Модернизация систем автоматики в линии розлива пива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Автоматизация - это внедрение в производство технических средств, которые управляют процессами без непосредственного участия человека. Автоматизация приводит к улучшению показателей эффективности производства, улучшению качества, увеличению количества и снижению себестоимости выпускаемой продукции.

Высокие темпы развития промышленности неразрывно связанно с проведением автоматизации. Задачи, которые решаются при автоматизации современных производств, весьма сложны и требуют от специалистов знания не только устройства различных приборов, но и общих принципов составления систем автоматического управления.

Внедрение АСУ в производство обеспечивает: сокращение потерь от брака и отходов, уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий, увеличение межремонтных сроков работы оборудования. Благодаря автоматизации производства тяжелый труд рабочих заменяется на более легкий, что значительно увеличивает производительность труда и уменьшает трудоемкость.

В пищевой промышленности комплексной механизации и автоматизации уделяется большое внимание. Это объясняется сложностью и чувствительностью к нарушениям технических процессов, вредностью условий работ.

При автоматизации человек освобождается от непосредственного участия в производстве, а функции управления производственным процессом передаются автоматическим устройствам.

Автоматизация управления является одним из основных направлений повышения эффективности производства. Одним из направлений повышения эффективности энергетического производства является внедрение вычислительной техники в системах управления. Широкое внедрение АСУ - это объективная необходимость, обусловленная усложнением задач управления, повышением объёмов информации, которые необходимо перерабатывать в системах управления.

Темой дипломного исследования является «Модернизация системы автоматики линии розлива пива ЗАО «Гелиос»». Объектом исследования является линия розлива пива, находящаяся на вышеупомянутом заводе.

Предметом данной работы является исследование и реализация современных разделяемых технологий, проведение разработки и внедрения систем автоматизации существующих производственных линий, оснащенных устаревшими системами управления автоматической работой и учета результатов труда на Братском пивоваренном заводе «Гелиос».

Целью работы ставится проведение модернизации линии розлива пива, с целью устранения ряда конструктивных недостатков системы автоматического управления. Для выполнения работ по достижению цели дипломного проектирования будет осуществлен:

- подбор микропроцессорного управляющего узла, отвечающего заявленным требованиям и внедрен ЭВМ .

- проектирование мест расположения и выбор датчиков на линии розлива. -

- разработка информационной структуры создаваемой системы.

- разработка, написание и отладка программного обеспечения, необходимого для выполнения поставленных задач.

- Также будут рассмотрены вопросы безопасности жизнедеятельности при работе на данной линии, экологические вопросы производства , а также экономические аспекты модернизации.

1. Описание технологического процесса

Вся линия розлива начинается с транспортера подачи под разгрузку ящичного блока. Затем вся тара поступает на транспортировщик. По транспортировщику доставляется как стеклянная тара, так и полиэтиленовая тара(ПЭТ), различного объема. Первоначальная тара представляет собой ПЭТ-колбу, формы мензурки, которая доставляется на транспортировщик женщиной-оператором. До этого колба помещается в автомат для производства ПЭТ бутылок А-3000 №24. В автомате есть камера, где под давлением воздуха, резкого вдувания воздуха в нагретую колбу, формируется бутылка объемом 0,5 литра. В зависимости от формы объем может меняться: 1, 1.5, 2 и т.д. литра. Затем по конвейеру бутылки поступают в обмывочный аппарат. Это установка для мойки под давлением KARCHER HD-690. Происходит температурная обработка и обработка водой. В этой же установке происходит стерилизация бутылок, то есть обеззараживание. И как завершающий этап подготовки осуществляется последняя обмывка и сушка. Затем чистая и сухая тара по конвейеру поступает в аппарат заполнения бутылки пивом.

В этом аппарате находятся: установка для охлаждения воды типа ВТХО-7, установка для умягчения воды, компрессор Атлас Копко GA-15, насос дозатор ВТ4А. ПЭТ-а заполняется пивом и тут же закупоривается крышкой. Закрытие бутылки происходит пластиковым колпачком с извлечением остаточного воздуха из бутылки.

Далее бутылки проходят через счетчик бутылок, которой в свою очередь фиксирует количество пройденной тары, а позже через автоматическую этикеровочную машину для наклеивания этикеток. За всем процессом следят 4 человека, чтобы бутылка получилась правильной формы и без дефектов, правильное заполнение тары, ровное наклеивание этикеток. После этого бутылки по конвейеру поступают в упаковочную машину термоусадочную модели «ТУРБОПАК-А», которая предназначена для формирования 3-х рядов бутылок и группирования их в блок из 3-х бутылок в каждом ряду с последующей обвивкой блока термоусадочной плёнкой, сваркой плёнки и усадкой её в туннеле термоусадочного модуля с образованием транспортной тары.

Конструкция машины обеспечивает работу в двух режимах: в автоматическом режиме и в ручном режиме в период наладки.

Машина в автоматическом режиме совершает следующий цикл: падающий транспортер подает бутылки в зону формирования ряда. Когда бутылки достигают узла формирования ряда, срабатывает концевой датчик. Происходит фиксация бутылок на падающем транспортере. При этом зафиксированные бутылки отделяют свободные бутылки, находящиеся в зоне толкателя, от остальных бутылок, подаваемых транспортером. Предварительный упор отходит, освобождая поджатие бутылок, и толкатель сдвигает ряд бутылок на шаг. Цикл повторяется. Последующие ряды бутылок сдвигают предыдущие ряды, формируя блок. Когда блок сформирован в зоне толкателя, остальные бутылки фиксируются узлом фиксации бутылок на столе. Опускание платформы произойдет только в том случае, если сработает датчик в конце блока бутылок, т.е. когда все ряды в зоне толкателя будут заполнены.

