Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кафедра автоматизации производственных процессов

Дипломный проект

Расчетно-пояснительная записка

Специальность «Автоматизация технологических процессов и производств»

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлен проект автоматизации изготовления и испытания задвижки. Проект состоит из расчётно-пояснительной записки (РПЗ) и графической части.

Расчётно-пояснительная записка содержит: обоснование автоматизации технологического процесса изготовления корпуса задвижки и испытательного стенда. Представлен анализ технологического процесса изготовления задвижки, а так же анализ путей автоматизации испытательного стенда.

Проектно - конструкторская часть содержит системный анализ проектируемой СУ стенда на основе методов декомпозиции, выбор и расчёт основных технических средств.

Информационное и программное обеспечение включает в себя разработку алгоритма работы системы.

В технологическое обеспечение проекта входит разработка технологического процесса обработки корпуса задвижки, расчёт режимов резания и техническое нормирование операций.

В РПЗ приводится: эксплуатационная документация на стенд; разработан технологический процесс изготовления корпуса задвижки; функционально-стоимостной анализ проекта; раздел безопасности и экологичности проекта. В заключении содержится описание проделанной работы.

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня невозможно найти такую область промышленности, где бы ни применялась трубопроводная арматура. С каждым годом потребность в трубопроводной арматуре возрастает.

Одним из крупнейших в России производителей трубопроводной арматуры является ОАО "ИКАР" Курганский завод трубопроводной арматуры. Продукция ОАО "ИКАР" используется в 40 странах мира.

Выпускаемая ОАО "ИКАР" арматура применяется в оросительных системах, в холодильных установках, в технологических линиях и атомных электростанциях, трубопроводах для воды, пара, нефти, газа на гидротранспорте, на предприятиях угольной, нефтяной, биологической, медицинской промышленности. Общий годовой выпуск арматуры составляет более 800 тыс. штук.

Завод неукоснительно придерживается политики выполнения всех требований, предъявляемых к каждой операции, которую выполняет предприятие. Руководство предприятия разработало и приняло политику, обеспечивающую соблюдение требований ISO, API, соответствующих стандартов, норм и других регулирующих документов, а также требований заказчиков для всех изделий, выпускаемых на ОАО "ИКАР". Вышеуказанное позволяет производить продукцию стабильного качества.

Руководство по обеспечению качества (РОК) является основным документом, описывающим политику ОАО "ИКАР" в этой области, а также меры, обеспечивающие понимание политики качества всеми сотрудниками. Весь управленческий персонал несёт ответственность за создание условий, при которых забота о качестве играет первостепенную роль. Начальник инспекции системы качества является ответственным представителем ОАО "ИКАР" по качеству. Он наделён исключительными полномочиями для обеспечения того, чтобы внедрённая система качества поддерживалась в соответствии с требованиями спецификации АРI QI и стандарта ISO 9001-94.

Для обеспечения высокого качества и надежности выпускаемой продукции завод имеет полный комплекс средств для контроля и испытания материалов: химическая, механическая, рентгеноскопическая лаборатории, ультразвуковой контроль, оборудование для цветной дефектоскопии. Завод имеет более 40 испытательных стендов и специальный корпус для стендовых испытаний (стендовый корпус (СК)) давлением до 150 МПа. Одним из стендов для испытания арматуры является стенд НКА 99-13. Данный стенд позволяет проводить испытания как водой так и воздухом.

Цель испытаний - обеспечение заданной долговечности трубопроводной арматуры при действии на нее полного комплекса внутренних и внешних воздействий, возникающих в трубопроводе при эксплуатации технологических систем. Задачей испытаний является экспериментальное установление показателей долговечности трубопроводной арматуры при действии или моделировании комплекса внутренних и внешних воздействий.

К испытаниям арматуры относят такие испытания, которые оперируют отказами, связанными с накоплением износных повреждений, и испытания на надежность. Выделяют два условия -- нормальные и ускоренные. По назначению испытания могут использоваться как определительные, оценочные, сравнительные, исследовательские, типовые и т.д.

В качестве нормальных условий испытаний применяются режимы, заданные требованиями нормативно-технической документации. При отсутствии таковых, нормальный режим назначают в соответствии с условиями эксплуатации арматуры, характеризуемыми параметрами рабочей, управляющей и окружающей среды. Для ускоренных испытаний проводят обоснование принципа ускорения на основе анализа данных о работе конкретного типа арматуры и физической природы изнашивания. В результате определяют доминирующий вид изнашивания, контролируемый параметр, характеризующий уровень изнашивания, и метод измерения этого параметра.

Основными задачами данного дипломного проекта являются обоснование автоматизации испытания, выбор исполнительных устройств, разработка технологического процесса изготовления корпуса задвижки, разработка системы управления, системный анализ на основе методов декомпозиции. Разработка алгоритма программы управления циклом испытания. Так же одной из основных задач является функционально - стоимостной и экономический анализ обеспечение безопасности и экологичности.

Цель данного дипломного проекта заключается в проектировании автоматизированного диагностического стенда для испытаний задвижек. Так же разрабатывается маршрут технологического процесса изготовления корпуса задвижки, производится расчёт режимов резания и нормирование операций.

1 Обоснование автоматизации технологического процесса изготовления задвижки и испытательного стенда

1.1 Устройство и принцип работы испытательного стенда

Данный стенд спроектирован по заказу ОАО «Икар» на самом предприятии. Он предназначен для испытания арматуры для нефтяных станций.

