Дипломная (вкр): Разработка микропроцессорной системы управления подачей воздуха в термотравильный агрегат

Конкретные типы средств автоматизации выбирают с учетом особенностей технологического процесса и его параметров.

В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожар и взрывоопасность, агрессивность и токсичность среды, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химических свойствах, дальность передачи сигналов информации и управления, требуемые точность и быстродействие. Эти факторы определяют выбор методов измерения технологических параметров, требуемые функциональные возможности регуляторов и приборов (законы регулирования, показания, запись и т.д.), диапазоны измерения, классы точности, вид дистанционной передачи и т.д.

Конкретные приборы и средства автоматизации следует подбирать по справочной литературе, исходя из следующих соображений:

для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса необходимо применять однотипные средства автоматизации, выпускаемые серийно. При этом нужно отдавать предпочтения приборам и средствам автоматизации Государственной системы промышленных приборов(ГСП);

при большом числе одинаковых параметров рекомендуется применять многоточечные приборы;

при автоматизации сложных технологических процессов необходимо использовать вычислительные и управляющие машины;

класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами необходимо предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении нужно защищать их.

Выбирая тот или иной прибор по функциональному признаку, необходимо простоту и дешевизну аппаратуры сочетать с требованиями контроля и регулирования данного параметра. Наиболее важные параметры следует контролировать самопищущими приборами, более сложными и дорогими, чем показывающие приборы. Регулируемые параметры технологического процесса необходимо, как правило также контролировать самопищущими приборами, что имеет значения для корректировки настройки регуляторов.

Выбирая датчики и вторичные приборы для совместной работы, следует обращать внимание на согласование выходного сигнала датчика и выходного сигнала вторичного прибора.

При выборе датчиков и приборов следует обращать внимание не только на класс точности, но и на диапазон измерения. Следует помнить, что номинальное значение параметра должны находиться в последней трети диапазона измерения датчика и прибора. При невыполнении этого условия относительная погрешность измерения параметра значительно превысит относительную приведенную погрешность датчика или прибора. Таким образом, не следует выбирать диапазон измерения с большим запасом (достаточно иметь верхний предел измерения, не более чем на 25% привыкающий номинальное значение параметра).

Выбор регулирующего органа

Регулирующие органы служат для регулирования расхода вещества (или энергии) с целью поддержания заданного значения регулируемой величины в управляемом объекте.

Основными параметрами, определяющими выбор регулирующих органов, являются: условное или рабочее давление; условный проход; определяющий необходимую пропускную способность клапана; пропускная (расходная) характеристика, выражающая зависимость относительной пропускной способности от относительного хода штока регулируемого органа; величина негерметичности (допустимый начальный пропуск при полном закрытии клапана).

Различают дозирующие и дроссельные РО. К дозирующим относятся такие устройства, которые изменяют расход вещества за счёт изменения производительности агрегатов (дозаторы, питатели, насосы, компрессоры, плужковые сбрасыватели и др.). Дроссельный РО представляет собой переменное гидравлическое сопротивление, изменяющее расход вещества за счёт изменения своего проходного сечения; к ним относятся регулирующие клапаны, поворотные заслонки, шиберы и краны. РО характеризуется многими параметрами, основными из которых являются пропускная способность и условная пропускная способность, условное и рабочее давление, перепад давления на РО и условный проход.

Пропускной способностью К_u называется расход жидкости с плотностью 1000 кг/м³, пропускаемой РО при перепаде давления на нём 10⁵ Па. - размерность - (м³/ч).

Условной пропускной способностью К_uу называется номинальное значение пропускной способности РО при максимальном (условном) ходе затвора, выраженное (м³/ч). Она зависит от типа РО и размера его условного прохода Д_У.

Условное давление Р_У - это наибольшее допустимое давление среды на РО при нормальной температуре.

Условным проходом Д_У в РО называется номинальный диаметр прохода в присоединительных патрубках.

Максимальное рабочее давление - это наибольшее установленное давление среды на РО при фактической температуре. Разрешается превышение фактического рабочего давления на 5% сверх установленного для заданной температуры.

Расход вещества определяется не только конструктивной характеристикой регулирующего органа, он также зависит от свойств вещества (вязкости, плотности и т.п.) и от условий, в которых работает регулирующий орган.

