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

Контроллер Simatic S7-300

Назначение-300 находит применение для автоматизации машин специального назначения, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования.

Устройство прибора

Программируемые контроллеры S7-300 могут включать в свой состав:

Модуль центрального процессора (CPU).

Блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного тока.

Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов.

Коммуникационные процессоры (CP) - интеллектуальные модули, выполняющие автономную обработку коммуникационных задач в промышленных сетях связи. Для организации модемной связи в составе S7-300 могут использоваться коммуникационные модули семейства SINAUT ST7.

Функциональные модули (FM) - интеллектуальные модули, оснащенные встроенным микропроцессором и способные выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора.

Интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения.

Вывод: Среди рассмотренных контроллеров выбираем Simatic S7-300, т.к. контроллер предназначен для построения систем автоматизации низкой степени сложности обладает меньшим количеством входов, что наиболее оптимально подходит для САУ подачей воздуха в термотравильный агрегат. Кроме того контроллер имеет меньшую цену и обладает простотой конструкции

Выбор усилителя

Пускатель ПБР-2М

Назначение

Пускатель предназначен для бесконтактного управления электрическим исполнительным механизмом с однофазным конденсаторным электродвигателем.

Техническая характеристика

Входной сигнал 24В постоянного пульсирующего тока или замыкание ключей;

Входное сопротивление пускателя 750 Ом;

Максимальный коммутируемый ток 4А;

Быстродействие (время запаздывания выходного тока при подаче и снятии управляющего сигнала) 25 мс;

Разница между длительностями входного и выходного сигналов не более 20 мс;

Напряжение источника питания цепей управления 22-26В Электрическое питание 220В, 50 Гц;

Потребляемая мощность 7 Вт;

Устройство и работа прибора

Пускатель состоит из платы, кожуха и передней панели.

На передней панели расположены две клеммные колодки для подключения пускателя к внешним цепям, а также винт заземления. Клеммные колодки закрываются крышками. На плате устанавливаются элементы схемы пускателя. Плата вставляется в кожух и закрепляется двумя винтами.

Пускатель рассчитан на установку на вертикальной или горизонтальной плоскости. Положение в пространстве - любое.

Рисунок 2.3 - Схема электрическая принципиальная пускателя ПБР-2М

В схеме управления резисторы R1, R2 задают входное сопротивление пускателя при малом уровне входного сигнала. Резистор R3 ограничивает бросок входного тока при подаче сигнала управления на вход пускателя. Конденсаторы C1, C2 и диоды V2, V3 сглаживают пульсацию управляющего сигнала. Транзистор V8, резисторы R4, R5 и выпрямительный мост V9 исключают включение блокинг-генераторов при подаче сиг­нала управления на оба входа.

Стабилитроны V6, V7 предназначены для защиты транзистора V8 от пробоя при перегрузке пускателя по входному сигналу.

Блокинг-генераторы, формирующие импульсы управления триаками, состоят из транзисторов V15 - V17 [V15, V16], диодов V12 - V14 [V10 - V13], V18 - V20 [V18, V19], трансформаторов Т1 - Т3 [T1, Т2], конденсаторов С4 - С6 [C4, С3], резисторов R8 - R16.

В силовой схеме триаки V21 - V23 [V21, V22] коммутируют напряжение, от которого осуществляется электрическое питание механизма, а конденсаторы С7 - С9 [С8, С9] и резисторы R17 - R19 [R18, R19] улучшают условия коммутации. Дроссели L1 - L3 [L1, L2] ограничивают величину ударного тока при аварийных перегрузках триаков.

Источник питания цепи дистанционного управления состоит из трансформатора Т4 и выпрямительного моста В1. Вывод источника с отрицательным потенциалом соединен с клеммой 10 (выход «Д»), а с положительным - с клеммой 8 (выход «Ср»).

Входной сигнал управления пускателем - постоянное напряжение (24±6) В-подается на клеммы 8-7 или 8-9. На клемму 8 (вход «Ср») подается положительный потенциал, на клеммы 7 (вход «М») или 9 (вход «Б») - отрицательный потенциал сигнала управления.

Обозначения «М» (меньше) и «Б» (больше) приняты условно.

В исходном состоянии (входные сигналы отсутствуют) напряжения питания на схеме управления нет, триаки закрыты.

Напряжение с конденсатора С3 через выпрямительный мост V9 подается на вход эмиттерного повторителя, выполненного на транзисторе V8.