Общий вид гидростенда НК 99-13 представлен в графической части (лист № 1). Гидростенд состоит из: рамы на ней установлен бак для воды объёмом 90 л, две стойки к которым крепится траверса с винтом. Траверса имеет заглушку с маховиком для создания верхнего уплотнения в испытываемом изделии, на заглушке установлен клапан для сброса давления. Также на раме установлена плита с гидроцилиндром для поджатия изделия, прихваты для захвата изделия. По кругу плиты имеется борт, который предохраняет от попадания воды за приделы стенда. Таким образом вода возвращается по патрубку обратно в бак. Также гидростенд имеет электрошкаф, в котором установлен мультипликатор для создания высокого давления, насос для заполнения изделия водой, фильтр для очистки воды, клапана обратные, реле и микроконтроллера. За щитом установлена гидростанция. Так же имеется стол, на котором находится компьютер для управления процессом испытания, стул для слесаря-испытателя.

Стенд для испытаний предназначен для проведения испытаний трубопроводной арматуры в приближенных к реальности условиям. На данном стенде можно проводить испытания задвижек Ду 80…200 мм, водой давлением Рр 1,6; 4,0; 6,3 МПа, и воздухом давлением 0,6 Мпа. На стенде проводятся испытания на прочность и плотность материала и изделия и испытание на герметичность затвора. Данный стенд допускается к применению в заводских помещениях, где есть источники переменного тока напряжением 380В с частотой 50 Гц.

Техническая характеристика стенда НКА 99-13

1. Давление применяемое на стенде для испытания изделий:

а) водой рабочее...................................................... 1,6; 4,0; 6,3 МПа

б) водой пробное......................................................2,4; 6,0; 9,5 МПа

в) воздухом.............................................................................0,6 МПа

2. Объём бака для воды.................................................................90 л

3. Мультипликатор для создания высокого давления

а) диаметр пневмоцилиндра......................................................200 мм

б) диаметр штока мультипликатора...........................................40 мм

в) ход штока мультипликатора.................................................250 мм

г) подача жидкости за 1 ход......................................................0,314 л

4. Насос для заполнения изделия водой....................................ПА-22

5. Гидроцилиндр зажима изделия

а) диаметр поршня....................................................................200 мм

б) ход поршня..............................................................................40 мм

6. Гидростанция: СВ-М1-40-1Н-2,2-5,3

а) рабочее давление.............................................................. 12,5 МПа

б) мощность электродвигателя.................................................2,2 кВт

7. Габариты стенда

а) длина....................................................................................3500 мм

б) ширина.................................................................................1100 мм

в) высота...................................................................................2000 мм

8. Масса .....................................................................................1700 кг

1.1.1 Общие положения

Требования, предъявляемые к задвижкам, подвергаемых испытаниям, изложены в ТУ 4111-40-00218147-93. При транспортировании задвижек на испытание и хранении их на предприятии должна быть исключена возможность повреждения задвижек, внутренние полости предохранены от загрязнений заглушками, затвор закрыт. Должны присутствовать все ниже перечисленные элементы:

1. Гидравлический стенд, пневматический стенд;

2. Весы ГОСТ 29329-92 средний класс точности;

3. Манометр с классом точности - 2.5 ГОСТ 2403-88;

4. Тарированный ключ;

5. Линейки металлические ГОСТ 427-75;

6. Мерный цилиндр ГОСТ 1770-74.

Установочное положение задвижек - любое.

Испытания изделий проводятся с целью:

- проверки соответствия технических характеристик задвижек требованиям технической документации;

- проверки обоснованности технических решений, заложенных в конструкции задвижек;

- проверка качества изготовления;

- подтверждение показателей надежности;

- определения возможности изготовления задвижек.

Испытание проводится водой при нормальной температуре, а наличие или отсутствие протечек выявляется внешним осмотром испытуемого изделия, по падению давления в замкнутом объеме или соответствующими приборами. Гидравлическое испытание должно производиться до окраски изделия. Давление создается при помощи насосов. Продолжительность испытания устанавливается соответствующей технической документацией (стандартами и техническими регламентами). Время выдержки изделия под пробным давлением должно быть достаточным для осмотра и установления годности изделия. В ряде случаев продолжительность нахождения под давлением принимается в зависимости от наибольшей толщины стенки корпусных деталей. Для ответственных изделий выдержка принимается не менее 10 мин. После выдержки давление снижают до 4/5 пробного давления и производят тщательный осмотр изделия. Давление при осмотре должно поддерживаться постоянным. Пропуск воды и потение через металл и сварные швы не допускаются.

При испытании корпуса, крышки и сварного шва на прочность и плотность материала испытанию должны подвергаться все полости трубопроводной арматуры, заполняемые рабочей средой. Поэтому арматура испытывается при открытом положении запорного органа, но с заглушёнными проходными отверстиями. Протечки воды или «потение» через металл не допускается. Не допускаются механические разрушения или видимые остаточные деформации. При обнаружении течи или «потения» через металл, при испытании, отметить место пропуска среды красной грунтовкой. Детали, в которых при испытаниях выявлены течь или потение, после исправления заваркой должны быть подвергнуты повторному испытанию.

При испытании на прочность материала клина и на герметичность затвора, не допускаются протечки через затвор, а также протечки и «потение» через металл клина. Не допускаются механические разрушения или видимые остаточные деформации. При обнаружении течи или «потения» через металл, при испытании, отметить красной грунтовкой бракованный клин, разобрать, заменить клин, собрать и снова испытать. В целях предохранения внутренних поверхностей корпусных деталей от коррозии для испытания в водный раствор добавляют ингибиторы коррозии.

Испытание арматуры на герметичность проводится для проверки качества обработки уплотнительных поверхностей деталей запорного органа трубопроводной арматуры. Одновременно контролируется качество сборки разъемных соединений. Гидравлическое испытание на герметичность производится под условным давлением Pу и выполняется после гидравлического испытания на прочность. При испытаниях задвижек давление создается с каждой из сторон запорного органа: сначала с одной, а затем - с другой стороны. Соответственно, с противоположной стороны производится осмотр. Арматура, снабженная приводами, дополнительно испытывается на обеспечение герметичности запорного органа приводом.