Одновременно с фиксацией бутылок происходит опускание подвижных ребер узла разделения рядов в зоне толкателя.

Далее блок бутылок подается толкателем в зону сварки, протягивая за собой пленку. Блок фиксируется платформой узла прижима, а толкатель возвращается в исходное положение. Подмотка пленки в момент движения бутылок происходит автоматически. Ребра узла разделения рядов и платформа узла фиксации бутылок поднимаются, давая возможность освободившимся бутылкам двигаться в зону толкателя, а сварочная головка опускается. При движении сварочной головки вниз первыми касаются пленки ограждения головки, которые прижимают ее, затем нож, который разрезает ее вдоль сварочного шва. Последней касается пленки сварочная головка на подпружиненных стойках, которая сваривает ее.

Далее, чтобы упаковка не расползлась ее охлаждают в течении 5секунд с помощью вентиляторов ВРКК.

Готовый блок проталкивает по столу вновь образованным блоком на транспортер термоусадочного модуля, в камере которого под действием горячего воздуха происходит усадка пленки.

После прохождения камеры блок обдувается вентилятором, пленка остывает и обтягивает блок, создавая упаковку, готовую к дальнейшей транспортировке.

Так же используется рольганг-накопитель, исключающий повреждения упаковки при переносе неостывшего блока вручную.

Работа оператора заключается в осуществлении визуального контроля над функциями машины.

В состав электросхемы входят:

температурный контроллер, расположенный на лицевой панели электрошкафа и предназначенный для задания и поддержания заданной температуры сварочной головки;

контроллер ТР02, расположенный внутри электрошкафа, который осуществляет управление всей машиной;

- органы управления, расположенные на лицевой панели;

- панель уставок ОР05, расположенная на лицевой панели электрошкафа, которая предназначена для изменения временных уставок, отображения счетчика упаковок;

- электродвигатели размотки пленки (верхний и нижний) и подающего транспортера.



Рисунок.1.1 - Общий вид упаковочной машины «ТУРБОПАК-А»

1- узел верхней размотки рулона пленки; 2- нагнетатель; 3- термоусадочная камера; 4- вентилятор; 5- датчик формирования ряда; 6- привод транспортера термоусадочного модуля; 7- электрошкаф термоусадочного модуля; 8- толкатель формирователя блока; 9- узел фиксации бутылок на транспортере; 10- рабочий стол; 11- узел разделение рядов; 12- узел нижней размотки рулона пленки; 13- подающий транспортер; 14- узел перемещения блока в зону обвивки пленкой; 15- узел фиксациибутылок на столе; 16- узел сварки с прижимом и сварочной головкой; 17- пульт управления.

Рисунок 1.2. - Схема упаковки.



2. Параметрический синтез системы автоматического регулирования

2.1 Аппроксимация переходной характеристики объекта апериодическим звеном первого порядка. 1 способ

Определяем коэффициент усиления, который будет постоянен для всех методов.

Определяем участок запаздывания и постоянную времени T. Для этого проводим касательную к точке перегиба переходной характеристики объекта до пересечения ее с осью абсцисс.

Рис.2.1. Экспериментальная характеристика.

Определяем величину запаздывания ф = 0,5 сек. Находим величину, соответствующую абсциссе точки пересечения касательной с установившимся значением t* = 1,6. Определяем постоянную времени объекта как T=t*-ф=1,6-0,5=1,1 сек.

Полное запаздывание

Коэффициент усиления находим по формуле:

 , где

- установившееся значение переходной характеристики.

- единичное ступенчатое воздействие.

.

Таким образом, в результате расчетов получаем передаточную функцию следующего вида:

Передаточная функция

Определяем точность найденного. Воспользовавшись АСОТАРом, построим характеристику объекта.

Определяем ошибку аппроксимации и результаты заносим в таблицу 1.

Таблица 2.1.

t	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1	1,2	1,4	1,6	1,8	2	2,2	2,4	2,6	2,8
	0	2	3	5,97	35,1	66,2	91,3	109,7	122,7	131,5	137,6	141,6	144,4	146,2	147,4
	0	0	0	10	27,1	49,4	67,6	82,6	94,8	104,8	113,01	119,7	125,2	129,6	133,3
Д%	0	1,33	2	-2,6	5,27	11,1	15,7	18,1	18,5	17,8	16,3	14,6	12,8	11,0	9,4
3	3,2	3,4	3,6	3,8	4	4,4	4,8	5,2	5,8	6
148,3	148,8	149,2	149,4	149,6	149,7	151,84	153,89	155,93	157,95	159,96
136,3	138,8	140,8	142,5	143,8	149,9	153,9	156,6	157,2	157,7	158,1
7,9	6,67	5,57	4,64	3,84	3,18	2,63	2,16	1,78	1,46	1,20

Рис.2.2. Совмещение экспериментальной и расчётной характеристики в одной координатной плоскости.

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность превосходит допустимую погрешность в 5% и равна 18,5 %. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации не подходит для данной передаточной функции.

2 способ: Определяем постоянную времени T вторым способом. Для этого на оси ординат откладывается значение 0,63 hуст(t), потом от этой точки проводим параллельную оси абсцисс линию и перпендикулярную оси абсцисс от точки пересечения с графиком переходной характеристики (рис. 2.3.).

Рис.2.3. Экспериментальная характеристика.

 Через точку пересечения её с экспериментальной кривой проводим вертикальную прямую и величину А= 1,2. Определяем постоянную времени объекта как T=А-ф=1,2-0,5=0,7 сек.

Таким образом, в результате расчетов получаем передаточную функцию следующего вида:

Далее в Asotar строим полученную характеристику и изображаем экспериментальную характеристику в одной координатной плоскости с расчетной (рис.2.4.)

