Разработка системы автоматизированного управления дозатором технологических растворов

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДОЗАТОРОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ

Дипломная работа

2010г.

Реферат

Выпускная квалификационная работа 135 с., 30 рис., 8 табл., 34 источников, 13 прил., 17 л. графич. материала.

АЛГОРИТМ УПРАВЛЕНИЯ, СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ДОЗАТОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ.

Объектом исследования является дозатор технологических растворов.

Цель работы - разработка алгоритма автоматизированного управления дозатора технологических растворов.

Разработанная математическая модель дозатора технологических растворов представлена в виде системы уравнений, описывающих отдельные технологические стадии и связи между ними.

Разработанные алгоритмы управления реализуют необходимую точность дозирования в соответствии с техническим заданием.

Данная работа была представлена руководству радиохимического завода ОАО «ГХК» в качестве коммерческого предложения для внедрения на производство.

Выпускная квалификационная работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007. Реализация модели осуществлена в пакете символьной математики MATLAB 7.0, в приложении Simulink.

Содержание

Введение

1 Обзор дозирующих устройств

1.1 Объёмные дозаторы

1.2 Весовые дозаторы

1.3 Двухканальное дозирующее устройства

1.3.1 Работа дозирующего устройства

1.3.2 Недостатки

1.4 Пневматический дозатор исходного раствора

1.4.1 Работа дозатора

1.4.2 Недостатки

1.5 Дозатор постоянного давления

1.6 Дозатор «Архимеда»

2 Информационная структура объекта управления

3 Функциональная схема автоматизации

3.1 Описание функциональной схемы автоматизации

4 Система управления

4.1 Структурная схема дозирующего устройства

5 Выбор элементной базы

5.1 Контроллер универсальный «Каскад»

5.1.1 Назначение

5.1.2 Состав и технические характеристики

5.1.3 Устройство и работа КУ «Каскад»

6 Программа управления дозатора технологических растворов

7 Экономическая часть

7.1 Технико-экономическое обоснование

7.2 Расчет затрат на разработку программы

7.3 Расчет цены разработанной программы

7.4 Расчет капитальных вложений

7.5 Расчет эксплуатационных расходов

7.6 Расчет денежного годового экономического эффекта

7.7 Расчет рентабельности

7.8 Оценка научно-технической результативности

8 Безопасность жизнедеятельности

8.1 Введение

8.2 Характеристика вредных и опасных факторов, имеющих место в лаборатории

8.3 Электробезопасность

8.4 Требования безопасности при работе видеотерминалов и ПЭВМ

8.4.1 Эргономика и организация рабочего места

8.4.2 Мероприятия по выполнению норм естественного и искуственного освещения

8.4.3 Мероприятия по борьбе с производственным шумом

8.4.4 Мероприятия по радиационной безопасности

8.4.5 Мероприятия по выполнению норм вентиляции и отопления

8.5 Мероприятия по пожарной безопасности

8.6 Мероприятия по охране окружающей природной среды

8.7 Заключение

Заключение

Список использованных источников

Приложение А Dosierpumpe der technologischen losungen

Приложение Б Дозатор-чертёж общего вида

Приложение В Модель дозирующего устройства

Приложение Г Алгоритм управления установкой дозирования

Приложение Д Технические характеристики модулей входящих в состав КУ «Каскад»

Приложение Е Функциональная схема КУ «Каскад»

Приложение Ж Принципиальная электрическая схема

Приложение К Листинг программы управления установкой дозирования

Приложение Л Описание применения

Приложение М Руководство системного программиста

Приложение Н Результаты работы программы при рабочей частоте

Приложение Р Результаты работы программы при разгоне двигателя

Введение

Решение о строительстве подземных атомных станций Горно-химического комбината (ГХК) было принято в 1950 году (постановление Совета министров СССР №836/302 СС/ОП от 26 февраля 1950 года). Место для подземной части комбината было выбрано там, где Атамановский кряж - один из отрогов Саянских гор - вплотную подходит к Енисею. Дирекция строящегося предприятия (комбинат №815) проходила под условным названием «Восточная контора». Комбинат был предназначен для наработки оружейного плутония в промышленных реакторах и его выделения на радиохимическом заводе.

Реакторное и радиохимическое производства, атомная ТЭЦ, объекты водоснабжения и вентиляции расположены в скальных выработках в глубине горного хребта.

Инженерные решения по размещению в глубине горного массива атомного производства не имеют аналогов в отечественной и мировой практике.

