Автоматизация насосной станции участка термоупрочнения арматуры

• ВВЕДЕНИЕ 2
• 1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 3
• 2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ 8
• 2.1 Разработка схемы автоматизации 8
• 2.1.1 Основные компоненты объекта автоматизации 9
• 2.1.2 Выбор используемых датчиков 14
• 2.2 Разработка электрической схемы 22
• 2.3 Выбор исполнения корпуса шкафа контроллера 40
• 3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ ПРОГРАММЫ ДЛЯ КОНТРОЛЛЕРА SIEMENS S7−300. 43
• 4 ВИЗУАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ ОБЪЕКТА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ SCADA-СИСТЕМЫ. 46
• 5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 50
• 6 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 53
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 56

ПРИЛОЖЕНИЯ

Проблема неправильного или некачественного обслуживания технологических объектов производства является актуальной в современном мире. Она может стать причиной аварий на производстве, травм сотрудников предприятий и существенных затрат. Поэтому необходимо принимать меры по решению подобных проблем.

Одним из самых действенных способов по преодолению проблем обслуживания технических объектов предприятий является автоматизация, то есть использование саморегулирующихся технических средств и математических методов с целью существенного уменьшения степени участия человека в обслуживании или уменьшения трудоемкости выполняемых операций.

В дипломном проекте объектом автоматизации выбрана насосная станция, расположенная в прокатном цехе, на участке термоупрочнения арматуры. Источником информации о выбранном объекте автоматизации являются материалы преддипломной практики, в которых он подробно описан.

Цели создания системы автоматического управления насосной станцией:

· обеспечение сбора, обработки и хранения информации, влияющей на работу насосных агрегатов;

· автоматическое управление работой насосных агрегатов;

· уменьшение вероятности появления аварии по вине сотрудников предприятия и нанесения ущерба их здоровью;

· уменьшение затрат на управление насосными агрегатами;

· автоматическая сигнализация, предупреждающая работников предприятия об аварии.

1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ

В соответствии с техническим заданием необходимо разработать систему автоматического управления насосной станцией участка термоупрочнения арматуры. Для этого необходимо провести анализ объекта автоматизации (на основе технического задания).

В объект автоматизации входят:

— 3 насосных агрегата типа NC1−200.420 с электродвигателями TE-90−280S;

— 2 насосных агрегата марки 2CMB 160−20 с электродвигателями A180S4;

— насосный агрегат марки BKC 2/26 c электродвигателем АИР112М4;

— резервуар УТМУ;

— дренажный приямок.

Первые три насоса объединены в I группу, следующие два — во II группу, а последний насос принадлежит III группе. Расположение оборудования насосной станции показано в 220 301.2012.458.00.00.

Насосная станция предназначена для перекачивания воды из резервуара УТМУ (установки термоупрочнения) в блок водоподготовки. В резервуар УТМУ вода попадает из первичного отстойника (на плане расположения оборудования 220 301.2012.458.00.00 не показан) через сливной карман. Далее, при достижении водой установленного уровня (включаются два насоса I группы. Они будут работать до того момента, пока уровень воды в резервуаре УТМУ не уменьшится до минимально допустимого для работы данных насосов (. После этого насосы I группы отключаются.

Помимо резервуара УТМУ насосная станция включает в себя дренажный приямок — «емкость», в которую попадают случайные воды — например вода, капающая с трубопроводов. Из этого резервуара также необходимо выкачивать воду. Для этого, в объект автоматизации включены насосы II и III групп. Насос III группы предназначен для постоянного дренажа, т. е. для постоянного выкачивания воды (пока вода не уменьшится до минимального () уровня). Этот насос начинает работу при достижении водой установленного уровня .

На случай, если насос III группы не успевает выкачивать воду из дренажного приямка, предусмотрены насосы II группа, т. е. для аварийного дренажа. Эти насосы по очереди включаются при превышении водой уровней и соответственно, а отключаются при уменьшении уровня воды ниже .

При переполнении хотя бы одного из резервуаров и, соответственно, при затоплении машинного зала (место, где установлены насосы) насосы должны будут продолжать работать, пока вода либо не опустится до минимально допустимого для работы насосов уровня, либо пока машинный зал не затопит. Причем, если уровень воды в машинном зале (далее машзал) превысит, то должны быть отключены насосы I и III групп, а при превышении уровня — должны быть отключены насосы II группы.

При уменьшении уровня воды в резервуаре УТМУ ниже и необходимо включать звуковую и световую сигнализации. Они также включаются при достижении водой в дренажном приямке уровня и, а также при достижении водой в машзале уровней и .

Уровень воды — это главный параметр, влияющий на работу насосной станции. Поэтому этот параметр необходимо постоянно контролировать. Помимо уровня воды, необходимо постоянно измерять следующие параметры: давление воды, температура воды, температура в подшипниках насосов I группы, расход воды.

Давление воды необходимо измерять в патрубках насосов все трех групп, а также в напорном коллекторе насосов I группы (трубопровод, ведущий в блок водоподготовки — B13). Если давление в напорном коллекторе падает ниже, то необходимо включить резервный насос I группы. При этом включается звуковая и световая сигнализации.