Выбор исполнительного механизма

Исполнительный механизм, работающий в системе автоматического регулирования, должен не только совершать работу по перемещению регулирующего органа, но и обеспечивать это перемещение с возможно меньшими искажениями законов регулирования, формируемых регулирующим устройством.

По виду потребляемой энергии все исполнительные механизмы можно разделить на следующие группы:

электрические, - пневматические, - гидравлические. Одним из основных требований, предъявляемых ко многим исполнительным механизмам, является обеспечение быстродействия и необходимой точности. К исполнительным механизмам предъявляется также ряд требований конструктивного, эксплуатационного и экономического характера. Они выражаются в следующем:

исполнительный механизм должен иметь минимальные габариты и вес, быть конструктивно простым, обладать высокой надёжностью, а также обеспечивать плавность и равномерность движения приводного механизма;

исполнительный механизм должен быть безопасен в эксплуатации, устойчив в работе, обеспечивать постоянство скорости перемещения регулирующего органа, а также возможность регулирования скорости и крутящего момента;

исполнительный механизм должен иметь устройство защиты для предохранения регулирующего органа от перегрузок и поломок, а также систему ручного управления на случай возможных отказов в схеме управления приводом при нарушении энергоснабжения.

Основными показателями исполнительных механизмов являются:

номинальные значения вращающего момента на выходном валу исполнительного механизма или усилия на его выходном штоке;

максимальное значение вращающего значения на выходном валу исполнительного механизма или усилия на выходном штоке.

постоянная времени - этот показатель определяет величину быстродействия исполнительного механизма в системе автоматического регулирования;

время оборота выходного вала исполнительного механизма или хода его штока.

Помимо вышеперечисленных показателей, для всех исполнительных механизмов одними из важнейших показателей являются их различные динамические и статические характеристики. Знание этих показателей позволяет осуществить правильный выбор исполнительного механизма для конкретных систем регулирования и управления.

Выбор сужающего устройства

Для измерения расходов газов и жидкостей, широко применяют сужающие устройства (диафрагмы, сопла, трубы и сопла Вентури). Сужающие устройства для измерения расхода коксового и доменного газа, воды и воздуха, выполняют из стали 1Х13 или 1Х18Н9Т; для измерения агрессивных жидкостей и газов - из высоколегированных сталей, латуни, бронзы в зависимости от свойств измеряемой среды.

Нормальные диафрагмы применяют для круглых трубопроводов диаметром не менее 50 мм. По конструкции диафрагмы бывают камерными и бескамерными.

При использовании камерных диафрагм, обеспечивается выравнивание давлений, до и после диафрагмы. Отбор давления производят через кольцевые камеры.

При использовании бескамерных диафрагм, импульсы давлений отбирают до и после диафрагмы через просверленные во фланцах и трубопроводах отверстиях.

Нормальные сопла применяют в трубопроводах диаметром не менее 50 мм. Отбор давления производят через кольцевые камеры или отдельные отверстия.

Длинное и короткое нормальное сопла Вентури используют в трубопроводах диаметром не менее 20 мм. Отбор давлений производят через кольцевые камеры. Длинная и короткая нормальная труба Вентури, устанавливается в трубопроводах диаметром 100-800 мм. Отбор давления производят через кольцевые камеры.

Вывод: в теоретической части дипломного проекта для разработки САУ управления подачей воздуха в термотравильный агрегат, рассмотрен технологический процесс нагрева проволоки в термотравильном агрегате, приведено описание функциональной схемы автоматизации термотравильного агрегата, а так же приведено теоретическое обоснование к выбору типовых элементов (типовых элементов, регулирующего органа, исполнительного механизма, сужающего устройства). Таким образом для выполнения практической части курсового проекта имеются все необходимые теоретические данные.

2. Расчетное обоснование выбора элементов автоматики разрабатываемой системы управления подачей воздуха в термотравильный агрегат

.1 Выбор типовых элементов, входящих в разрабатываемую систему управления подачей воздуха

Выбор первичного датчика

Для регулирования расхода, в системах автоматизации применяют различные расходомеры. Рассмотрим расходомер Метран-100ДД и Метран 43 Ф-ДД.

Первичный преобразователь Метран-100ДД

Назначение

Датчики давления Метран-100 предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин - давления избыточного, абсолютного, разрежения, давления - разрежения, разности давлений, гидростатического давления нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал дистанционной передачи.