Напряжение с выхода эмиттерного повторителя подается на блокинг-генераторы, выполненные на транзисторах V15 (V16), V17 [V15 (V16)] и трансформаторах T1 (T2), Т3 [T1 (T2)]. Блокинг-генераторы формируют импульсы, отпирающие триаки V22, V21 и V23 [V22 (V21)]. Питающее напряжение с клеммы 1 через открытые триаки V23, V22 (V21) [V22 (V21)] подается на выход пускателя клемму 3 (5).

Пускатель ПБР 3А

Назначение

Пускатель ПБР-3А обеспечивает пуск и реверс, защиту трехфазного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

Техническая характеристика

Входной сигнал 24В постоянного тока;

Входное сопротивление пускателя 750 Ом;

Максимальный коммутируемый ток 3А;

Разница между длительностями входного и выходного сигналов не более 20 мс;

Напряжение источника питания цепей управления 22-26В

Электрическое питание 380В, 50 Гц;

Потребляемая мощность 5 Вт;

Устройство и работа прибора

Входным сигналом пускателя является напряжение отрицательной полярности, подаваемого на вход.

Для осуществления управления пускателем с помощью ключей в пускателе имеется источник напряжения, положительный потенциал которого выведен на одну клемму, отрицательный - на другую.

С помощью ключей контакт подключается к входу пускателя. В исходном состоянии (входные сигналы отсутствуют) напряжение на эмиттере транзистора меньше напряжения включения за счет малой величины сопротивление резисторов уменьшающих напряжение на эмиттере через положительный вывод выпрямительного моста. В связи с этим транзисторы и закрыты управляющих импульсов на трансформаторах нет. Триаки закрыты. Напряжение на выходе отсутствует.

При подаче управляющего напряжения на клеммы происходит заряд конденсаторов, выполняющие функции фильтров и элементов схемы задержки на реверсе. Протекание тока через резисторы, отрицательный вывод выпрямительного моста и диод приводит к увеличению падения напряжения на резисторах и открытие диода отрицательного вывода выпрямительного моста. В результате этого на базе транзистора напряжение уменьшается, происходит заряд конденсаторов и увеличение напряжения на базе транзистора и эмиттере транзистора относительно базы транзистора. При достижении напряжения на эмиттере транзистора, транзистор открывается и конденсатор разрежается по цепи: резистор, переход база - эмиттер, транзистор, диод, переход эмиттер - база транзистора, и отрицательной вывод выпрямительного моста.

Ток разряда конденсатора, протекающий через базу транзистора, усиливается им в трансформаторе и формулируется импульс, отпирающий триаки. Процесс заряд-разряд конденсатора повторяется периодически и прекращается только после снятие входного напряжения.

Триаки силовой цепи служат для подачи напряжения на электродвигатель. Конденсатор и резисторы предназначены для улучшения условий коммутации триаков.

Пускатель защищен от одновременного отпирания триаков, вызванного подачей напряжения на оба входа, или быстрым реверсом напряжения управления. Пускатель ПБР-3А содержит схему защиты электродвигателя от перегрузки. Схема защиты обеспечивает отключение электродвигателя механизма при выходе выходного органа механизма на упор, либо в промежуточном положении.

Входной сигнал схемы защиты - ток электродвигателя.

Выходное напряжение трансформаторов тока через выпрямительный мост и резистор подается на конденсатор. Если конденсатор зарядится до напряжения отпирания транзистора, то транзистор откроется, уменьшит потенциал эмиттера транзистора (при практически постоянном напряжении на базе этого транзистора). Транзистор откроется и зашунтирует цепь питания эмиттера транзистора, формулирование импульсов прекратится. В таком положении схема остается до снятия входного напряжения со входа пускателя.

Вывод: среди рассмотренных пускателей выбираем пускатель ПБР-2М, так как он управляет электрическими исполнительными механизмами, в приводе которых используются однофазные конденсаторные электродвигатели.

Выбор блока ручного управления

Блок ручного управления БРУ-32

Назначение

Блок ручного управления БРУ-32 предназначен для выполнения следующих функций в системах автоматического управления различными технологическими процессами:

ручное или дистанционное переключение цепей автоматического и ручного управления;

кнопочное управление интегрирующим исполнительным устройством при ручном режиме управления;

формирование импульсов с регулируемой скважностью для управления интегрирующим исполнительным устройством;

индикация положения выходного вала электрического исполнительного механизма на цифровом индикаторе;

световая индикация выходного сигнала регулирующего устройства с импульсным выходным сигналом;

световая индикация о срабатывании конечных выключателей в крайних положениях выходного вала исполнительного механизма.