Еще один измеряемый параметр — температура. Каждый из трех насосов I группы оборудован встроенным датчиком температуры в подшипниках. При превышении температуры в подшипниках насосов температуры включается звуковая сигнализация, а при достижении этого параметра значения необходимо отключить насос. Также необходимо измерять температуру воды, поступающей в блок водоподготовки (следовательно, измерение необходимо проводить в напорном патрубке насосов I группы).

Расход воды измеряется также в напорном трубопроводе насосов I группы. Этот параметр определяется скоростью вращения валов электродвигателей насосов I группы. Поскольку на участке термоупрочнению подвергается арматура различных диаметров, и для арматуры используют центральную линию прокатного стана, а для арматуры — левую и правую линии стана, то количество используемой для термоупрочнения воды будет разным. Поэтому и расход воды в напорном трубопроводе насосов I группы должен быть различным для разных видов арматуры. Так, при термоупрочнении арматуры расход должен в среднем составлять 1185 м³/ч, а для — 885 м³/ч. При этом, производительность насосов I группы при скорости вращения вала электродвигателя TE-90−280S об/мин составляет 783 м³/ч, а при об/мин — 467 м³/ч.

Данные о параметрах необходимо передавать на АРМ (автоматизированное рабочее место) оператора в блоке водоподготовки, при этом температуру и давление воды необходимо выводить на показывающие устройства, расположенные в непосредственной близости от места измерения.

Также, из 20 301.2012.458.00.00 видно, что трубопроводы оборудованы обратными клапанами и задвижками, которые являются дополнительной защитой в случае аварии (например, при смене направления движения воды).

В таблицах 1, 2, 3 приведены технические характеристики двигателей насосов I, II и III групп, а в таблице 4 — допустимые диапазоны параметров системы.

Таблица 1 — Технические характеристики двигателя TE-90−280S [1]

Таблица 2 — Технические характеристики двигателя A180S4 [2]

Таблица 3 — Технические характеристики двигателя АИР112М4 [3]

Таблица 4 — Допустимые значения параметров системы

2 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 Разработка схемы автоматизации

На основании проведенного анализа технических требований к разрабатываемой системе создана схема автоматизации насосной станции участка термоупрочнения арматуры (см. 220 301.2012.458.00.01 А3). Схема автоматизации предназначена для упрощения разработки системы управления объектом, для подготовки и выполнения работ монтажа, для устранения ошибок — то есть полная проверка и подготовка к полноценному функционированию и работоспособности системы автоматизации.

Для правильного управления насосной станцией необходимо контролировать:

— температуру воды в напорном коллекторе насосов I группы;

— температуру в подшипниках насосов I группы;

— расход воды в напорном коллекторе насосов I группы;

— давление воды в патрубках насосов I, II и III групп;

— уровень воды в резервуаре УТМУ и дренажном приямке;

— уровень воды в машинном зале (в случае аварии).

В каждой технической системе существует функциональная часть — объект управления. Его функции заключаются в восприятии управляющих воздействий и изменении в соответствии с ними своего состояния. Объект управления не выполняет функций принятия решений, то есть не формирует и не выбирает альтернативы своего поведения, а только реагирует на внешние (управляющие и возмущающие) воздействия, изменяя свои состояния предопределенным его конструкцией образом.

В данном проекте объект управления представляет собой: резервуар УТМУ; 3 насоса I группы, выкачивающие воду из резервуара УТМУ; дренажный приямок; 2 насоса II группы, предназначенные для аварийного дренажа (выкачивания воды из приямка в аварийном режиме); 1 насос III группы, необходимый для постоянного дренажа (то есть постоянного выкачивания воды из приямка), машинный зал.

Подробнее рассмотрим каждый из компонентов объекта управления.

2.1.1 Основные компоненты объекта автоматизации

Резервуар УТМУ

В резервуар УТМУ постоянно подается вода (через сливной карман), поэтому необходимо постоянно откачивать из резервуара воду. Для этого установлено 3 насоса (I группа), которые начнут откачивать воду при достижении ею уровня от дна резервуара. Работать насосы будут до тех пор, пока уровень воды в резервуаре УТМУ не уменьшится до, либо до того момента, как будет затоплен машинный зал. Поэтому в резервуаре необходимо установить уровнемер и сигнализатор уровня (УГО УГО — условное графическое обозначение этих датчиков для схемы автоматизации см. на рисунке 1).

а) б)

Рисунок 1 — УГО (а — уровнемера; б — сигнализатора уровня)

При помощи уровнемера постоянно будет измеряться уровень воды в резервуаре, а сигнализатор уровня сообщит, когда уровень воды в резервуаре достигнет аварийного ().

Сам резервуар УТМУ на схеме автоматизации обозначен схематично (см. рисунок 2). Для резервуара на схеме также указаны те уровни, по достижении объект должен выполнить соответствующие действия (уровень жидкости показан относительно поверхности земли (пола) в цехе): при достижении водой уровня и необходимо сигнализировать о низком уровне воды в резервуаре; при должны отключаться насосы I группы; при должна происходить заливка насосов; при должны включаться рабочие насосы I группы; при должна включаться сигнализация, оповещающая об аварийной ситуации.