В закрытом положении запорная арматура не должна пропускать среду из одной части трубопровода в другую, отделенную запорным органом. Однако, в ряде случаев нет необходимости предъявлять к арматуре особо высокие требования в отношении герметичности, поскольку иногда некоторая незначительная протечка допустима. В связи с этим разработана классификация общепромышленной запорной арматуры по классам А, В, С, D герметичности с соответствующими нормами допустимой протечки, предусмотренными ГОСТ 9544-93. По классу А видимых протечек не допускается. Методика испытания трубопроводной арматуры представлена в графической части на листе № 9.

1.1.2 Условия проведения испытаний

Общие требования к проведению испытаний, требования к испытываемым изделиям, требования к стендам и испытательной оснастки, требования безопасности должны осуществляться в соответствии с требованиями технических условий, технического описания и инструкции по эксплуатации.

Персонал, производящий испытания должен: знать устройство стендов, на которых проводятся испытания; изучить техническое описание и инструкцию по эксплуатации; пройти инструктаж по технике безопасности.

1.2 Анализ технологического процесса изготовления задвижки

Базовый технологический процесс приведён в таблице 1. В базовом варианте технологического процесса способ получения заготовки выбран рационально, который соответствует типу производства и сложности конструкции изделия - литьё в землю. Механическая обработка производится как на универсальных станках, так и на станках с ЧПУ: токарных, сверлильных и фрезерных. Обработка производится по принципу дифференциации операций, с большим количеством установов. Инструмент применяется универсальный: резцы с напайными пластинами, свёрла спиральные из быстрорежущего сплава с кондукторными втулками.

Для выполнения первых операций механической обработки используются в качестве баз необработанные поверхности. Первоначальные базы простые и имеют достаточные размеры, которые обеспечивают устойчивое положение заготовки на станке.

После обработки детали производятся испытания на герметичность. Затем производиться технический контроль с помощью измерительных инструментов: штангенциркули и шаблоны, а также специальный мерительный инструмент. Контрольные средства соответствуют данному типу производства и требованиям точности.

Таблица 1 - Базовый технологический процесс

№	Наименование операции	Оборудование	Краткое содержание операции
000	Заготовительная		Литьё в землю
005	Токарно-винторезная	Станок 1А64	Обработка первого магистрального фланца под базу
010	Токарно-винторезная	Станок 1А64	Обработка второго магистрального фланца
015	Токарная с ЧПУ	Станок 1512Ф3	Обработка второго магистрального фланца
020	Токарная с ЧПУ	Станок 1512Ф3	Обработка первого магистрального фланца
025	Токарная с ЧПУ	Станок 1А516Ф3	Обработка горловины
030	Токарная с ЧПУ	Станок 1А516Ф3	Чистовая расточка под седла
035	Токарно-винторезная	Станок 1А64	Обработка тыльной стороны магистральных фланцев
040	Радиально-сверлильная	Станок 2А55	Сверление и нарезание резьбы в 14 отверстиях
045	Радиально-сверлильная	Станок 2А55	Сверление 8 отверстий O22 на каждом из магистральных фланцев

1.3 Анализ путей автоматизации испытательного стенда

Первое что необходимо автоматизировать это систему управления и контроля за испытанием. Такая автоматизация может снизить количество слесарей-испытателей до одного человека. Необходимо будет заменить вентили, управляющие подачей давления и воды на электромагнитные клапаны. Используемые в данном стенде манометры необходимо заменить на современные датчики давления, которые позволят получать более точную информацию о процессе испытания. Необходимо разработать систему управления стендом.

В систему управления испытанием необходимо включить ЭВМ. Такая система может оказаться очень гибкой и удобной, так как с компьютера можно будет управлять всеми устройствами и своевременно получать и перерабатывать информацию о ходе испытания. Использование персонального ЭВМ позволит получать выходные акты и протоколы испытаний буквально сразу после окончания испытаний. Предложенная система серьёзно облегчит труд рабочих, ускорит время проведения испытаний и автоматизирует их.

1.4 Задачи управления гидравлической и пневматической системами стенда

Функции системы управления можно определить через систему его необходимых внешних воздействий. С одной стороны система управления выступает как управляющий автомат по отношению к стенду для испытаний арматуры высокого давления, с другой - система управления вместе со стендом является объектом управления со стороны человека.

Анализируя функции управления данным стендом можно выделить несколько их классов. Взаимодействие СУ с объектом - технологическим оборудованием состоит в управлении дискретной автоматикой, электромагнитными клапанами - логическая задача. Особенностью логической задачи является наличие большого числа обменных сигналов между СУ и объектом. СУ в данном контексте обеспечивает управление подачей рабочего и пробного давления воды и воздуха в испытуемое изделие, включение гидростанции, пневмостанции, контроль давления, обслуживание сигналов с пультов управления, включение и управление насосом и мультипликатором, Но все же главной задачей остается контроль на наличие протечек.

Технологическая задача состоит в достижении требуемого качества испытания с наименьшими затратами. Главным показателем качества испытаний является надежность испытуемого объекта. Для обеспечения качественных испытаний необходимо соблюдать технологию процесса испытания.

1.5 Анализ тенденций развития пневмогидроавтоматики стенда

Главные современные тенденции в управлении технологическими процессами (ТП) определяются общим стремлением к использованию коммерческих технологий. Промышленность переходит от ручного к специализированному аппаратному и программному обеспечению, к применению компонентов общего потребления. Стимулы к такому переходу различны. Для конечных пользователей таких систем - инженеров и технологов на производстве - на первом месте стоят простота интеграции и низкая стоимость.

Главным компонентом таких систем являются - персональные компьютеры (ПК) и программируемые контроллеры, совместимые с персональными компьютерами. Благодаря нарастающему быстродействию и снижающейся стоимости их лидирующее положение должно сохраниться и в обозримом будущем. Стоимость процессоров снизилась на три порядка с 1975г. Предполагается, что к 2015 г. она уменьшится еще во столько же раз. Беспрецедентные возможности обработки информации сочетаются с гибкими возможностями связи.