Рис.2.4. Совмещение экспериментальной и расчётной характеристики в одной координатной плоскости.

Определяем ошибку аппроксимации

и результаты заносим в таблицу 2.2.

Таблица 2.2.

t	hэкс(t)	hрасч(t)
0	0	0	0
0,2	2	2	0
0,4	3	4	-0,66667
0,6	5,970378	59,0204	-35,3667
0,8	35,11011	72,98743	-25,2516
1	66,23864	84,81027	-12,3811
1,2	91,3705	94,81808	-2,29839
1,4	109,7862	103,2895	4,331107
1,6	122,7079	110,4604	8,164972
1,8	131,5819	116,5305	10,03432
2	137,6085	121,6687	10,62659
2,2	141,677	126,018	10,43933
2,4	144,4148	129,6997	9,810056
2,6	146,2539	132,8162	8,958457
2,8	147,4881	135,4542	8,022566
3	148,3159	137,6873	7,085757
3,2	148,871	139,5775	6,195673
3,4	149,2432	141,1775	5,377088
3,6	149,4927	142,5319	4,640481
3,8	149,6599	149,6784	3,987661
4	149,772	153,6489	3,415421
4,4	152,8472	154,4704	2,917863
4,8	154,8976	155,1658	2,487864
5,2	156,9313	156,7544	2,117962
5,8	158,954	157,2527	1,80088
6	159,9691	159,6744	1,529817

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность превосходит допустимую погрешность в 5% и равна 10,62 %. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации не подходит для данной передаточной функции.

2.2 Метод Ольденбурга-Сарториуса

автоматизация пивоваренный управление производственный

В данном методе передаточная функция будет иметь вид:

.

1.Этот метод требует нормирования экспериментальной переходной характеристики в виде графика (рис. 2.5.) и таблицы 2.3.

Рисунок 2.5. Экспериментальная нормированная характеристика.

2. Точку перегиба привести к нормированному значению и отметить на графике переходного процесса. Определяем точку перегиба экспериментальной характеристики:

h'(t) = hi+1(t) - hi(t).

Таблица 2.3.

t	h(t)	h'(t)
0	0	0,013333
0,2	0,013333	0,006667
0,4	0,02	0,019803
0,6	0,039803	0,194265
0,8	0,234067	0,207524
1	0,441591	0,167546
1,2	0,609137	0,122771
1,4	0,731908	0,086145
1,6	0,818053	0,05916
1,8	0,877213	0,040177
2	0,91739	0,027123
2,2	0,944514	0,018252
2,4	0,962765	0,01226
2,6	0,975026	0,008228
2,8	0,983254	0,005519
3	0,988773	0,003701
3,2	0,992473	0,002481
3,4	0,994954	0,001663
3,6	0,996618	0,001115
3,8	0,997733	0,000747
4	0,99848	0,000501
4,4	0,998981	0,000336
4,6	0,999317	0,000225
5,2	0,999542	0,000151
5,8	0,999693	0,000101
6	0,999794	-0,99979

Точкой перегиба является точка {0,8;0,23}

Проводим касательную к графику в точке tp = 0,8сек и определяем значения a и b, как показано на графике:

a = 0,6, b = 1.

3. Найти отношение m=. a=1,6-1=0,6 в=1,6-0,6=1 m=

4. Величину m отложить по обеим осям номограммы.

5. Концы отрезков соединить.

Рис. 2.6 Номограмма для определения постоянных времени и

Т.к. при m=0,6 номограмму не пересекает, то поднимаем ее до первого пересечения.

7. Найти постоянные времени T1=B*в T2=А*а.

А,В=0,36 T1=0.36*1=0.36 T2=0.36*0.6=0.216

8. Определить расчетную точку перегиба.

9. Найти время полного запаздывания.

Передаточная функция объекта

Далее в Asotar строим полученную характеристику и изображаем экспериментальную характеристику в одной координатной плоскости с расчетной (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Совмещение экспериментальной и расчётной характеристики в одной координатной плоскости

Определяем ошибку аппроксимации

и результаты заносим в таблицу 2.4.

Таблица 2.4.

t	hэкс(t)	hрасч(t)	%
0	0	0	0
0,2	2	0	1,333333
0,4	3	0	2
0,6	5,970378	0	3,980252
0,8	35,11011	30,35216	3,171965
1	66,23864	60,59612	3,76168
1,2	91,3705	90,02684	0,894574
1,4	109,7862	112,4282	-1,76138
1,6	122,7079	127,0586	-2,90114
1,8	131,5819	136,2149	-3,0886
2	137,6085	141,8007	-2,79476
2,2	141,677	145,1557	-2,31911
2,4	144,4148	147,1506	-1,82388
2,6	146,2539	148,329	-1,38344
2,8	147,4881	149,022	-1,02266
3	148,3159	149,4284	-0,7417
3,2	148,871	149,6663	-0,53017
3,4	149,2432	149,8052	-0,37472
3,6	149,4927	149,8864	-0,26249
3,8	149,6599	149,9338	-0,18256
4	149,772	149,9614	-0,12623
4,4	152,8472	152,9775	-0,08687
4,8	154,8976	154,9869	-0,05954
5,2	156,9313	156,9924	-0,04068
5,8	158,954	158,9955	-0,02771
6	159,9691	159,9974	-0,01884

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность не превосходит допустимую погрешность в 5% и равна 3,98 %. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации вполне подходит для данной передаточной функции.

Улучшение метода:

d = 1-h(tp) = 1-0,44 = 0,56

f =1-h(2tp) = 1-0,91 = 0,09

сек

сек

В результате расчетов получаем передаточную функцию:

Рис.2.8. Совмещение экспериментальной и расчётной характеристики в одной координатной плоскости

Определяем ошибку аппроксимации



и результаты заносим в таблицу 2.5.