Рисунок 2 — Обозначение резервуара УТМУ на схеме автоматизации

Также на схеме показаны (и подписаны) трубопроводы, через которые вода попадает в резервуар УТМУ и выкачивается.

Насосные агрегаты I группы

В I группу входят 3 насосных агрегата типа NC1−200.420. Эти насосы имеют встроенный датчик, измеряющий температуру в подшипниках. Максимально допустимое значение этого параметра составляет. На рисунке 3 показаны УГО этих насосов и датчиков температуры. Также, на схеме автоматизации показаны задвижки и обратные клапаны, которыми оборудована насосная станция. Они расположены рядом с насосами (на трубопроводах) и их УГО показаны на рисунке 4.

Рисунок 3 — УГО насоса с встроенным датчиком температуры

а) б)

Рисунок 4 — УГО (а — обратного клапана; б — задвижки)

Дренажный приямок

Дренажный приямок это резервуар, в который попадают случайные стоки. Ввода из этого приямка выкачивается при помощи насосов II и III группы, которые включаются в зависимости от уровня воды в этом резервуаре. На рисунке .5 показано УГО дренажного приямка с отмеченными значениями уровня воды, при достижении которых принимается решение об изменении состояния насосов.

Рисунок 5 — УГО дренажного приямка

Дренажный приямок также оборудован уровнемером и сигнализатором уровня (которые также показаны на рисунке 5). Уровень воды также как и в резервуаре УТМУ показан относительно пола в цехе. При достижении водой уровня отключается насос III группы, предназначенный для постоянного дренажа. Включается он при достижении водой уровня .

Если вода поднимается до уровня, то включается один из насосов, предназначенных для аварийного дренажа (насос II группы). Если вода поднимается еще выше и достигает уровня, то включается другой насос II группы. Насосы II группы прекращают работу либо при уменьшении уровня воды в дренажном приямке до уровня, либо при затоплении машинного зала.

УГО насосов II и III групп совпадают с УГО насосов I группы. Вблизи от этих насосов также располагаются обратные клапаны и задвижки.

Машинный зал

Машзал является не только помещением, в котором установлено электрооборудование, но и резервуаром. Но затопление, в случае аварии, этого помещения может привести к травмам сотрудников цеха и даже к смерти. Поэтому в машинном зале также необходимо измерять уровень воды. Для этого устанавливаются 2 сигнализатора уровня (см. рисунок 6).

Рисунок 6 — Сигнализаторы уровня на схеме автоматизации

При достижении водой в машинном зале уровня происходит отключение насосов I и III групп, а при — отключение насосов II группы.

Датчики давления

Одним из контролируемых параметров системы является давление воды в трубопроводе. Этот параметр измеряется в 7 местах трубопроводов, расположенных в насосной станции: в напорных патрубках каждого из насосов, а также в напорном коллекторе насосов I группы. При этом необходимо использовать датчики для местного управления (датчик, показывающий величину давления на месте установки) и датчики для автоматического и дистанционного управления (датчики информационным выходом). УГО таких датчиков показаны на рисунке 7.

а) б)

Рисунок 7 — УГО, а — показывающего датчика; б — датчика давления с электрическим информационным выходом

Датчик расхода

Еще одним контролируемым параметром является расход воды. Его необходимо измерять в напорном трубопроводе. В зависимости от диаметра производимой арматуры этот параметр должен изменяться. Расход воды измеряется расходомером. УГО расходомера показано на рисунке 8.

Рисунок 8 — УГО расходомера

Датчик температуры воды

Температура воды является важным показателем для работы по очистке воды в блоке водоподготовки. Поэтому этот параметр также важно контролировать. Температура воды измеряется в напорном трубопроводе. Значение этого параметра должно выводиться вблизи от места измерения, а также на АРМ оператора в блоке водоподготовки. Поэтому, как и в случае с датчиками давления, необходимы 2 типа датчиков: показывающие и с информационным (электрическим) выходом. УГО этих датчиков показаны на рисунке 9.

а) б)

Рисунок 9 — УГО (а — показывающего датчика; б — датчика с информационным выходом)

2.1.2 Выбор используемых датчиков

Для надежной и качественной работы насосной станции очень важно подобрать датчики, обеспечивающие надежность измерения, длительные сроки их эксплуатации без замены. Ниже описаны выбранные датчики и их преимущества.

Уровнемеры и сигнализаторы уровня

Уровнемер — это устройство, измеряющее уровень жидкости в емкостях. В данном проекте выбраны уровнемеры с направленными микроволнами для непрерывного измерения уровня VEGAFLEX 61 фирмы VEGA Grieshaber KG (см. рисунок 10).

Рисунок 10 — Изображение уровнемера VEGAFLEX 61

Эти уровнемеры имеют следующие преимущества:

— пуск в эксплуатацию без настройки;

— независимость от свойств продукта;

— нечувствительность к пыли, парам, налипанию и конденсатам;

— не изнашивается и не требует обслуживания;

— высокая точность измерения;

— квалификация SIL SIL представляет собой аспект, касающийся безопасности продукта — возможности осуществлять свою функцию безопасности при необходимости.

Уровнемер оборудован зондом, который необходим для измерения: высокочастотные микроволновые импульсы направляются вдоль зонда в виде троса или стержня и отражаются от поверхности воды. Время от передачи до приема сигнала пропорционально уровню продукта в емкости.