Если провести анализ развития современных гидравлических и пневматических стендов для испытания арматуры высокого давления, то не трудно будет заметить уникальность каждого из них. Так же можно увидеть, что разработки таких стендов ведутся очень интенсивно и в различных направлениях машиностроительных и других типов производств. Вообще, в настоящее время потребность в таких испытательных стендах очень велика, потому что на современном рынке конкурентно способной может быть только качественная продукция, так как качество исполнения продукции гарантирует ее надежность и безопасность в эксплуатации. Данные характеристики должны разрабатываться, проверяться, дорабатываться и испытываться на испытательных стендах, которые в свою очередь должны удовлетворять современным условиям испытательного оборудования и производства в целом. Для этого испытательное оборудование должно быть оснащено высоко точными и надежными автоматическими или автоматизированными системами управления и автоматическими исполнительными агрегатами.

Высокие цены на арматуру высокого давления, жесткие требования к качеству, надежности и безопасности ее исполнения диктуют уникальность, сложность и гарантийную ответственность процесса испытания и всего испытательного оборудования в целом. Поэтому, оборудование на испытательных стендах, как правило, очень дорогостоящее, что в свою очередь приводит к высоким ценам на автоматизированные стенды для испытания арматуры высокого давления.

1.6 Функционально-стоимостной анализ базовой СУ стенда

В данном разделе обоснована экономическая целесообразность разработки системы управления для стенда НКА 99-13. Для этого используется функционально-стоимостной анализ. С использованием корректирующей формы функционально-стоимостного анализа производится анализ базового варианта технической системы, подвергающийся инновационным преобразованиям. В результате данного анализа в базовом варианте обнаруживаются функциональные и структурные элементы системы, обладающие экономической несостоятельностью или функциональной недостаточностью. Именно эти элементы должны быть рационализированы. При этом кроме технических эффектов от разработки, появляются экономические, социальные, экологические и иные эффекты.

Построение структурной модели.

Структурная модель (СМ) - это упорядоченное представление элементов объекта и отношений между ними, дающее представление о составе материальных составляющих объекта, их основных взаимосвязях и уровнях иерархии. Структурная модель базового варианта стенда представлена на рисунке 1.

Построение функциональной модели объекта.

Функциональная модель (ФМ) - это логико-графическое изображение состава и взаимосвязей функций объекта, получаемое по средствам их формулировки и установления порядка подчинения. ФМ базового варианта стенда представлена на рисунке 2.

Построение совмещенной функционально-стоимостной модели (ФСМ) объекта.

В данном пункте производится функционально-стоимостной анализ базового варианта стенда. ФСМ объекта пригодна для выявления ненужных функций и элементов в объекте (бесполезных и вредных); определения функциональной достаточности и полезности материальных элементов объекта; распределения затрат по функциям; оценки качества исполнения функций; выявления дефектных функциональных зон в объекте; определения уровня функционально-структурной организации изделия. Построение ФСМ осуществляется путем совмещения ФМ и СМ объекта. ФСМ системы управления базового варианта стенда, представлена в таблице 2.

Оценка значимости функции ведется последовательно по уровням ФМ (сверху вниз), начиная с первого. Для главной и второстепенной, т.е. внешних функций объекта при оценке их значимости исходным является распределение требований потребителей (показателей качества, параметров, свойств) по значимости (важности).

Нормирующим условием для функции является следующее:

где rij - значимость jой функции, принадлежащей данному iому уровню ФМ; j=1,2,...,n;

n - количество функций, расположенных на одном уровне ФМ и относящихся к общему узлу вышестоящего уровня.

Для внутренних функций определение значимости ведется исходя из их роли в обеспечении функций вышестоящего уровня.

Определение относительной важности функции R.

Учитывая многоступенчатую структуру ФМ, наряду с оценкой значимости функций по отношению к ближайшей вышестоящей определяется показатель относительной важности функции любого i-го уровня Rij по отношению к изделию в целом



где G - количество уровней ФМ.

В случае если одна функция участвует одновременно в обеспечении нескольких функций верхнего уровня ФМ, ее значимость определяется для каждой из них отдельно, а относительная важность функции для объекта в целом рассчитывается как сумма значений Rij по каждой ветви ФМ (от iго уровня до первого), проходящей через эту функцию.

Оценка качества исполнения функций Q.

Обобщенный (комплексный) показатель качества варианта исполнения функций оценивается по формуле:

где n - значимость nго потребительского свойства;

Pnv - степень удовлетворения nго свойства в vом варианте;

m - количество свойств.

Важным элементом качества исполнения функций является функциональная организованность изделий, которая определяется следующими показателями.

Показатель актуализации функций, определяется коэффициентом актуализации:

где Fп - необходимые функции;

Fоб - общее количество действительных функций;

Показатель сосредоточения функций, определяется коэффициентом сосредоточения:

где Fосн - количество основных функций;

Fоб - общее количество функций.

Показатель совместимости функций, определяется коэффициентом совместимости

где Fс - функции согласования;

Fоб - общее количество функций.

Показатель гибкости функций, определяется коэффициентом гибкости

где FP - количество потенциальных функции;

FП - количество необходимых функций.

Качество выполнения функций будет иметь вид



Определение абсолютной стоимости функций.

Функционально необходимые затраты - минимально возможные затраты на реализацию комплекса функций объекта при соблюдении заданных требований потребителей (параметров качества) в условиях производства и применения (эксплуатации), организационно- технический уровень которых соответствует уровню сложности спроектированного объекта.