Горно-химический комбинат включает в себя следующие подразделения:

- реакторное производство имеет в своем составе три реактора. Реакторы ГХК

- уран-графитовые, на тепловых нейтронах, канального типа с водяным охлаждением. На энергетическом реакторе АДЭ-2 создана лаборатория по изучению свойств одной из наиболее загадочных частиц - нейтрино;

- радиохимическое производство - предназначено для выделения плутония из облученного в реакторе урана.

Газовые выбросы завода содержат радиоактивные примеси в 10-100 раз ниже предельно-допустимых уровней выбросов по каждому нормируемому элементу;

- завод по регенерации отработанного ядерного топлива (РТ-2) - предназначен для приема, временной выдержки и последующей переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с атомных электростанций России и Украины. Проектная производительность завода 1500 тонн ОЯТ в год. Готовой продукцией завода являются тепловыделяющие сборки (ТВС) на основе смешанного уран-плутониевого топлива (МОХ-топливо) регенерированный уран.

- подземное захоронение жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Захоронение ЖРО производится на полигоне «Северный» и заключается в контролируемой закачке ЖРО в глубоко залегающие водоносные горизонты с застойным характером водообмена, изолированные от ниже- и вышележащих горизонтов и от дневной поверхности водоупорными породами.

- служба внешней дозиметрии (ВД). Для контроля состояния радиационной обстановки на территории, прилегающей к ГХК, создана спец. служба внешней дозиметрии.

- центральная заводская лаборатория (ЦЗЛ), создана для аналитического и научного обеспечения деятельности подразделений комбината. Сотрудниками ЦЗЛ разработаны технологические режимы получения особо чистых материалов, металлоорганических соединений, искусственных драгоценных металлов.

В радиохимическом производстве, для очистки плава гексагидрата нитрата уранила (далее по тексту ГНУ), используют опытно-промышленную установку «Кристаллизатор», в её состав входит дозирующее устройство, которое предназначено для подачи плава ГНУ в ОПУ «Кристаллизатор», представленная на рисунке 1.

Исходный плав ГНУ подается из напорной емкости через регулировочный вентиль в вертикальную водоохлаждаемую стеклянную трубку. Образующаяся при охлаждении кристаллическая фаза перемешивается мешалкой и под действием гравитационных сил опускается на донную часть аппарата. С донной части кристаллы шнеком поднимают в верхнюю промывную часть аппарата, в которую противотоком по отношению к кристаллам подается промывной раствор.

Отработавший промраствор выводится из зоны его соприкосновения с маточным раствором через гидрозатвор. Точки ввода промраствора и плава ГНУ обеспечивают гидростатическое вытеснение маточного раствора из зоны отмывки кристаллов.

1 - шнек; 2 - карман; 3 - зона кристаллизации; 4 - мешалка; 5 - охлаждающая рубашка; 6 - регулировочный вентиль; 7 - электродвигатели; 8 - нагреваемая емкость подачи плава

Рисунок 1 - Общий вид установки непрерывной кристаллизации плава гексагидрата нитрата уранила

Необходимость снижения радиационной опасности для работающего персонала, уменьшение случаев возникновения проф. болезней у людей участвующих в процессе кристаллизации, привело к потребности в создании автоматизированной системы дозирования технологического раствора, для подачи раствора ГНУ.

Также система автоматизированного управления дозатором технологических растворов позволит решить проблему человеческих ошибок. Уменьшатся затраты на персонал, следовательно повышаются экономические показатели.

Целью выполнения настоящей выпускной квалификационной работы является разработка системы автоматизированного управления дозатором технологических растворов, в соответствии с техническим заданием на процесс дозирования.

В рамках настоящей выпускной квалификационной работы необходимо:

- необходимо разработать дозатор технологических растворов, а также систему управления для этого дозатора. Необходимо провести анализ дозирующих устройств на возможность использования в решении поставленной задачи;

- дозатор должен обеспечивать регулирование расхода химического раствора от 500 мл до 2,5 литров в час;

- относительная погрешность регулирования расхода, не более ±1% от максимального значения диапазона. Необходимо собрать модель в Simulink, для выявления погрешности;

- выдача химического раствора должна осуществляться капельным методом непрерывно;

- температура химического раствора должна поддерживаться от 70 °С до 90 °С. Абсолютная погрешность не более ±1 °С;

- минимальное время непрерывной работы дозатора, не менее 10 часов;

- среднее время наработки на отказ, не менее 100 часов;

- дозатор раствора не подлежит восстановлению и ремонту.

1 Обзор дозирующих устройств

Дозатор - устройство для автоматического отмеривания (дозирования) заданной массы или объёма твёрдых сыпучих материалов, паст, жидкостей, газов.

