение, В;

X1 — первичное приведенное реактивное сопротивление, Ом;

— вторичное приведенное реактивное сопротивление, Ом;

R1 — первичное приведенное активное сопротивление, Ом;

— вторичное приведенное активное сопротивление, Ом;

(3.2)

где s — скольжение;

p — число пар полюсов асинхронного двигателя;

f — частота питающей сети, Гц.

Очевидно, для получения качественного регулирования необходимо изменять последний параметр, т. е. частоту питания. Для этой цели применяются преобразователи частоты. Преобразователь частоты — это устройство, преобразующее электрическую энергию с параметрами U1, f1(в нашем случае 380 В, 50 Гц) в электрическую энергию с параметрами U2, f2. Частотные преобразователи можно разделить на преобразователи частоты со скалярным и векторным управлением. Такое деление обусловлено необходимостью, управлять не только частотой на выходе преобразователя, но и напряжением. Алгоритм вычисления значения напряжения и определяет способ управления. В преобразователях частоты со скалярным управлением значение напряжения определяется из зависимости U (f), которая, как правило, рассчитывается методом линейной интерполяции по нескольким базовым точкам. Имеется возможность изменять значение этих точек.

В преобразователях частоты с векторным управлением значение напряжения рассчитывается методом моделирования процессов, проходящих в асинхронном двигателе. В этом случае пользователю необходимо задать параметры двигателя. Очевидно, что второй способ управления позволяет осуществлять более качественной управление электродвигателем. Однако настройка такого преобразователя частоты требует довольно глубоких познаний в области электропривода и электрических машин. Скалярный же способ управления обеспечивает достаточно хорошее качество регулирования, даже с использованием заводских настроек частотного преобразователя. Использование векторного управления электроприводами конвейеров вряд ли даст существенный выигрыш в сравнении со скалярным. Следовательно, применение векторного управления в нашем случае является нецелесообразным. Для управления скоростями конвейеров будем использовать скалярное управление.

Рассмотрим более подробно структурную схему преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Структурная схема преобразователя частоты представлена на рисунке 2.2. Основу преобразователя составляет трехфазный инвертор напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Система управления преобразователя выполнена на базе программируемого микропроцессорного контроллера (МК). В АИН преобразование постоянного напряжения в трехфазное переменное осуществляется в мостовом транзисторном инверторе, собранном на трех транзисторно-диодных модулях. Каждый модуль содержит два IGBT-транзистора с шунтирующими обратными диодами. IGBT-транзисторы переключаются многократно в течение периода выходной частоты в соответствии с ШИМ-алгоритмом МК.

Алгоритм ШИМ-управления поддерживает требуемое регулирование частоты и действующего значения основной гармоники выходного напряжения, обеспечивая при этом синусоидальность формы тока нагрузки.

Рисунок 2.3 — Структурная схема преобразователя частоты Современные преобразователи частоты являются интеллектуальными устройствами, использующими микроконтроллеры достаточно высокой производительности, в современных преобразователях имеется ряд дополнительных опций и расширений, позволяющих создавать несложные системы автоматического управления без использования контроллеров.

Рассмотрим подробнее ряд таких расширений, которые есть практически во всех современных преобразователях частоты.

Аналоговые выходы — позволяют наглядно представить значение какого-нибудь параметра. Однако использования их в системах автоматизации нецелесообразно, так как они, как правило, имеют малую мощность и неудовлетворительное качество.

Аналоговые входы — позволяют подавать сигналы от датчиков напрямую в преобразователь частоты, без использования каких-либо дополнительных устройств. Как правило, используются унифицированные типы сигналов (0 — 5 В, 0 — 10 В, 4 — 20 мА), так что согласующие устройства не требуются. Кроме того, имеется возможность использования внутреннего питания преобразователя для подключения потенциометра, например, для задания частоты вращения.

Дискретные входы — позволяют управлять преобразователем частоты с кнопок, установленных на лицевой панели шкафа, или с поста управления.

Дискретные выходы — используются для сигнализации режимов работы преобразователя.