Таблица 2.5.

t	h(t)	hулуч(t)
0	0	0	0
0,2	2	0	1,333333
0,4	3	0	2
0,6	5,970378	0	3,980252
0,8	35,11011	21,64922	8,973925
1	66,23864	51,29281	9,963888
1,2	91,3705	75,4138	10,6378
1,4	109,7862	93,81574	10,64696
1,6	122,7079	107,7012	10,00447
1,8	131,5819	118,1582	8,949193
2	137,6085	126,0304	7,718741
2,2	141,677	131,9565	6,480357
2,4	144,4148	136,4174	5,331562
2,6	146,2539	139,7755	4,318901
2,8	147,4881	142,3033	3,456474
3	148,3159	144,2062	2,739781
3,2	148,871	145,6386	2,154907
3,4	149,2432	146,7169	1,68417
3,6	149,4927	147,5286	1,309376
3,8	149,6599	148,1396	1,013536
4	149,772	148,5996	0,781648
4,4	152,8472	152,9458	0,600928
4,8	154,8976	154,2064	0,460757
5,2	156,9313	156,4026	0,352473
5,8	158,954	158,5503	0,269104
6	159,9691	159,6615	0,205102

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность превосходит допустимую погрешность в 5% и равна 10,646 %. Отсюда делаем вывод, что, улучшение увеличивает ошибку, но выбранный метод аппроксимации подходит для данной передаточной функции.

2.3 Графоаналитический метод

Для решения этого метода перейдем к нормированной переходной характеристике:

Рис. 2.9. Нормированная переходная характеристика.

Передаточная функция имеет вид:

Выбираем два интерполяционных узла, в которых =0,33, =0,7.

По графику определяем значения t1=0,9 и t2=1,3.

Для определения T и используем равенства:

В результате расчетов получаем передаточную функцию:

Рисунок 2.10. Совмещение экспериментальной и расчётной характеристики в одной координатной плоскости.

Определяем ошибку аппроксимации

и результаты заносим в таблицу 2.6.

Таблица 2.6.

T	hэкс(t)	hрасч(t)
0	0	0	0
0,2	0	2	1,333333
0,4	0	3	2
0,6	0	5,970378	3,980252
0,8	27,19039	35,11011	5,279813
1	67,67825	66,23864	-0,95974
1,2	94,81808	91,3705	-2,29839
1,4	113,0105	109,7862	-2,14952
1,6	125,2052	122,7079	-1,66485
1,8	133,3795	131,5819	-1,19838
2	138,859	137,6085	-0,83361
2,2	142,5319	141,677	-0,56994
2,4	144,994	144,4148	-0,38614
2,6	146,6444	146,2539	-0,26035
2,8	147,7507	147,4881	-0,17507
3	148,4922	148,3159	-0,11756
3,2	148,9893	148,871	-0,07888
3,4	149,3225	149,2432	-0,0529
3,6	149,5459	149,4927	-0,03547
3,8	149,6956	149,6599	-0,02378
4	149,7959	149,772	-0,01594
4,4	152,8632	152,8472	-0,01069
4,8	154,9083	154,8976	-0,00716
5,2	156,9385	156,9313	-0,0048
5,8	158,9588	158,954	-0,00322
6	159,9724	159,9691	-0,00216

Из таблицы и рисунка видно, что погрешность превосходит допустимую погрешность в 5% и равна 5,279 %. Отсюда делаем вывод, что выбранный метод аппроксимации не подходит для данной передаточной функции.

2.4 Выбор регулятора

2.4.1 Выбор характера действия регулятора

Передаточная функция, полученная наиболее точным методом аппроксимации, имеет вид:

Выбираем такой регулятор, конструктивно - техническое оформление которого удовлетворяло бы требованиям надёжности, работоспособности применительно к конкретным условиям производства:

Гидравлический регулятор не подходит для данной системы, так как его недостатками является: небольшой радиус действия, огнеопасность, зависимость рабочих характеристик от температуры, что крайне не допустимо в нашем случае.

Пневматические регуляторы так же не могут быть применены в связи с неудовлетворением требования пожаровзрывобезопасности и необходимости наличия сжатого воздуха соответствующего качества, а так же сравнительно небольшая протяженность импульсных и командных линий.

Электрические регуляторы, наиболее широко распространенные в пожаровзрывоопасных помещениях, удовлетворяют требованиям нашего объекта. «Плюсом» этих регуляторов является то, что велика протяжённость командных и импульсных линий (более 300 м).

Ориентировочный принцип действия регулятора определяют по величине соотношения:

/T =0,72/0,36=2.

Если , то позиционный регулятор

Если , то регулятор непрерывного действия

Если , то многоконтурная система регулирования.

Под выбором типа регулятора подразумевается выбор простейшего закона регулирования наиболее дешевого и простого в эксплуатации регулятора, обеспечивающего при различных возмущениях в заданных пределах динамическую ошибку, время регулирования и статическую ошибку. Следовательно, тип регулятора любой автоматической системы может быть определен либо по 3 из этих показателей, либо по некоторым из них.

В промышленности наиболее часто применяют регуляторы непрерывного действия (И-, П-, ПИ- и ПИД-регуляторы).

И-регуляторы применяют на объектах, имеющих значительное самовыравнивание и малое время запаздывания. Для регулирования технологических величин на нейтральных объектах И-регуляторы не применяют, т.к. такие системы неустойчивы при любых значениях настроечных параметров.

П-регуляторы обладают быстродействием и работоспособны на инерционных объектах, но могут быть использованы лишь тогда, когда при изменении нагрузки объекта допустимо остаточное отклонение параметра от заданного значения.