Дозаторы обеспечивают выдачу дозы одного или нескольких продуктов (соответственно, одно- и многокомпонентные дозаторы) одному или разным потребителям (соответственно, одно- и многоканальные дозаторы); изменяют количество компонентов в заданном соотношении с изменяющимся количеством других дозируемых компонентов (дозаторы соотношения); дозируют вещества в заданной временной или логической последовательности (программные дозаторы). Блок управления каждого дозатора - автоматический регулятор. Наибольшая эффективность использования дозаторов достигается, если регулятором или его основой служат микро-ЭВМ или мини-ЭВМ, позволяющие компенсировать влияние внешних возмущающих воздействий (например, параметров технологического режима процесса), вести дозирование по заданной программе, удобно представлять информацию оператору и передавать результаты дозирования (например, общий объем прошедшего продукта) на следующий уровень управления.

1.1 Объёмные дозаторы

Применяют для дозирования газов, жидкостей, паст, реже твёрдых сыпучих материалов. Дозы от долей кубических сантиметров до сотен (тысяч для газов) кубических метров, производительность от сантиметров кубических в час до тысяч метров кубических в час (для газов десятков тысяч), погрешность от 0,5 до 10-20 %.

Эти дозаторы просты по конструкции, достаточно надёжны.

Недостатки: зависимость объёма дозы, от температуры и давления (особенно для газов), значительная погрешность при дозировании пенящихся сред. Дозаторы дискретного действия в простейшем случае состоят из одной калиброванной ёмкости, снабжённой датчиком уровня, двух клапанов на входе в ёмкость и выходе из неё (для повышения точности и производительности дозаторы могут иметь несколько разных по объёму ёмкостей) и блока управления - двухпозиционного автоматического регулятора. Погрешность до 1,5 %. Сравнительно низкую погрешность и габариты имеют дозаторы дискретного действия на основе объёмных счётчиков продукта (роторы - лопастные, с овальными шестернями, винтовые и др.). Угол поворота ротора, соответствующий объёму прошедшего продукта, преобразуется в сигнал, поступающий в блок управления, который вычисляет общий объем прошедшего продукта, сравнивает его с заданием и формирует сигнал на прекращение подачи продукта.

1.2 Весовые дозаторы

Применяют для дозирования твёрдых сыпучих материалов, реже - жидкостей. Дозы от нескольких грамм до сотен килограмм, производительность от сотен до десятков т/ч, погрешность дозирования от 0,1 до 0,5 %. Из дозаторов дискретного действия бывают такие, в которых загружаемая ёмкость установлена на силоизмерительных преобразователях - тензометрических или платформенных весах. В открытых ёмкостях с жидкостями массу продукта при дозировании определяют по пропорциональной ей высоте слоя жидкости.

В некоторых, не отличающихся точностью дозаторах непрерывного действия, регулируется скорость потока материала или площадь поперечного сечения его слоя. Дозируемый материал поступает на силоизмерительный транспортер. Вес материала на ленте, как полагают, пропорционален производительности. Дозируемый материал поступает на силоизмерительный транспортер через питатель. Сигналы задания и расхода подаются в регулятор, который вырабатывает корректирующий сигнал на привод питателя, увеличивая или уменьшая скорость потока материала. Регулирование потока материала можно осуществлять также изменением скорости движения самого весоизмерительного транспортера.

Существуют лотковые весовые дозаторы непрерывного действия. Их отличие от ленточных дозаторов заключается в том, что сыпучий материал из питателя подаётся на неподвижный лоток, закреплённый на тензометрическом датчике. Преимущества такого дозатора в меньших габаритах и в отсутствии двигателя в конструкции лоткового расходомера

1.3 Двухканальное дозирующее устройство

Двухканальное дозирующее устройство состоит из двух идентичных каналов. Структурная схема канала показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Структурная схема одного канала дозирующего устройства

Канал дозирующего устройства включает в себя:

- расходную емкость;

- весовую емкость;

- тензометрический датчик веса емкости;

- электромагнитный клапан для раствора;

- электромагнитный клапан для воздуха;

- линии растворов и монтажные элементы;

- датчик температуры (общий для двух каналов).