Абсолютная стоимость реализации функций Sабс определяется по формуле:

Sабс=Sизг+Sэкспл+Sтр+Sэн+Sпроч

где Sизг - затраты, связанные с изготовлением (приобретением) материального носителя функции. В состав этих затрат входят: затраты на проектирование, изготовление (модернизацию), пуско-наладочные работы, обучение персонала:

Sэкспл - эксплуатационные затраты;

Sтр - затраты, связанные с трудоемкостью реализации функции;

Sэн - энергозатраты на реализацию функции;

Sпроч - прочие затраты на реализацию функции .

Определение относительной стоимости реализации функций

Относительная стоимость реализации функций SотнF определяется по формуле



где Sабс - суммарная абсолютная стоимость функционирования объекта.

SабсFij - абсолютная стоимость реализации jой функции iго уровня ФМ.

Построение функционально-стоимостных диаграмм (ФСД) и диаграмм качества исполнения функций (КИФ).

Данные диаграммы строятся для базового и проектного варианта исследуемого объекта. Они имеют целью выявления зон диспропорции, т.е. зон избыточной затратности реализации функции, а также определение зон функциональной недостаточности (низкого качества исполнения функций).

Диаграммы ФСД и КИФ строятся для базового варианта (до принятия проектного решения) и проектного варианта. Они вынесены на графическую часть проекта и изображены на листе 8.



Рисунок 1 - Структурная модель базового варианта стенда



Рисунок 2 - Функциональная модель базового варианта стенда

Таблица 2 - Функционально-стоимостная модель базового варианта стенда

Индекс функции	Наименование функции	Материальный носитель функции	R	R	Q	Sабс.	Sотн.
F1	Распределение воды и воздуха	Система подачи воды и воздуха	0,3	0,09	-1,2	87000	-0,946
f1.1	Хранение и сбор воды	Бак с водой	0,1	0,03	-0,4	3000	-0,033
f1.2	Подача воды	Гидростанция	0,2	0,06	-0,8	25000	-0,272
f1.3	Подача воздуха	Пневмостанция	0,2	0,06	-0,8	25000	-0,272
f1.4	Устройство повышения давления	Мультипликатор	0,2	0,06	-0,8	8000	-0,087
f1.5	Подкачка воды на стенд	Насос	0,2	0,06	-0,8	8000	-0,087
f1.6	Распределение воды и воздуха	Клапана	0,1	0,03	-0,4	18000	-0,196
F2	Система наблюдения	Система контроля	0,3	0,09	-1,2	5000	-0,054
F2.1	Устройства диагностики	Манометр	1	0,3	-3,9	5000	-0,054
F3	Управление работой стенда	Система управления стендом	0,4	0,16	-0,2	12000	-0,130
f3.1	Устройство для электроавтоматики	Щит электроавтоматики	0,5	0,2	-2,0	10000	-0,109
F3.2	Подача команд	Кнопочное управление гидроcтанцией, пневмостанцией, мультипликатором, насосом	0,5	0,2	-2,0	2000	-0,022

? Sабс. = 92000

1.7 Разработка технического задания на проект

1.7.1 Наименование и область применения

Автоматизированный диагностический стенд предназначен для проведения испытаний трубопроводной арматуры. На стенде проводятся испытания на прочность и плотность материала и изделия и испытание на герметичность затвора.

Регистрация, сбор, первичный анализ и сохранение диагностических данных производятся с максимальным использованием современных средств вычислительной техники.

Рабочее давление при испытании водой - до 6,3 МПа

Рабочее давление при испытании воздухом - до 0,6 МПа

Испытательная среда - вода, воздух

1.7.2 Цель и назначение разработки

В связи с ростом требований к качеству и надежности испытуемого оборудования и самого процесса испытаний, изменяется подход к процессу испытаний и испытательному оборудованию. Требуется более точное соблюдение технологического процесса испытания. Прежняя система управления на базе ручного управления не удовлетворяет требованиям современного производства, возникает потребность в системах управления нового типа. Разработки в этой области идут по пути создания системы управления на базе регулирующих микроконтроллеров и элементов электроавтоматики, которые в составе системы управления придают ей большую гибкость, точность соблюдения технологического процесса, удобство в работе. Таким образом, цель формируется из двух пунктов, замены ручных элементов (вентилей) элементами электроавтоматики (клапанами электромагнитными) и установкой автоматической системы управления данными элементами и всем процессом испытания в целом.

1.7.3 Источники информации

При разработке стенда должны быть использованы требования и данные отраслевых и государственных стандартов на испытание трубопроводной арматуры, данные научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов, а так же документация на современные цифровые контрольно-измерительные приборы и средства вычислительной техники.

1.7.4 Стадии и этапы разработки

Разработка должна выполняться в сроки, предусмотренные заданием на дипломное проектирование.

1. Получение темы

2. Утверждение задания

3. Разработка основных разделов проекта

4. Оформление графической части

5. Оформление пояснительной записки

6. Предварительная защита работы

7. Защита работы

1.7.5 Порядок контроля и приёмки

Контроль за ходом разработки должен вестись руководителем по графику работы. Перед защитой в Государственной аттестационной комиссии законченный дипломный проект предоставляется на предварительную защиту, а затем проходит рецензирование. Не позднее суток до защиты в ГАК все материалы дипломного проекта, включая отзыв и рецензию, представляются секретарю ГАК. Защита проекта должна быть произведена в установленные сроки на заседании ГАК.

2. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1 Системный анализ проектируемой СУ стенда на основе методов декомпозиции

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итерактивных последовательностях процедур анализа и синтеза.

Интерактивный процесс "анализ-синтез" формирует создаваемый объект, базируясь на философских диалектических категориях "часть и целое", характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом, затем переходит к анализу -расчленению целого на части и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого.

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как "свертка" поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе 2.