ПИ-регуляторы имеют достаточное быстродействие, кроме того, способны выводить параметр на заданное значение, поэтому их применяют чаще других. Если объекты характеризуются большим запаздыванием и претерпевают значительные изменения нагрузки, П- и ПИ-регуляторы могут не справиться с обеспечением требуемого качества регулирования; в таких случаях используют ПИД-регуляторы.

Для данной системы находим и определяем

.

Выбираем регулятор непрерывного действия.

2.4.2 Выбор закона регулирования

Закон регулирования выбирается с учетом свойств объекта регулирования и заданных параметров качества переходного процесса. К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса, имеющего только ему присущие особенности, предъявляются конкретные требования.

Тип автоматического регулятора (закон регулирования) выбирается с учетом свойств объекта регулирования и заданных параметров качества переходного процесса. К качеству регулирования каждого конкретного технологического процесса, имеющего присущие только ему особенности, предъявляются конкретные требования. В одних случаях оптимальным или заданным может служить процесс, обеспечивающий минимальное значение динамической ошибки регулирования. В других - минимальное значение времени регулирование, и т.д. Поэтому в соответствии с требованиями технологии в качестве заданного выбирают один из типовых переходных процессов:

- граничный апериодический;

- с 20%-ным перерегулированием;

- с минимальной квадратичной площадью отклонения;()

В нашем случае выбираем апериодический переходный процесс с 20% перерегулированием.

t2* - время в течении которого желательно окончание переходного процесса.

T=0,36 сек.

= 0,72 сек.

Для выбора регулятора задаёмся величиной времени регулирования сек, в течении которого желательно окончание переходного процесса.

Определяем величину

.



Рис. 2.11 Номограмма для выбора типа регулятора.

По номограмме видно, что точка находиться между П и ПИД регуляторами, однако она лежит ближе к зоне ПИД регулятора, поэтом в данном случае выберем его.

2.5 Определение настроечных параметров регулятора

2.5.1 Табличный метод

Задача настройки заключается в том, чтобы в заданной системе регулирования выбрать и установить параметры регулятора, обеспечивающие близкий к оптимальному процесс регулирования. Существуют табличные и расчетные методы определения настроечных параметров регулятора.

Заключается в определении типа передаточной характеристики.

В соответствии с выбранным законом регулирования определить оптимальные настроечные параметры регулятора.

К объекта, и Т выбрать из передаточной функции наиболее точного способа идентификации.

Способность объекта приходить после возмущения в новое установившееся состояние без вмешательства регулятора называется свойством самовыравнивания объекта.

Объекты, обладающие этим свойством называются статическими объектами.

Ввести в АСОТАР настроечные параметры регулятора и построить переходную характеристику замкнутой системы.

Определение качества регулирования.

Рис. 2.12. Таблица для определения параметров регулятора.

Следует отметить, что эти формулы не обеспечивают высокой точности, поэтому их применяют обычно для грубых прикидочных расчетов.

Объект - статический, закон с 20% перерегулированием, ПИД-регулятор.

Таким образом, исходя из вышеприведенных формул настроечные параметры регулятора имеют следующие значения:

Отсюда: С0=kp/Tи=0,0028; C1=kp=0,004; C2=kp*Tд=0,0009.



Рисунок 2.13. График переходного процесса замкнутой системы.

Определяем параметры качества регулирования:

Интегральная оценка качества получившегося переходного процесса.

Определим передаточную функцию системы:

Определим выражение для сигнала на выходе системы:

Определим интеграл от выражения (h(t)-hуст), который и будет являться интегральной оценкой качества переходного процесса:

Определим показатели качества получившегося переходного процесса.

1) Время переходного процесса tp=1,73 секунд;

2) Перерегулирование =(hmax1-hуст)/hуст=0%,т.к. допускается 20% перерегулирование.

3) Число колебаний 0;

4) Колебательность =hmax2/hmax1*100%=100%;

5) Частота колебаний для данного процесса не определяется;

6) Время достижения первого максимума tmax=0,4 секунды;

7) Время нарастания переходного процесса tн=0,28 секунды;

8) Степень затухания =(Аi-Ai+1)/Ai=0.

2.5.2 Метод расширенной амплитудно-фазо частотной характеристики

Этот метод базируются на:

использовании в качестве критерия, определяющего качество переходного процесса регулирования, степени затухания ш;

определении расширенных амплитудно-фазовых характеристик объекта и регулятора;

применении основного условия устойчивости системы.

Степень затухания - есть величина, характеризующая затухание переходного процесса регулирования, равная отношению разности двух соседних амплитуд колебания (направленных в одну сторону) к первой из них.

Однако в непосредственных расчетах используется другой показатель качества, функционально связанный со степенью затухания ш.

Таким показателем является степень колебательности - m. Он также характеризует затухание колебательных составляющих процесса регулирования и численно определяется как отношение абсолютного значения действительной части к коэффициенту при мнимой части корня характеристического уравнения с наименьшим абсолютным значением этого отношения. Ее можно выразить через степень колебательности процесса:

= 1- е-2m,

где 2m - логарифмический декремент затухания колебаний.

tg = m, т.е. получаем, что = arctg m Различным значениям степени затухания ш соответствуют следующие значения величины m:

Таблица 2.7.

ш	0,000	0,150	0,300	0,450	0,600	0,750	0,900	1,00
m	0,000	0,026	0,057	0,095	0,145	0,221	0,366	?

Формальное определение РАФХ из передаточных функций W(р) заключается в замене оператора

р= -mw+jw=(j-m)w.

Для получения РАФХ экспериментальным путем надо создавать периодическое возмущение не с постоянной, а с затухающей амплитудой:

Однако в инженерной практике метод экспериментального определения частотных характеристик не применяется; поэтому они получаются либо аналитическим путем, либо графическим методом по заданным графикам нормальных частотных характеристик.