Диапазон измерения у уровнемеров с тросом возможен до 32 м, со стержнем — до 4 м. Точность измерения уровнемеров VEGAFLEX 61 составляет .

Уровнемеры расположены в каждом из резервуаров — резервуаре УТМУ и дренажном приямке. Длина троса для уровнемера в первой емкости составляет, для второй — .

Сигнализаторы уровня необходимы для дополнительного контроля уровня воды в насосной станции. В данном проекте выбраны емкостные сигнализаторы предельного уровня со стержневым зондом VEGACAP 63 фирмы VEGA Grieshaber KG (см. рисунок 11).

Рисунок 11 — Изображение сигнализатора уровня VEGACAP 63

Принцип действия прибора заключается в следующем. Датчик и резервуар образуют два электрода конденсатора. При изменении уровня воды изменяется электроемкость конденсатора. Это изменения преобразуется электроникой датчика в сигнал переключения. Диапазон измерения — до 6 м, но не менее 0,5 м. Преимущества выбранных сигнализаторов указаны ниже:

— прочность и эксплуатация без обслуживания;

— высокая функциональная надежность;

— простота монтажа и начальной установки.

В данном проекте необходимо использовать 4 сигнализатора уровня. Один из них устанавливается в резервуар УТМУ для сигнализации о достижении водой аварийного уровня. Длина стержня сигнализатора составляет .

В дренажном приямке устанавливается сигнализатор с длиной стержня 500 мм. Этот сигнализатор будет выдавать сигнал о полном затоплении приямка, то есть при достижении водой в нем уровня .

В машинном зале устанавливаются два сигнализатора, выставленных на уровнях и. При достижении водой этих уровней должны отключаться соответствующие насосы. Длины стержней этих сигнализаторов также составляют 500 мм.

Датчики давления

В данном проекте используются два типа датчиков давления. Датчики первого типа — датчики, показывающие величину давления непосредственно по месту установки. В данном проекте выбраны показывающие манометры МПЗ-У (см. рисунок 12) фирмы МЕТРАН. Диапазон измерения этих датчиков составляет 0.0,6 МПа.

В данном проекте используется 7 показывающих манометров, устанавливаемых в напорных патрубках насосов (по одному датчику на каждый насос) и в напорном коллекторе насосов I группы.

Рисунок 12 — Изображение манометра МП3-У В тех же местах устанавливаются и датчики с информационным электрическим выходом (2 тип датчиков давления). В данном проекте выбраны датчики избыточного давления VEGABAR 14 (см. рисунок 13) фирмы VEGA Grieshaber KG.

Рисунок 13 — Изображение датчика давления VEGABAR 14

Погрешность измерения этих датчиков менее 0,3%. Основные преимущества VEGABAR 14:

— двухпроводная система 4.20 мА;

— малая погрешность измерения;

— малые, компактные размеры;

— керамическая измерительная ячейка с высокой стойкостью к перегрузке;

— присоединение из нержавеющей стали или pvdf² Поливинилденфторид (PVDF) является термопластичным фторированным полимером и характеризуется высокой химической стойкостью в широком диапазоне температур.

Диапазон измерения этих датчиков, так же как и датчиков первого типа (показывающих манометров) составляет 0. 0,6 МПа.

Принцип действия датчика заключается в следующем. Чувствительным элементом является измерительная ячейка CERTEC® с прочной керамической мембраной. Под действием давления процесса на керамическую мембрану изменяется емкость измерительной ячейки. Это изменение преобразуется в соответствующий выходной сигнал и выдается как измеренное значение.

Датчики температуры

В данной системе необходимо постоянно контролировать температуру в подшипниках насосов I группы. Датчики, предназначенные для этого поставляются вместе с оборудованием. В насосных агрегатах I группы установлены датчики температуры PT100. Диапазон измерения таких датчиков от 0 до 200 °C.

Помимо температуры в подшипниках, необходимо измерять и температуру воды, поступающую из насосной станции в блок водоподготовки. Поэтому необходимо установить два датчика температуры в напорный трубопровод насосов I группы. Один из этих датчиков — показывающий, а второй — с информационным выходом.

Для определения температуры воды около места измерения используем биметаллический показывающий термометр ТБ-1 (см. рисунок 14). Диапазон измерения этого датчика от 0 до 100 °C.

В качестве датчика с информационным электрическим выходом выбран термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом 4.20 мА ТСМУ Метран-274. Этот датчик состоит из первичного преобразователя температуры (термопреобразователя сопротивления) и программируемого нормирующего преобразователя.

Изменение температуры осуществляется путем преобразования сигнала первичного преобразователя температуры в унифицированный выходной сигнал постоянного тока программируемым нормирующим преобразователем, который вмонтирован непосредственно в корпусе соединительной головки первичного преобразователя.

Диапазон измерения такого датчика от -50 до +180 °С.

Рисунок 14 — Изображение термометра ТБ-1

Расходомер

Помимо всех выше перечисленных параметров, в системе необходимо контролировать расход воды. Его необходимо измерять в напорном трубопроводе I группы.