2.1.1 Декомпозиционный анализ задачи создания объекта

Потребности и цели создания объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формирует общее представление об объекте. Анализ объекта на втором этапе осуществляется путем декомпозиции поставленных задач в пространстве, в основном, не метрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к объекту. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой исходят из следующих двух положений:

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения и потребности объекта, определяются основные направления, формирующих концепцию его строения в виде множества структурных характеристик Хо, образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, для каждой области (свойства) Хо первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х Х, выбираемым на основе анализа известных решений. Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rn={ Х }, в котором каждое решение представлено вектором xRn, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = { Х1, … , Хi , … , Хn }

Геометрической интерпретацией пространства Rn является его развертка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц:

RB = n ( n-1 )

Развертка n-мерного поискового пространства для задачи проектирования автоматизированного управления пневмогидростенда для испытания арматуры на листе № 2 графической части дипломного проекта.

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m1 m 2 … m n

где m1 - количество альтернатив реализации первого признака.

Таблица 3 - Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры пневмогидростенда

Х	1-й уровень декомпозиции	Хв	2-й уровень декомпозиции
Х1	Типы испытываемых изделии	Х11 Х12 Х13	Клапаны Вентили Задвижки
Х2	Виды проводимых испытаний	Х21 Х22	Испытание на прочность и плотность материала изделия Испытание на герметичность затвора
Х3	Рабочая среда	Х31 Х32 Х33	Вода Воздух Вода и воздух
Х4	Средства контроля результатов испытания	Х41 Х42 Х43	Визуальные Сигнальные датчики и лампочки Вывод информации на экран
X5	Устройства подачи рабочей жидкости	Х51 Х52	Гидравлический насос Электромеханический насос
X6	Устройства Закрепления изделия	Х61 Х62 Х63	Приспособление Электромеханический зажим Гидрозажимы
X7	Загрузочно разгрузочное устройство	Х71 Х72	Нет Кран
X8	Рабочее давление	Х81 Х82 Х83 Х84	До 1,6 МПа Свыше 1,6 МПа до 4,0 МПа Свыше 4,0 МПа до 6,3 МПа До 0,6 МПа
X9	Управление системой	Х91 Х92 Х93	Децентрализованное Централизованное Комбинированное
X10	Тип системы управления	Х101 Х102 Х103	Ручное ЧПУ Микропроцессор
X11	Средства контроля качества	Х111 Х112 Х113 Х114	Нет Визуальный Манометр Датчики
X12	Охранные мероприятия	Х121 Х122	Без охранных средств Несанкционированный доступ к стенду исключён

Итого общее количество вариантов структуры N определяется:

N = 3*2*3*3*2*3*2*4*3*3*4*2=186624

2.2 Декомпозиционная схема формирования структуры СУ

2.2.1 Синтез структурно-компоновочных решений объекта

Заключительный третий этап выбора и принятия решения после проведения системного анализа создания нового объекта путем её декомпозиции существенно облегчается, но всё же остается непростым из-за большого числа комбинаций N, являющихся вариантами искомого решения. Задача синтеза состоит в том, чтобы в каждом из n -- блоков первого уровня Хо декомпозиционной схемы выбрать по одной альтернативе Хов, подбор которых должен сформировать "наилучший" вариант.

Простейшим при выборе наиболее эффективного решения является традиционный способ, используемый при обработке морфологических таблиц и предусматривающий последовательное сокращение (свертку) множества вариантов путем отбрасывания наименее перспективных, нереализуемых, наиболее дорогих и других, кажущихся неэффективными, альтернатив. Однако этот способ при увеличении количества признаков и реализующих их альтернатив соответственно до n > 5 m > 2 становиться весьма трудоемким, а выбранное решение, в значительной мере субъективным. Проблема состоит не только в выборе лучших альтернатив в отдельных блоках, но и в наилучшей их совместимости друг с другом.

2.2.2 Выбор целевых условий

Далее будет использован метод двухступенчатого ранжирования с присвоением оценок и при необходимости расчетом "весов" для выбираемых элементов, многократно апробированный при создании новых сложных объектов на уровне изобретений.

Предложенный метод предусматривает на первой ступени упорядочения выделение из n - блоков Хо декомпозиционной схемы S - блоков, содержащих на уровне альтернатив Хов наиболее важные характеристики, которые могут быть отражены в задании на создание объекта. Такие блоки Хо обычно в количестве S = 2...4 несут S - целевых условий (по одному условию для каждого блока), представленных альтернативами, реализующими эти блоки.

Тогда остальные g - блоков (g = n - s) будут содержать на уровне альтернатив локальные решения типа условий - ограничения, а множество, формирующее вариант синтезируемого решения X, составят два подмножества Хs и ХG

X = { XS, XG }, x Rn (1)

Набор условий Хs, выбираемых на второй ступени упорядочения, определяет некоторую S - мерную цель синтеза:

XS = { XSi }, i = 1…S; = 1… m (2)

Выбранные локальные целевые условия XSi, как правило, неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и поэтому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью некоторого параметра i, т.е.:

1 2 … S (3)

Значения оценочных параметров i, устанавливаются с соблюдением дополнительного условия, в качестве которого удобно использовать соотношение:

1 + 2 + …+ S = 1 (4)

Для данного проекта набор целевых условий следующий:

Виды проводимых испытаний:

XS1 = Х13: 1 = 0,5.

Среды используемые при проведении испытаний

XS2 = Х33: 2 = 0,3

Средства контроля результатов испытаний:

XS3 = Х103: 3 = 0,2.

0,5+0,3+0,2=1.

В итоге трехмерная цепь синтеза:

XS = { X23, Х51 , X93 } (5)

2.2.3 Выбор условий ограничения

Любой объект, процесс или проект нетехнической сферы деятельности человека характеризуется структурой и параметрами. Начальное представление о строении объекта несет его структура. С её формирования как облика проекта и начинается синтез. Проведя декомпозицию и выбрав в полученном поисковом пространстве Rn некоторую S - мерную цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать g - мерное “решение - ограничение”.