Если m=0, то очевидно, что РАФХ W(m,jw) совпадает с нормальными АФХ W(р).

Исходным условием при расчете оптимальных параметров настройки является соотношение

,

т.е. произведение РАФХ объекта и регулятора равно единице.

Когда необходимо определить параметры настройки регулятора, обеспечивающие заданную степень затухания, производится замена р = (j-m)w. Смысл этой замены заключается в том, что мы заранее предполагаем, что корни характеристического уравнения имеют отрицательные части, а численное значение его обеспечивает заданный запас устойчивости, степень колебательности и затухания. Введение подобной замены есть не что иное, как переход к расширенным АФЧХ.

Рис. 14 Для раскрытия понятия РАФЧХ.

Расчёт.

1.Путём замены p = (j-m)w определяем РАФЧХ объекта Wоб(m,jw) и разлагаем на действительную и мнимую части.

,

,

,

,где ,

.

2.Аналогичным образом переходим к РАФЧХ регулятора.

,

,

.

3.Исходя из условия

,

Имеем

Проведя соответствующие преобразования, получаем систему уравнений:

Решаем систему уравнений относительно и .

,

4.Решаем систему уравнений с двумя неизвестными, в качестве которых выбираем настроечные параметры регулятора и .

Наш регулятор с тремя параметрами настройки, следовательно, определяем и в зависимости от частоты для разных значений .

5.Подставляем в уравнения численные значения частоты от нуля до значения, при котором Со становится отрицательной величиной.

После того, как мы получили эти формулы, вносим их в программу Excel и с помощью неё производим дальнейшие расчёты.

Рис. 2.15 Плоскость параметров настройки регулятора при m=0,00005.

Таблица 2.8.

w	C0	C1
0	0	-0,00667
0,1	8,82E-05	-0,00639
0,2	0,000355	-0,00603
0,3	0,000804	-0,00561
0,4	0,001435	-0,0051
0,5	0,002248	-0,00451
0,6	0,003243	-0,00384
0,7	0,004414	-0,00308
0,8	0,005754	-0,00223
0,9	0,00725	-0,00128
1	0,008883	-0,00022
1,1	0,010625	0,000945
1,2	0,012436	0,002218
1,3	0,014262	0,0036
1,4	0,016034	0,005085
1,5	0,01766	0,006662
1,6	0,019029	0,008311
1,7	0,020009	0,010006
1,8	0,020447	0,01171
1,9	0,020174	0,013375
2	0,019011	0,014946
2,1	0,016783	0,016358
2,2	0,013325	0,01754
2,3	0,0085	0,018418
2,4	0,002211	0,018923
2,5	-0,00559	0,01899

2.6 Анализ качества процесса регулирования

Выбираем на линии точку Т1, эта точка имеет координаты:

Рис.2.16 График переходного процесса замкнутой САР с параметрами регулятора в точке 1.

Интегральная оценка качества получившегося переходного процесса.

Определим передаточную функцию системы:

Определим выражение для сигнала на выходе системы:

h(t)=83,169exp(-5,517t)+242,576exp(-0,099t)*cos(-1,651t+4,36).

Определим интеграл от выражения (h(t)-hуст), который и будет являться интегральной оценкой качества переходного процесса:

Определим показатели качества получившегося переходного процесса.

1) Время переходного процесса tp=2,75 секунд;

2) Перерегулирование =(hmax1-hуст)/hуст=17,78%, при допустимом перерегулировании 20%.

3) Число колебаний 2;

4) Колебательность

=hmax2/hmax1*100%=75,46%;

5) Частота колебаний

;

 6) Время достижения первого максимума tmax=0,6 секунд;

7) Время нарастания переходного процесса tн=0,4 секунд;

8) Степень затухания

=(Аi-Ai+1)/Ai=0,16.

В точке 2

Рис. 2.17. График переходного процесса замкнутой САР с параметрами регулятора в точке 2.

Интегральная оценка качества получившегося переходного процесса.

Определим передаточную функцию системы:

Определим выражение для сигнала на выходе системы:

h(t)=258,55exp(-3,59t)+322,92exp(-1,95t)*cos(-2,186t+3,78).

Определим интеграл от выражения (h(t)-hуст), который и будет являться интегральной оценкой качества переходного процесса:

Определим показатели качества получившегося переходного процесса.

1) Время переходного процесса tp=2,6секунд;

2) Перерегулирование =(hmax1-hуст)/hуст=6,43%, при допустимом перерегулировании 20%.

3) Число колебаний 2;

4) Колебательность

=hmax2/hmax1*100%=80,38%;

5) Частота колебаний

;

6) Время достижения первого максимума tmax=0,81 секунд;

7) Время нарастания переходного процесса tн=0,42 секунд;

8) Степень затухания

=(Аi-Ai+1)/Ai=0,096.

В точке 3



Рис. 2.18 График переходного процесса замкнутой САР с параметрами регулятора в точке 3.

Интегральная оценка качества получившегося переходного процесса.

Определим передаточную функцию системы:

Определим выражение для сигнала на выходе системы:

h(t)=98,23exp(-1,49t)+104,48exp(-3t)*cos(-4,16t+2,79).

Определим интеграл от выражения (h(t)-hуст), который и будет являться интегральной оценкой качества переходного процесса:

Определим показатели качества получившегося переходного процесса.

1) Время переходного процесса tp=0,98 секунд;

2) Перерегулирование

=(hmax1-hуст)/hуст=0%,

при допустимом перерегулировании 20%.

3) Число колебаний 0;

4) Колебательность =hmax2/hmax1*100%=100%;

5) Частота колебаний для данного процесса не определяется;

6) Время достижения первого максимума tmax=0,6 секунд;

7) Время нарастания переходного процесса tн=0,38 секунд;

8) Степень затухания

=(Аi-Ai+1)/Ai=0.