В современных преобразователях предусмотрена возможность подключения его в промышленную сеть. Обычно используется протокол RS-485. Соединение преобразователей в сеть позволяет построить более сложную систему автоматического управления технологическими процессами с использованием контроллеров и промышленных компьютеров.

К достоинствам современных частотных преобразователей можно отнести ниже перечисленные факторы.

Плавное регулирование скорости вращения электродвигателя позволяет в большинстве случаев отказаться от использования редукторов, вариаторов, дросселей и другой регулирующей аппаратуры, что значительно упрощает управляемую механическую (технологическую) систему, повышает ее надежность и снижает эксплуатационные расходы.

Частотный пуск управляемого двигателя обеспечивает его плавный без повышенных пусковых токов и механических ударов разгон, что снижает нагрузку на двигатель и связанные с ним передаточные механизмы, увеличивает срок их эксплуатации. При этом появляется возможность по условиям пуска снижения мощности приводных двигателей нагруженных механизмов.

Встроенный микропроцессорный ПИД-регулятор позволяет реализовать системы регулирования скорости управляемых двигателей и связанных с ним технологических процессов.

Применение обратной связи системы с частотным преобразователем обеспечивает качественное поддержание скорости двигателя или регулируемого технологического параметра при переменных нагрузках и других возмущающих воздействиях.

Частотный преобразователь в комплекте с асинхронным электродвигателем может применяться для замены приводов постоянного тока.

Частотный преобразователь в комплекте с программируемым микропроцессорным контроллером может применяться для создания многофункциональных систем управления электроприводами, в том числе с резервированием механических агрегатов. Таким образом возможно добиться точного поддержания скорости двигателя используя только возможности микропроцессорного частотного преобразователя.

Устройства электротермической линии работают в соответствии с представленными ниже алгоритмами.

Алгоритм блока управления клапаном.

Блок предназначен для:

— управления клапаном;

— формирования слова состояния клапана.

На рисунке 2.4 представлена модель блока управления клапаном типа «черный ящик».

Рисунок. 2.4 — Модель блока управления клапаном типа «черный ящик»

Входной информацией для данного блока являются переменные представленные в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Входные данные блока управления клапаном

Выходной информацией являются переменные представленные в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Выходные данные блока управления клапаном

Формирование слова состояния и управление клапаном производится в соответствии с графом его состояний представленном на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 — Граф алгоритм работы блока управления клапаном

Граф формирует возможные состояния клапана. Описание состояний приводится в таблице 2.3.

Таблица 2.3 — Состояния клапана

Алгоритм блока управления конвейером.

Блок предназначен для:

— управления конвейером;

— формирования слова состояния конвейера.

На рисунке 2.6 представлена модель блока управления конвейером типа «Черный ящик».

Рисунок. 2.6 — Модель блока управления конвейером типа «черный ящик»

Входной информацией для данного блока являются переменные представленные в таблице 2.4.

Таблица 2.4 — Входные данные блока управления конвейером

Выходной информацией являются переменные представленные в таблице 2.5

Таблица 2.5 — Выходные данные блока управления конвейером

Формирование слова состояния и управление конвейером производится в соответствии с графом его состояний представленном на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 — Граф алгоритм работы блока управления конвейером

Граф формирует возможные состояния конвейера. Описание состояний приводится в таблице 2.6.

Таблица 2.6 — Состояния конвейера

Таблица 2.6 — продолжение

Алгоритм блока управления вентилятором.

Блок предназначен для:

— управления вентилятором;

— формирования слова состояния вентилятора.

На рисунке 2.8 представлена модель блока управления вентилятором типа «Черный ящик».

Рисунок. 2.8 — Модель блока управления вентилятором типа «черный ящик»

Входной информацией для данного блока являются переменные представленные в таблице 2.7.

Таблица 2.7 — Входные данные блока управления вентилятором

Выходной информацией являются переменные представленные в таблице 2.8.

Таблица 2.8 — Выходные данные блока управления клапаном