На основе метода ранжирования определяем условия ограничения:

XG* = { XGj}, j = 1,…, g = n - s (6)

где XGj - альтернатива, реализующая j-й блок декомпозиционной схемы и удовлетворяющая всем S - целевым условиям множества XS = { XSi }.

Если при выборе целевых условий XSi можно было использовать исходные данные, то при выборе условий ограничения XGj такие возможности уменьшились.

Оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима. В этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно формировать паретовское множество альтернатив.

Итак, эффективное решение - ограничение XG*, в отличие от XG (6) определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив при “мягкой” конкуренции всех ранее выбранных целевых условий XGj. Для решения этой задачи предлагаются следующие шаги:

1. Каждой альтернативе XGj в блоках XGj по каждому условию XSi присваивается оценка iGj , например, по трехступенчатой шкале в виде кодов (оценок): “ лучшая альтернатива (решение)” - код 1, “ альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равнозначные” - код 2, “ в блоке уже есть лучшая альтернатива ” - код 3.

2. Каждой оценке в соответствие с её кодом присваивается численное значение по правилу:

Код Значение iGj

1 iGj = i,

2 iGj = i / m,

3 iGj = 0,

где mi - количество альтернатив Gj в блоке iGj.

3. В каждом блоке XGj выбираются оценки iGj с наилучшими численными значениями и соответствующие им альтернативы XGj по принципу

max iGj XG1, …, max iGj XGg (7)

1,…,S 1,…,S

4. Формируется в виде множества X* эффективное решение - наилучший вариант.

Таблица 4 - Результаты выбора решений-ограничений XGj целевыми условиями XSi

XSi	XGj
X13 Х32 X103	X21, X63, X72, X114 X52 , X82, X122 X43, X92 , X114

Для нашего варианта эффективное решение - ограничение

XG* = {X21, X43, X52, X63, X72, X82, X92, X114, X122}

2.2.4 Формирование оптимальной по Парето структуры объекта

Согласно этому подходу, альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительна для остальных целей. Принцип оптимальности по Парето далее утверждает, что никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето - оптимальной. Лишь при таком (паретовском) выборе можно увеличить степень удовлетворения некоторых целей, не ущемляя при этом других целей. Таким образом, альтернатива паретовского множества обладает тем свойством, что дальнейшее увеличение степени предпочтения для достижения одних целевых условий возможно только за счет других. Проблема состоит в том, чтобы выбрать наилучшие паретовские альтернативы во всех блоках g = n - S. И эта проблема всегда достаточно серьезна, однако сам подход ведущий к общему выигрышу, уже является практически важным достижением в решении противоречивых интересов в любой сложной ситуации. К тому же можно утверждать, что оптимальность по Парето является категорией нравственной.

Оптимальный по Парето вариант формируется в виде множества:

X* = { XSi ,XGj*} (8)

В развернутом виде с указанием всех целевых условий XSi и условий ограничений ХGj множество (9) запишется так:

X* = { XSi ,…, XSs , ХG1,…, ХGg} (9)

Для данного случая эффективное решение будет иметь вид:

X* = { X13, Х21, X32, X43, X52, X63, X72, X83, X92, X103, X114, X122} (10)

Далее разработаем компоновку объекта и сформируем основные параметры объекта. В итоге мы имеем следующие результаты: стенд предназначается для испытания задвижек (X13), проводят испытания на прочность и плотность материала (Х21), для чего используются вода (Х32), для контроля результатов испытаний информация выводится на экран (Х43),

-устройство подачи рабочей жидкости: гидравлический насос - Х52

-устройство зажимает изделие: гидрозажимом - Х63

-давление применяемое при испытании свыше 4,0 и до 6,3 МПа - Х83

-способ транспортирования и загрузки к стенду и от него изделия при помощи крана - Х72

-охранные мероприятия: несанкционированный доступ к стенду исключён - Х122

-средства контроля качества при помощи датчиков - X114.

2.3 Выбор основных технических средств

2.3.1 Выбор датчиков давления

Любая система управления в первом приближении состоит из двух основных функциональных узлов: технологического объекта управления и управляющего устройства. В данном проекте объектом управления является система, состоящая из мультипликатора, насоса, гидроцилиндра, гидростанции и системы вентилей, управляющих распределение воды и воздуха, а устройством управления - микропроцессорное устройство.

Для установки необходимого давления в системе и в испытываемом изделии используются вентили на ручном управлении и манометры. Если эту задачу возложить на микропроцессорную систему управления посредством датчиков давления и вентилей, работающих от электропривода, мы получим более точные результаты установки давления и измерения, устраним нежелательную монотонность труда оператора, процесс будет значительно более быстрым и будет гораздо меньше ошибок, поэтому, более удобным в условиях массового производства. Кроме того, появится возможность установить точное давление в испытываемом изделии.

Управление мультипликатором, насосом, гидроцилиндром, гидростанцией, вентилями с электроприводом, датчиками и выдача информации оператору - все это задачи проектируемой системы управления. Контроль давления осуществляется с помощью датчиков давления.

Датчики абсолютного и избыточного давления Certe серии ALPHA производятся на основе пьезорезистивных чувствительных элементов, изготовленных из монокристалла кремния. Кремний является идеально упругим материалом, который возвращается к своему начальному состоянию после устранения нагрузок. В результате в датчиках давления Certe явления гистерезиса по температуре и давлению пренебрежимо малы по сравнению с погрешностью нелинейности, которая может быть уменьшена благодаря специальной схеме обработки сигнала до 0.1% ВПИ. Кроме основной погрешности для каждого датчика давления Cetre ALPHA также нормируется максимальная погрешность в некотором диапазоне температур, который определяется заказчиком.