В точке 4

Рис. 2.19. График переходного процесса замкнутой САР с параметрами регулятора в точке 4.

Интегральная оценка качества получившегося переходного процесса.

Определим передаточную функцию системы:

Определим выражение для сигнала на выходе системы:

h(t)=44,48exp(-0,35t)+50,966exp(-3,57t)*cos(-5,74t+2,62).

Определим интеграл от выражения (h(t)-hуст), который и будет являться интегральной оценкой качества переходного процесса:

Определим показатели качества получившегося переходного процесса.

1) Время переходного процесса tp=1,72 секунд;

2) Перерегулирование

=(hmax1-hуст)/hуст=0%,

при допустимом перерегулировании 20%.

3) Число колебаний 0;

4) Колебательность

=hmax2/hmax1*100%=100%;

 5) Частота колебаний для данного процесса не определяется;

6) Время достижения первого максимума tmax=0,7 секунд;

7) Время нарастания переходного процесса tн=0,46 секунд;

8) Степень затухания

=(Аi-Ai+1)/Ai=0.

Построим в одной плоскости и в разных масштабах кривые С0=f(C1) и I=f(C1). При анализе полученных кривых можно сделать вывод, что точка, находящаяся правее максимума имеет настроечные параметры регулятора, при которых переходный процесс получается высокого качества.

Рис. 2.20 Кривые С0=f(C1) и I=f(C1).Сравнительная зависимость интегральной оценки от выбора точек на линии равной степени затухания.

Вывод: оптимальные параметры ПИД-регулятора соответствуют точке 4. Из графика на рис.20 видно, что минимум кривой интегрального качества приходится на точку Т4 с настройками регулятора C1 = 0,0184, C0= 0,0085, следовательно в этой точке будет наиболее оптимальный процесс для регулирования.

2.7 Структурная схема автоматизации

Рис 2.21. Структурная схема автоматизации регулирования температуры ножа в МАШИНЕ УПАКОВОЧНОЙ ТЕРМОУСАДОЧНОЙ МОДЕЛИ «ТУРБОПАК-А».

В данной схеме: Р - регулятор (ТРА-12000А совместно с ЭВМ) ИМ - исполнительный механизм (электромагнитный клапан 3963) РО - рабочий орган (нагревательный элемент в сварочной головке) ОУ - объект управления (температура сварочной головки) Д - датчик (Термопреобразователь ТКХ 008-000)

2.8 Выбор технических средств

2.8.1 Выбор регулятора

МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ТРА-1200А

Микропроцессорный блок управления ТРА-1200А предназначен для программного управления, регулирования и контроля процесса работы промышленных автоматов вертикального типа для фасовки и упаковки сыпучих и штучных продуктов в пакеты из термосвариваемых пленок с объемным дозированием. Блок обрабатывает (по двум независимым каналам) сигналы первичных термопреобразователей, поддерживает температуру сварочных ножей, а также принимает сигналы с фотодатчика, концевых выключателей (герконов) и выдает сигналы управления исполнительными устройствами (подачей пленки и упаковываемой продукции, включением и выключением двигателя конвейера готовой продукции) в соответствии с заданной логикой. Регулирование температуры сварочных ножей осуществляется по пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону.

Характеристика	Значение
Напряжение питания	220В 50 Гц
Допустимое отклонение напряжения питания	-15… +10 %
Потребляемая мощность	Не более 6 ВА
Рабочий диапазон регулирования температуры	00 …4000 С
Разрешающая способность	0,50 С
Предел допустимой основной погрешности измере-ния входного параметра (без учета датчика)	0 0,5 %
Способ отображения контролируемой величины	цифровой
Количество разрядов индикации	4
Период измерения	0,5 с
Допустимая температура окружающего воздуха	+10 С…+400 С
Атмосферное давление	86…107 кПа
Относительная влажность воздуха (при 25? С)	30…80 %
Габаритные размеры	228х136х80 мм
Масса блока	Не более 1,4 кг

В рабочем режиме на цифровые индикаторы блока выводятся значения текущей температуры сварочных ножей. Ввод значения температуры уставки и параметров ПИД-регулирования по каждому из каналов осуществляется с клавиатуры, расположенной на лицевой панели блока, после перехода в режим программирования. Заданные параметры и режимы сохраняются в энергонезависимой памяти прибора при его отключении. Симисторные выходы реализованы непосредственно в блоке управления. Микропроцессорный блок обеспечивает работу упаковочной машины в двух режимах - по фотометке и по геркону. Блок комплектуется фотоэлектронным датчиком щелевого типа. Предусмотрена возможность подключения датчика заполнения бункера и датчика защиты двигателя. Конструктивно микропроцессорный блок выполнен в щитовом исполнении.

2.8.2 Выбор датчиков

Регулятор обрабатывает (по двум независимым каналам) сигналы первичных термопреобразователей, поддерживая температуру сварочных ножей, поэтому в качестве датчика принимаем термоэлектрический преобразователь (ТХК 008-000)

Рабочий диапазон температур	-40….+600°С
Чувствительный элемент	Термоэлектродная проволока d=1,2 мм
Показатель тепловой инерции	Не более 40 с.
Условное давление рабочей среды, Ру	0,4 МПА
Защищенность от воздействия пыли и воды	IP55
Устойчивость к воздействию вибрации	N3

Преобразователь типа ТХК обладает:

-- наибольшей чувствительностью; -- высокой термоэлектрической стабильностью при температурах до 600°С. Предназначены для работы в окислительных и инертных средах. Недостаток: высокая чувствительность к деформациям

Для уменьшения погрешности измерения необходимо подключать термопару к измерительным приборам с помощью термоэлектродных проводов с жилами хромель-капель.