При измерении расхода электропроводящих жидкостей наибольшее распространение получили электромагнитные расходомеры, как обладающие наилучшим отношением цена/качество, точностью и стабильностью измерений. Расходомеры MAGFLO предназначены для измерения объемного расхода электропроводящих жидкостей. Область их применения необычайно широка:

— питьевая вода;

— сточные воды;

— пищевые жидкости (молоко, пиво, вино и т. д.);

— химические жидкости (кислоты, щелочи, растворы солей и т. д.);

— измерение расхода во взрывоопасных зонах.

Тип среды — любая проводящая жидкость (проводимость более 5 мкСм/см). Наличие блока очистки позволяет использовать MAGFLO для измерения расхода жидкостей, образующих отложения на электродах.

Для измерения расхода был выбран магнитно-индуктивный преобразователь расхода SITRANS F M MAGFLO MAG 5100 W (см. рисунок 15).

Принцип измерения электромагнитных датчиков расхода основан на законе Фарадея об электромагнитной индукции, а именно: в проводнике, который перемещается в электромагнитном поле, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Эта ЭДС пропорциональная скорости перемещения проводника. Ток, вызванный ЭДС, называется индукционным током. Протекающая по трубопроводу проводящая жидкость является, в данном случае, проводником. В электромагнитном расходомере также имеются: источник электромагнитного поля (катушки) и электроды, передающие возникающий индукционный ток в блок электроники. По величине тока судится о величине расхода проводящей жидкости. Тип измеряемой среды — любая проводящая жидкость (проводимость более 5 мкСм/см).

Основными преимуществами выбранного расходомера являются:

— гарантия точности на всем диапазоне температур и давления благодаря обшивке из жесткого эластомера;

— высокая износостойкость благодаря мягкой обшивке, поэтому уплотнения не требуются;

— высококачественные встроенные электроды заземления измерительные электроды;

— увеличенная точность при небольшом расходе для определения утечек благодаря конической конструкции обшивки.

Рисунок 15 — Изображение расходомера MAGFLO 5100 W

Диапазон измерения этого расходомера: до 4500 м³/ч; диапазон температуры рабочей жидкости: -5 … +90 °С. Расходомер имеет унифицированный выходной сигнал 4.20 мА.

Перечень всех элементов, указанных на схеме автоматизации приведен в приложении А.

2.2 Разработка электрической схемы

Разработка структурно-функциональной схемы

Для разработки электрической схемы системы автоматического управления насосной станцией необходимо определиться со структурой разрабатываемой системы и функциями входящих в нее компонентов. Для этого была разработана структурно-функциональная схема разрабатываемой системы.

На структурно-функциональной схеме (см. 220 301.2012.458.00.07) показаны основные элементы (блоки), которые будут входить в разрабатываемую систему:

— датчики давления, температуры, расхода, уровня;

— промышленный контроллер;

— АРМ;

— блоки управления электродвигателями насосных агрегатов;

— электродвигатели насосных агрегатов;

— блок индикации и сигнализации.

Датчики делятся на 2 типа: с аналоговым выходным сигналом (4. 20 мА) и дискретным (U_вх = 24 В). Эти сигналы поступают на соответствующие входы контроллера SIEMENS SIMATIC S7−300 — блок аналоговых входных сигналов и блок дискретных входных сигналов. Эти сигналы несут информацию о величине контролируемых ими параметров.

Блок дискретных выходных сигналов (U_вых = 24 В) контроллера S7−300 соединен с блоком индикации, блоком сигнализации и блоками управления. Сигналы, поступающие в блок индикации и сигнализации предназначены для включения/отключения сигнальных ламп и сирены.

Блоки управления электродвигателями насосных агрегатов соединены с контроллером (с блоком ввода/вывода дискретных сигналов) для передачи управляющих сигналов и информации о работе двигателя и блока управления.

В состав трех блоков управления электродвигателями насосных агрегатов входят частотные приводы, которые подключаются к контроллеру через шину PROFIBUS (она будет описана далее), через которую происходит управление этими приводами.

Помимо блоков управления электродвигателями насосных агрегатов шина PROFIBUS используется для связи между контроллером и АРМ оператора в блоке водоподготовки. Через эту шину S7−300 передает на АРМ информацию о состоянии электродвигателей и информацию, полученную от датчиков. При этом контроллер в ответ на отправляемую информацию принимает управляющие сигналы от АРМ.

На структурно-функциональной схеме также показаны электродвигатели насосов, к которым подводится питание от сети трехфазного напряжения U=380 В.

Разработка электрической схемы

На основе структурно-функциональной схемы была разработана электрическая схема подключения (см. 220 301.2012.458.00.03 Э5). Рассмотрим реализацию каждого из блоков структурно-функциональной схемы отдельно.

Главным компонентом всей системы является контроллер. В дипломном проекте используется промышленный программируемый контроллер Simatic S7−300 [11], разработанный компанией Siemens. Далее подробнее описан этот контроллер и его возможности.

Simatic S7−300 (см. рисунок 16) — это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Рисунок 16 — Программируемый контроллер Simatic S7−300

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7−300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

— модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т. д.

— модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230 В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110 В.

— сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами.

— коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу.

— функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

— интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода. Контроллеры SIMATIC S7−300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением.

Области применения SIMATIC S7−300 охватывают:

— автоматизацию машин специального назначения;

— автоматизацию текстильных машин;

— автоматизацию упаковочных машин;

— автоматизацию машиностроительного оборудования;

— автоматизацию оборудования для производства технических средств управления и электротехнической аппаратуры;

— построение систем автоматического регулирования и позиционирования;

— автоматизированные измерительные установки и другие.

Для разрабатываемой системе были выбраны следующие модули:

— блок центрального процессора CPU 315−2 DP 6ES7 315−2AG10−0AB0 со встроенным блоком питания с входным напряжением =24 В, встроенным интерфейсом ведущего устройства PROFIBUS-DP — 1 шт.;

— модуль ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331−7KF02−0AB0 — 3 шт.;

— модуль ввода дискретных сигналов SM321 6ES7 321−1BL00−0AA0 — 1 шт.;

— модуль ввода дискретных сигналов SM321 6ES7 321−1BH02−0AA0 — 1 шт.;

— модуль вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322−1BL00−0AA0 — 1 шт.

Ниже приведено более подробное описание этих блоков.

CPU 315−2 DP оснащен встроенным интерфейсом PROFIBUS DP и способен выполнять программы среднего и большого объема. Он находит применение в системах автоматизации, оснащенных развитыми системами локального и распределенного ввода-вывода. В сети PROFIBUS DP CPU 315−2DP способен выполнять функции ведущего (DPV1) или ведомого устройства.

CPU 315−2 DP характеризуется показателями, перечисленными ниже.

— Микропроцессор: 100 нс на выполнение бинарной инструкции 3 мкс на выполнение арифметической операции с плавающей точкой

— Память: рабочая память объемом 128 Кбайт, RAM (приблизительно 43 K инструкций) для выполнения загруженной секции программы и хранения оперативных данных. Микрокарта памяти (до 8 Мбайт), используемая в качестве загружаемой памяти, а также сохранения архива проекта (с комментариями и таблицей символов), архивирования данных.

— Гибкие возможности расширения: подключение до 32 модулей S7−300 (4-рядная конфигурация).

— Интерфейс MPI: позволяет устанавливать одновременно до 16 соединений с программируемыми контроллерами S7−300/400, программаторами, компьютерами и панелями операторов. Одно из этих соединений зарезервировано для PG-, одно — для OP функций связи. MPI позволяет создавать простейшие сетевые структуры с объединением до 16 центральных процессоров и поддержкой механизма передачи глобальных данных.

— Интерфейс PROFIBUS DP: интерфейс ведущего или ведомого DP V1 устройства для работы в системах распределенного ввода-вывода. Поддержка широкого спектра диагностических функций и настройки параметров ведомых устройств DP V1. С точки зрения пользователя системы локального и распределенного ввода-вывода полностью идентичны. Для них используются одинаковые способы конфигурирования, адресации и программирования.

На рисунке 17 показано УГО центрального процессора CPU 315−2 DP. Как видно из рисунка, CPU имеет выводы для подключения питания, а также разъем для подключения шины PROFIBUS.

Максимальный ток потребления центрального процессора CPU 315−2 DP составляет 2,5 А.

Модули ввода аналоговых сигналов SM331 выполняют аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов контроллера и формируют цифровые значения мгновенных значений аналоговых величин. Эти значения используются центральным процессором в ходе выполнения программы.

Рисунок 17 — УГО CPU315−2 DP

К модулям могут подключаться датчики с унифицированными сигналами напряжения и силы тока, термопары, датчики сопротивления и термометры сопротивления.

Модули SM 331 характеризуются следующими показателями:

— разрешающая способность: от 9 до 15 бит + знак (с различными временами преобразования), конфигурируется.

— возможность использования большинства модулей для измерения различных видов аналоговых сигналов на различных пределах измерения. Выбор вида аналогового сигнала производится аппаратно с помощью модулей выбора вида входного сигнала или соответствующей схемой подключения датчика. Выбор предела измерения выполняется программным путем с помощью «Hardware Configuration» STEP 7. В многоканальных модулях допускается выполнение индивидуальной настройки различных каналов на измерение заданного вида аналогового сигнала с заданным пределом измерений.

— поддержка прерываний: модули способны формировать диагностические прерывания, а также прерывания при достижении измеряемым параметром предельных значений.

— диагностика: модули способны пересылать в центральный процессор большой объем диагностической информации.

Далее приведены технические характеристики модуля ввода аналоговых сигналов SM331 6ES7 331−7KF02−0AB0 (см. таблицу 5). УГО этого модуля показано на рисунке 18. На нем показаны выводы для подключения питания и выводы для подключения датчиков.

Кроме модулей аналогового ввода в системе должны быть и модули дискретного ввода. Ниже подробно описаны модули SM321.

Модули ввода дискретных сигналов SM321 предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы.