Технические характеристики

Измеряемые среды: жидкости, пар, газ, в т.ч. газообразный кислород и кислородосодержащие газовые смеси.

Диапазоны измеряемых давлений:

минимальный 0-0,04 кПа;

максимальный 0-100 МПа.

Основная погрешность измерений: до ±0,1% от диапазона.

Диапазон перенастроек пределов измерений: до 25:1.

Устройство и работа датчика

Датчик состоит из преобразователя давления (в дальнейшем сенсорный блок) и электронного преобразователя. Датчики имеют унифицированный электронный преобразователь. Измеряемая входная величина подается в камеру сенсорного блока и преобразуется в деформацию чувствительного элемента (тензопреобразователя), вызывая при этом изменение электрического сопротивления его тензорезисторов. Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

1-фланец, 2-корпус, 3-мембрана, 4-жесткий центр, 5-тяга, 7,6 - камеры,

-тензопреобразователь, 9-электронный преобразователь.

Первичный преобразователь Метран-43-ФДД

Назначение

Предназначен для непрерывного преобразования разности давлений в стандартный токовый выходной сигнал в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами.

Технические характеристики:

Питание 36 В постоянного тока

Условия эксплуатации -40…+60⁰С

Погрешность измерения + 0,2; 0,25, 0,5%

Пределы измерения, МПа 1…630 КПа; Р допустимое избыточное 4…16 МПа

Форма представления информации выходные сигналы 0…5; 0…20, 4…20мА

Контролируемая среда газ, жидкость, пар

Устройство и работа датчика

Датчик состоит из преобразователя давления (в дальнейшем - измерительный блок) и электронного преобразователя.

Датчики различных моделей имеют унифицированный электронный преобразователь и отличаются лишь конструкцией измерительного блока.

В качестве чувствительного элемента в датчиках используются тензопреобразователи.

1-фланец, 2-корпус, 3-мембрана, 4-жесткий центр, 5-электронный преобразователь, 6,7 - камеры, 8-рычаг тензопреобразователя, 9-тяга

Рисунок 2.2 - Устройство датчика

Измеряемый параметр воздействует на мембрану измерительного блока и линейно преобразуется в деформацию чувствительного элемента, вызывая при этом изменение электрического сопротивления тензорезисторов тензопреобразователя, размещенного в измерительном блоке.

Электронный преобразователь датчика преобразует это изменение сопротивления в токовый выходной сигнал.

Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с металлической мембраной тензопреобразователя.

Вывод: выбираем первичный датчик Метран-100ДД. Так как данный датчик обладает простой конструкцией и широким диапазоном измерения и меньшей стоимостью.

Выбор регулирующего устройства

Контроллер Simatic S7-400

Назначение

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) Siemens Simatic S7-400 - это модульные контроллеры высшего класса для решения задач автоматического управления и построения систем автоматизации среднего и высокого уровня сложности.

Устройство прибора

Система автоматизации S7-400 имеет модульную конструкцию. Она может комплектоваться широким спектром модулей, устанавливаемых в монтажных стойках в любом порядке. Система включает в свой состав:

Модули блоков питания (PS): используются для подключения SIMATIC S7-400 к источникам питания =24/ 48/ 60/ 120/ 230В или ~120/ 230В. Модули центральных процессоров (CPU): в составе контроллера могут использоваться центральные процессоры различной производительности. Все центральные процессоры оснащены встроенными интерфейсами PROFIBUS-DP. При необходимости, в базовом блоке контроллера может быть использовано до 4 центральных процессоров.

Сигнальные модули (SM): для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

Коммуникационные модули (CP): для организации последовательной передачи данных по PtP интерфейсу, а также сетевого обмена данными.

Функциональные модули (FM): для решения специальных задач управления, к которым можно отнести счет, позиционирование, автоматическое регулирование и т.д.

При необходимости в составе S7-400 могут быть использованы:

Интерфейсные модули (IM): для связи базового блока контроллера со стойками расширения. К одному базовому блоку контроллера SIMATIC S7-400 может подключаться до 21 стойки расширения.

Простота конструкции S7-400 существенно повышает его эксплуатационные характеристики:

Простота установки модулей. Модули устанавливаются в свободные разъемы монтажных стоек в произвольном порядке и фиксируются в рабочих положениях винтами. Фиксированные места занимают только блоки питания, первый центральный процессор и некоторые интерфейсные модули.