Сечение термоэлектродного провода, компенсационного провода и термопарного провода

2.8.3 Выбор исполнительного механизма и рабочего органа

Рабочие органы - это установленные на объекте нагревательные элементы, заслонки, задвижки, краны, различные переключатели, имеющие самые разнообразные конструкции в зависимости от вида регулируемого технологического параметра.

Исполнительный механизм, непосредственно сочленённые с регулирующим органом, перемещают последний в соответствии с сигналом, поступающим от устройства, формирующего закон регулирования. Этот комплекс часто называют исполнительным устройством.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми рассматриваемому технологическому процессу, выбираем электромагнитный клапан модели 3963.

Рабочий орган - электромагнитный клапан модели 3963.

Электромагнитный клапан предназначен для управления пневмопитанием , работающий в режимах открыть / закрыть.

Технические характеристики :

Управляющий сигнал : постоянный ток - 6В..-..27 В

переменный ток - 24В..-..36В

Точка включения : напряжение ?4.8 В

ток ?1.41 мА

мощность ? 5.47 мВт

Точка включения ? 1 В

Внутреннее сопротивлении 2.6 кОм

Пневмопитание 0.14…0.6 МПа

Выходной пневмосигнал до 0.6 МПа

Расход воздуха : во включенном состоянии ?10 л/час

в выключенном состоянии ?80 л/час

Время срабатывания ?65мс

Температура окружающей среды -25…80 0С

Ресурс не менее 20 000 000 циклов

Пылевлагозащищенность IP 54

Взрывозащищенное исполнение EExiaIICT6

Кабелеввод М20 х 1.5

Подвод пневмопитания G1/4

Масса 0.57 кг

Заключение

В данном дипломном проекте предлагалось модернизировать существующую на данный момент систему автоматики, используя современные средства автоматизации. При этом были произведены необходимые расчеты и выбрано более подходящие оборудование.

Можно сделать вывод, что поле внедрения в линию ЭВМ, ПИд-контроллера ТРА - 1200А, термопреобразователя ТКХ и электромагнитного клапана система стала наиболее устойчивой. Появилась возможность регулировки температуры сварочной головки с точностью до 0,10 С , что приводит к наименьшему браку продукции. В свою очередь само регулирование стало намного проще, оператор находясь за персональным компьютером нажатием нескольких клавиш в любой момент времени может сменить температуру сварочной головки до необходимой величины , а также по желанию можно сделать запрос по количеству произведенной продукции пройденной через счетчик в зависимости от даты.

В технико-экономическом расчете была дана оценка экономической эффективности, на основании, которой можно сказать, что модернизация является экономически выгодной.

Во-первых, снижаются затраты на ремонт и обслуживание. Система достаточно надежна, срок ее бесперебойной эксплуатации в среднем составляет 10 лет. В связи с этим сократится численность обслуживающего персонала, что в конечном итоге даст определенный прирост прибыли.

Во-вторых, и это является основной причиной для выбора именно данной системы: в результате высокоточного регулирования почти на 0,3 % снизится выход брака - транспортировочной тары из полиэтилена, а это в свою очередь даст немалый прирост прибыли от увеличения большего объема выпускаемой продукции по сравнению с прежним. Причем качество произведенной продукции улучшится.

В-третьих сократилось число рабочих часов у работников цеха выполняющих регулировку и настройку САР.

Таким образом, по истечении приблизительно 9 месяцев внедренная САР начнет приносить прибыль.

Список использованной литературы

1. Пиргач Н.С., Пиргач В.С. Автоматическое регулирование и регуляторы в целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесохимической промышленности: Учебник для техникумов. - 2-е изд., исп. и доп. - М.: Лесная промышленность, 1983. - 264 с.

2. Система автоматического управления: Лабораторный практикум/ Т.Н. Буштрук, А.Д. Буштрук, Т.А. Григорьева, А.В. Авсиевич. - Братск: БрИИ, 1998.-60с.

3. Параметрический синтез локальных систем автоматического управления: Методические указания к курсовому проектированию/ В.Н. Толубаев, Т.А. Григорьева.-Братск: БрГТУ, 2000.-29С.

4. Под ред. проф. Арустамова Э.А. «Безопасность жизнедеятельности». Учебник. Издание четвертое. М.: «Дашков и К»,2002. - 496с.

5. «Безопасность жизнедеятельности»/ Под ред. д-ра техн. наук, проф. С.В. Белова.-3-е издание.-М./ «Высшая школа»,2001.-488 с.

6. Инструкция по охране труда, при эксплуатации электрооборудования. ТОИ Р-97300-020-2000. ЗАО «Гелиос».

7. Пальгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. - М.: Строй-издат, 1990.-352с.

8. Гринин А.С., Новиков В.Н. Промышленные и бытовые отходы: Хранение, утилизация, переработка. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002.-336 с.

9. Экономика предприятий энергетического комплекса: Учеб. для вузов/ В.С. Самсонов, М.А. Вяткин. - 2-е изд.- М.: Высш. шк., 2003. - 416 с.: ил.

10. Теория автоматического управления: Линейные системы: Методические указания к курсовой работе / Т.Н. Буштрук, А.Д. Буштрук.- Братск: ГУВПО БрГТУ, 2000.- 32 с.

11. Вопросы дипломного проектирования: Методические указания к курсовой работе / В.Н. Толубаев.- Братск: ГОУВПО БрГТУ, 2004.- 50 с.

12. Руководство по эксплуатации. 150.00.00.000 РЭ. «Машина упаковочная термоусадочная модели «ТУРБОПАК-А». ЗАО «Таурас-Феникс». С-П. 2003 г.

Размещено на Allbest.ru