Таблица 5 — Технические характеристики

Рисунок 18 — УГО модуля SM331

Модули могут работать с контактными датчиками, а также бесконтактными датчиками BERO, подключаемыми по 2-проводным схемам. Эти модули характеризуются следующими показателями:

— компактный пластиковый корпус:

o зеленые светодиоды индикации состояния входных цепей.

o красные светодиоды индикации отказов (только в некоторых модулях).

o штекер для установки фронтального соединителя, закрытый защитной пластиковой крышкой.

o паз для установки этикетки с маркировкой внешних цепей.

o два соединителя на тыльной части корпуса для подключения к внутренней шине S7−300/ ET 200M.

— простота установки:

o равноценность посадочных мест,

o адреса входов, определяемые номером посадочного места.

— удобство подключения внешних цепей через съемные фронтальные соединители.

На рисунке 19 показано УГО модулей SM321. Поскольку в разрабатываемой системе будут использоваться два разных модуля этого типа, то необходимо привести технические характеристики обоих модулей (см. таблицу 6).

а) б)

Рисунок 19 — УГО SM321 (а — 6ES7 321−1BL00−0AA0; б — 6ES7 321−1BH02−0AA0)

Таблица 6 — Технические характеристики модулей SM321

Помимо модулей ввода в проектируемой системе будет использоваться модуль вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322−1BL00−0AA0. Эти модули выполняют преобразование внутренних логических сигналов контроллера в его выходные дискретные сигналы. Модули способны управлять задвижками, магнитными пускателями, сигнальными лампами и т. д.

Модули вывода дискретных сигналов характеризуются следующими показателями:

· компактное исполнение:

o зеленые светодиоды индикации состояний выходных цепей;

o штекер для установки фронтального соединителя, закрытый пластиковой защитной крышкой;

o паз для установки этикетки с маркировкой внешних цепей;

o два соединителя с тыльной стороны корпуса для подключения к внутренней шине S7−300/ ET 200M.

· простота установки:

o равноценность посадочных мест;

o адреса выходов определяется номером посадочного места модуля.

· удобство подключения внешних цепей через съемные фронтальные соединители.

· возможность использования большинства дискретных выходов для управления дискретными входами контроллера.

Технические характеристики модуля SM322 6ES7 322−1BL00−0AA0 приведены в таблице 7, а его УГО — на рисунке 20.

Таблица 7 — Технические характеристики SM322 6ES7 322−1BL00−0AA0

Рисунок 20 — УГО модуля вывода дискретных сигналов SM332

К модулям SM331 подключаются датчики с унифицированным аналоговым выходным сигналом (см. 220 301.2012.458.00.03 Э5, лист 2). Ниже подробнее описаны эти датчики.

Датчики температуры в подшипниках подключаются к модулю по трехпроводной схеме. УГО датчика температуры и схема его подключения к SM331 показано на рисунок 21.

Три таких датчика занимают 6 входов модуля SM331. Еще один вход этого модуля используется для подключения датчика температуры воды в напорном трубопроводе насосов I группы. Схема его подключения к модулю и УГО показаны на рисунок 22.

К последнему из оставшихся входов подключается один из датчиков давления (см. рисунок 23). Датчики давления также подключаются по двухпроводной схеме.

Ко второму модулю SM331 подключаются оставшиеся 6 датчиков давления (B6 … В11 на рисунке 24), а также расходомер (В12 на рисунке 24) и один из уровнемеров (В13 на рисунке 24). При этом, схема подключения уровнемера аналогична схеме подключения датчиков давления. Расходомер же подключается к модулю иначе. У датчика имеются входы для подключения к источнику питания, а информационные выходы подключаются так, как показано на схеме (см. рисунок 24).

Рисунок 21 — Трехпроводная схема подключения датчика температуры к модулю SM331

Рисунок 22 — Схема подключения датчика температуры воды к модулю SM331

Рисунок 23 — Схема подключения датчиков давления к модулю SM331

Оставшийся датчик уровня подключается к третьему модулю SM331.

Помимо датчиков к модулям ввода аналоговых сигналов необходимо подключить источник питания. К 1 выводу модуля SM331 подключается положительное напряжение +24 В. К 10, 11, 20 выводам подключается отрицательное напряжение -24 В. Такая схема подключения к источнику питания указана в технической документации этого модуля.

При помощи модуля SM321 6ES7 321−1BL00−0AA0 контроллер должен принимать сигналы с сигнализаторов уровня (см. рисунок 25). При этом датчики не подключены напрямую к модулю. Передача сигналов идет через контакты реле, управляемые сигнализаторами. Такая развязка была сделана для того, чтобы отделить питание сигнализаторов от питания контроллера и датчиков, не имеющих активного питания.

Рис. 2.24 — Схема подключения датчиков (давления, расхода, уровня) к модулю SM331

Помимо сигналов от датчиков уровня (сигнализаторов) на модули SM321 передаются сигналы от блоков управления двигателями. От блоков управления двигателями насосов I группы на модуль поступают по 7 сигналов, а от блоков управления двигателями насосов II и III групп — по 6 сигналов (см. 220 301.2012.458.00.03 Э5 лист 3, 4, 5).

Скорость вращения вала двигателя насоса I группы зависит от диаметра производимой арматуры (см. раздел 1). Поэтому в схеме управления двигателями насосов I группы предусмотрено переключение между скоростями. Первая скорость должна составлять 1410 об/мин (такая скорость соответствует производительности 590 м³/ч), а вторая — 1340 об/мин (такая скорость соответствует производительности 445 м³/ч).