Блок предназначен для эксплуатации в следующих условиях:

температура окружающего воздуха от 5 ºС до 50 ˚С;

относительная влажность воздуха до 80% при температуре 25 ˚С;

вибрация частотой до 25 Гц и амплитудой до 0,1 мм;

магнитные поля постоянные или переменные частотой 50 Гц напряженностью до 400 А/м.

Обозначение блока при заказе и в документации другой продукции, в которой он может быть применен, должно содержать запись о принадлежности к изделиям ГСП, наименование, условное обозначение, обозначение технических условий.

Технические характеристики

Входные аналоговые сигналы цифрового индикатора:

постоянный ток от 0 до 5 мА, входное сопротивление не более 400 Ом;

постоянный ток от 0 (4) до 20 мА, входное сопротивление не более 100 Ом;

напряжение постоянного тока от 0 до 10 В, входное сопротивление не менее 10 кОм.

Количество входов 1.

2.2 Выбор сужающего устройства

Лист исходных данных

. Общие исходные данные

цех: ООО «Спецтехнологии»;

агрегат: термотравильный агрегат №3;

объект измерения: трубопровод воздуха;

среднее барометрическое давления местности, Р_б=101,325 кПа;

. Трубопровод

). Определяем внутренний диаметр трубопровода

 (2.1)

где V - допустимая скорость вещества в трубопроводе; м/с

Qmax - максимальный расход вещества; м³/ч

мм

) По ряду стандартных значений принимаем Д₂₀=150 мм, материал: 1Х18Н9Т

. Характеристика измеряемой среды:

наименование: воздух;

расход вещества в рабочих условиях: Qmax=600 м³/ч

средний расход воздуха Qср, м³/ч

 (2.2)

Qср=(300-400) м³/ч; принимаем Qср=350 м³/ч

минимальный расход воздуха

 (2.3)

Qmin=(150-199,88) м³/ч; принимаем Qmin=175 м³/ч

средняя температура t=20 ⁰С;

среднее избыточное давление Р_и=90 кПа;

- допустимая потеря давления Р_пд’=(0,2-0,4) Р_и (2.4)

средний химический состав воздуха составляет 100%;

- относительная объемная влажность воздуха, = 60-80%.

Расчетный лист

. Сужающее устройство

а) тип: стандартная камерная диафрагма;

б) материал диафрагмы: сталь 1Х19Н9Т;

в) поправочный коэффициент на тепловое расширение, Kt’=1

. Трубопровод

а) поправочный коэффициент на тепловое расширение, Kt»=Kt’=1;

б) внутренний диаметр, Д=Д₂₀·Kt» (2.5)

Д=150·1=150 мм

. Измеряемая среда

а) наименование: воздух

б) расчетный максимальный расход, Qнп=6,3·10² м³/ч

в) квадрат отношения расходов, п

 (2.6)

г) среднее абсолютное давление

Р=Р_и+Р_б (2.7)

Р=90+101,325=191,325 кПа

д) средняя абсолютная температура,

Т=t+273⁰С (2.8)

Т=20⁰С +273⁰С =293⁰С

е) расчетная допустимая потеря давления

 (2.9)

ж) плотность воздуха в нормальных условиях

р_н=1,205 кг/м³

з) максимально возможная плотность водяного пара при t=20⁰С

р_впм=0,01729 кг/м³

и) максимально возможное давление водяного пара при t=20⁰С

Р_впм=2,333 кг/м³

к) относительная влажность в долях единицы:

л) коэффициент сжимаемости К=1

м) промежуточная величина Z для определения р

Z=1,02·10^-5(Р-Р_впм)/Т·К (2.10)

Z=1,02·10^-5(191325-0,8·2,333)/293·1=0,0066

н) плотность сухой части воздуха в рабочем состоянии

р_сч=283,6·р_н·Z (2.11)

р_сч=283,6·1,205·0,0066=2,2554 кг/м³

о) плотность влажного воздуха в рабочем состоянии

р=р_сч+·р_впм (2.12)

р=2,2554+0,8·0,01729=2,2692 кг/м³

п) показатель для адиабаты: c=1,4

р) динамическая вязкость

=2·(1,18-1,03)/5=0,06·10^-5 Па

. Контрольно-измерительный прибор - Метран-100, тип: ДД

Выбор перепада давления и модуля диафрагмы

). Промежуточная величина, С

 (2.13)

). Предварительное значение предельного перепада Метрана-100, и модуля диафрагмы,

Рн’=25 кПа;

m=0,10

). Число Рейнольдса, Re

 (2.14)

 (2.15)

 (2.16)