Благодаря высокой упругости материалов и специальной конструкции, обеспечивающей отсутствие внутренних напряжений в чувствительном элементе обеспечиваются высокие характеристики датчиков давления Certe ALPHA: повышенная точность и долговременная стабильность, отсутствие явлений гистерезиса, устойчивость к ударным и знакопеременным нагрузкам. Уход характеристики преобразования для датчиков Certe ALPHA составляет не более 0.1% ВПИ в год.

Корпус датчика выполнен из нержавеющей стали, который надежно защищает его от внешних воздействий. Отдельные варианты конструкции могут обеспечить максимальную защиту от пыли и влаги. От воздействия измеряемой среды датчик защищен мембраной из нержавеющей стали.

Датчики общего назначения различаются по видам выходного сигнала, типами электрических разъемов и присоединений к процессу.

Для измерения высокого давления в стенде, подходят датчики типа Alpha V200.

Рисунок 3 - Датчик давления Alpha V200.

Техническая характеристика:

Питание: 12…36 В

Потребляемая мощность: не более 100 мВТ

Сопротивление нагрузки: не более 10 кОм

Масса: не более 200 г.

Диапазон изменения: 0…5 В

Материал корпуса: полиамид

Покрытие контактов: олово

Температурный диапазон: от -40 до + 90 0С

Диаметр кабеля: 3,5 - 6 мм

Защита:

- пылевлагозащита IP 65

- огнестойкость UL 94

Верхние пределы измерения (ВПИ): 60 МПа

Основная погрешность: ±0,6% ВПИ/год

Стабильность: 0,1% ВПИ/год

Время отклика: менее 1 мс

Устойчивость к вибрации: F3 по ГОСТ 12997

Рабочая среда: газообразные и жидкие среды

2.3.2 Выбор устройства управления

Открытие и закрытие клапанов, управляющих подачей давления и воды осуществляется с помощью 2/2 ходовых электромагнитных клапанов для газов и жидкостей, фирмы Burkert. Компания "BURKERT Easy Fluid Control Systems" является крупнейшим в Европе производителем электромагнитных и пневматических клапанов. Клапаны "BURKERT" изготавливаются для работы на паре, воде, воздухе, газе, в химически активных и вязких средах под высоким давлением.

Клапан открывается без дифференциального давления при 0 рабочем давлении. Нормально закрытый клапан с сервомембраной и принудительным подъёмом. В состоянии покоя сердечник закрывает при помощи пружины отверстие в центре держателя мембраны. Через дроссельное отверстие в мембране жидкость попадает поверх мембраны и возникающее над мембраной давление закрывает клапан. При подаче напряжения на катушку сердечник сначала открывает регулирующее отверстие. Возникшее до этого давление на мембрану падает и клапан при помощи возникшего давления с другой стороны, а так же при помощи электромагнитной силы открывается.



Рисунок 4 - Внешний вид клапана

Техническая характеристика:

Материал корпуса: нержавеющая сталь

Напряжение: 24 В

Мощность: 9 Вт

Присоединение: G ? внутренняя резьба

Сечение: 20 мм

Давление: 0 - 16 бар

Вес: 1,4 кг

Расход жидкости: 5 м3/ч

Расход воздуха: 5300 л/мин

Температура среды: -10…+90 0С

Разработанная система управления автоматизированного стенда представлена следующими элементами:

Таблица 5 - Перечень элементов управления

№	Обозначение элемента	Наименование элемента	Количество
1	Гидростанция	СВ-М1-40-1Н-2,2-5,3	1
2	Пневмостанция		1
3	Насос	ПА - 22	1
4	Электромагнит клапана	0290-A-20	4
5	Датчик положения клапана	BURKERT	4
6	Датчик давления	Alpha V 200	2
7	Мультипликатор		1

Таблица 6 - Таблица входных сигналов

№	Источник сигнала	Количество	Тип сигнала
1	Датчик давления	2	Аналоговый
2	Датчик положения клапана	4	Дискретный

Таблица 7 - Таблица выходных сигналов

№	Объект управления	Приёмник сигнала
1	Гидростанция	Реле
2	Пневмостанция	Реле
3	Насос	Реле
4	Мультипликатор	Реле

Согласно таблицам 6 и 7 устройство управления должно выполнять обработку 2 аналоговых и 4 дискретных входных сигналов. МикроЭВМ может обрабатывать только цифровую информацию, поэтому для связи микропроцессора с объектом должны использоваться аналого-цифровые преобразователи (АЦП). На выходе имеем 4 дискретных сигнала.

Вполне приемлемым в данной ситуации оказывается контроллер с 8 аналоговыми и 8 дискретными входами, и 16 дискретными выходами модели Z80181 фирмы Zilog Inc. (США). Так же были рассмотрены варианты других контроллеров, но они не подходят из-за отсутствия аналоговых входов и тем самым усложняют системы, как например контроллер фирмы Octagon Systems (США) с 24 дискретными каналами ввода-вывода (модель 6040). Так же контроллер Z80181 имеет возможность подключаться к компьютерам и общаться с операционной средой Windows, а это делает его очень удобным в работе. Так же этот контроллер довольно новый, по сравнению с другими моделями, типа Adam или MicroPC.

При написании программ к контроллеру можно использовать практически любое знакомое программное обеспечение и средства разработки (например, DOS, Windows NT/95/98, QNX, Linux и др., языки С, Assembler и т.д.), работающие на стандартной РС платформе. Z80180 совместимый микропроцессор с 1- канальным контроллером последовательной связи Z80C30 SCC (Serial Timer Controller), контроллером счетчика-таймера Z80 СТС (Counter timer Controller), двумя 8-разрядными универсальными параллельными портами, и двумя сигналами Chip Select. Техническая характеристика микроконтроллера Z80181

* 8 каналов АЦП

* 8 аналоговых входов

* 8 дискретных входов

* 16 дискретных выходов