Модуль вывода дискретных сигналов SM322 6ES7 322−1BL00−0AA0 используется для управления двигателями насосов II и III групп (отсылает сигнал о включении/отключении двигателя); сиреной, оповещающей об аварии; сигнальными лампами, при помощи которых контролируется работы системы.

К этому модулю подключено (см. 220 301.2012.458.00.03 Э5 лист 1, 3):

— 3 реле, через которые происходит управление двигателями;

— 1 сирена;

— 27 сигнальных ламп.

Рисунок 25 — УГО сигнализаторов уровня Помимо перечисленных элементов в разрабатываемой схеме должны присутствовать системы управления двигателями (см. 220 301.2012.458.00.03 Э5 лист 4, 5), источники питания, клеммы, светильник (предназначенный для освещения пульта управления) и розетка общего пользования (например, для подключения ноутбука). Полный перечень элементов приведен в приложении Б.

Схемы управления двигателями являются типовыми и разработаны ОАО «ЧЕЛЯБГИПРОМЕЗ» электротехническим отделом № 3.

Источник питания выбирается по потребляемому нагрузкой току. На модули контроллера приходится. Поэтому разумно выбрать источник питания на 5 А. В качестве источников питания выбраны QUINT-PS/1AC/24DC/5 [16], производимые фирмой Phoenix Contact (см. рисунок 26).

Показанная на рисунке 26б сигнальная лампа необходима для мониторинга работы источника питания (функционирует он или нет). Технические характеристики выбранных источников питания приведены в таблице 8.

Подключение элементов по схеме 220 301.2012.458.00.03 Э5 следует осуществлять при помощи экранированных малоомных проводов. Система также должна быть оборудована автоматическими выключателями, обеспечивающими безопасность работы системы.

Помимо вышеописанных элементов, на схеме 220 301.2012.458.00.03 Э5 показано подключения центрального процессора и частотных приводов к шине PROFIBUS, которая подробно описана ниже.

а) б) Рисунок 26 — Источник питания QUINT-PS/1AC/24DC/5 (а — изображение; б — УГО) Таблица 8 — Технические характеристики источника питания QUINT-PS/ 1AC/24DC/5

PROFIBUS

PROFIBUS (PROcess Field BUS) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. На основе этого прототипа организация пользователей PROFIBUS разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. PROFIBUS очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием.

Сеть PROFIBUS — это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61 158 и EN 50 170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS Network Organization (PNO).

PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.

Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498 Сетевая модель OSI (open systems interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. PROFIBUS определяет следующие уровни:

1 — физический уровень — отвечает за характеристики физической передачи;

2 — канальный уровень — определяет протокол доступа к шине;

3 — уровень приложений — отвечает за прикладные функции.

Физически PROFIBUS может представлять собой:

— электрическую сеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;

— оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

— инфракрасную сеть.

Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Для всех версий PROFIBUS существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в PROFIBUS — FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера. Сеть PROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) станций. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Многие из программных средств конфигурирования сети PROFIBUS ориентированы непосредственно на того или иного производителя и часто содержат помимо средств конфигурирования сети дополнительные средства, например, средства для программирования контроллеров. Среди таких программ это Step 7 (пакет программирования контроллеров Simatic S7−300 и Simatic S7−400 фирмы Siemens AG). Но есть много программ, работающих с оборудованием разных фирм, в частности, таких как COM PROFIBUS — для конфигурирования сети PROFIBUS, или SINEC SCOPE L2 — средство для пассивного (то есть без какого-либо влияния на сеть) наблюдения за обменом данными в сети PROFIBUS.

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:

— PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral — распределенная периферия) — протокол, ориентированный на обеспечение скоростного обмена данными между:

· системами автоматизации (ведущими DP-устройствами)

· устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройст-вами).

Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически близка к RS-485, но сетевые карты используют 2-х портовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера.

— PROFIBUS PA (Process Automation — автоматизация процесса) — протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или Ex-зонах (взрывоопасных зонах). Протокол отвечает требованиям международного стандарта IEC 61 158−2. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину или кольцевую шину.

— PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевого уровня) — универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Некоторый аналог промышленного Ethernet, обычно используется для высокоскоростной связи между контроллерами и компьютерами верхнего уровня и используемыми диспетчерами. Скорость до 12 Мбит/с.

Все протоколы используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому они могут функционировать на одной шине. Дополнительно к перечисленным протоколам, поддерживаются следующие возможности обмена данными:

· службы FDL (Field Data Link — канал полевых данных), SEND/RECEIVE — отправить/получить, позволяют легко и быстро установить соединение с любым устройством, поддерживающим FDL.

· функции S7 позволяют оптимизировать соединение с устройствами семейства Simatic S7.

2.3 Выбор исполнения корпуса шкафа контроллера

Оптимальным по цене решением является не изготовление индивидуального конструктива, а выбор стандартного корпуса. В настоящее время производители, специализирующиеся в этой области предлагают широкую линейку корпусов для различных приборов. Чтобы не потеряться во всем многообразии предложений производителей стандартных корпусов стоит ориентироваться на назначение прибора и его габариты.