1.3.1 Работа дозирующего устройства

Устройством осуществляется порционное дозирование раствора из весовой емкости, которая с помощью тяги подвешена на тензометрическом датчике. Полиэтиленовые линии для раствора и воздуха, соединяющие весовую емкость с монтажными элементами, выполнены в виде пружинящих спиралей и практически не влияют на результаты измерений веса емкости. В зависимости от величины заданного расхода и измеренного веса емкости по командам контроллера периодически открывается электромагнитный клапан для раствора и в аппарат поступает очередная порция раствора. Когда количество раствора в весовой емкости станет меньше заданного нижнего предела, откроется электромагнитный клапан для воздуха, в расходной емкости будет создано избыточное давление, и раствор начнет поступать из расходной в весовую емкость. После того, как количество раствора в весовой емкости увеличится до заданного верхнего предела, электромагнитный клапан для воздуха выключится, давление воздуха в расходной емкости сравняется со сдувкой, раствор перестанет поступать в весовую емкость.

1.3.2 Недостатки

Данное устройство осуществляет порционное дозирование, а по тех. заданию необходимо непрерывное дозирование по каплям.

Главная проблема данного дозатора в том, что чувствительным элементом являются тензометрические датчики, которые очень чувствительны к вибрациям. А в цеху, где большая вибрация эти датчики дают большую погрешность и быстро выходят из строя. Поэтому данный тип дозатора не может применяться по данному тех. заданию.

1.4 Пневматический дозатор исходного раствора

Технологическая схема дозатора показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема дозатора технологического раствора

Дозатор включает в себя две измерительные емкости А1 и А2 (Н=350 мм, V=215 мл), связанные через гидрозатворы с расходной емкостью А0 (Н=350 мл, V=17 л). Последняя расположена на той же высоте, что и измерительные. Каждая измерительная емкость снабжена донной линией для выдачи раствора. В верхней части донной линии установлен кондуктометрический бесконтактный измеритель уровня и сливной патрубок. Все емкости, измерители уровня и линии, в т.ч. линии гидрозатвора, помещены в общую нагреваемую «рубашку». Давление воздуха в измерительных емкостях изменяется с помощью трех регуляторов давления. В состав одного регулятора давления входят два трехходовых клапана: один на избыточное давление (плюс 30 кПа), другой на разрежение (минус 40 кПа), измерителями являются датчики давления.

1.4.1 Работа дозатора

Первоначально, с помощью разрежения, создаваемого регулятором Р0, либо другим способом заполняется расходная емкость. Контроль заполнения ведется по дискретному уровнемеру (15 сигнализаторов). Величина разрежения не может превышать по абсолютной величине давления, создаваемого столбом жидкости в гидрозатворе. Передача раствора из расходной емкости в измерительную емкость производится при избыточном давление в расходной емкости. Избыточное давление должно превышать по величине сумму давления в принимающей измерительной емкости и давления, создаваемое столбом жидкости высотой (Н1-Н0) или (Н2-Н0), смотрите рисунок 1.2.

Дозирование раствора заключается в поочередных выдаче и приеме раствора измерительными емкостями. Попеременная выдача раствора из измерительных емкостей происходит за счет линейного нарастания давления в дозирующей емкости. Скорость нарастания рассчитывается системой управления исходя из плотности раствора, заданного расхода и площади основания измерительной емкости. Линейное изменение давления до заданной величины осуществляется контроллером регуляторов автономно, только по первоначальной команде пульта оператора, определяющей направление и конечное значение давления - разрежения.

После окончания дозирования из очередной емкости давление в ней снижается плавно, чтобы минимизировать возмущения, вносимые в давление газовой фазы второй емкости. Снижение давления производится до величины 50мм столба раствора, что необходимо для обеспечения процедуры заполнения опорожненной емкости.

1.4.2 Недостатки

Для данного дозатора необходимо точно знать плотность раствора, а измерять ее постоянно затруднительно.

У данного дозатора сложная конструкция и высокая цена, а так как по тех. заданию дозатор не подлежит ремонту и восстановлению, то его применение экономически не выгодно.

Далее рассматривались дозаторы собственной конструкции.

1.5 Дозатор постоянного давления

Схема дозатора представлена на рисунке 1.3

Рисунок 1.3 - Схема дозатора технологического раствора

Суть данного дозатора состоит в том, что путем поддержания постоянного давления, происходит непрерывное дозирование необходимого количества раствора. Так как в трубке и в самой емкости различные давления, то по этой разнице можно рассчитать плотность вещества и ввести поправки в поддерживаемое давление. Все управление отведено контроллеру, человек находится только у пульта управления. Были произведены расчеты, необходимого регулятора давления при наименьшем расходе:

- с = 600 кг/м³ (примерная плотность технологического раствора);

- V=2,5 л (объем дозатора);

- d_{вых. трубки}=10мм=0,01м;

- q_расход=0,1 л/ч=2,7·10^-8 м³/с;

- R=0,2м;

q=х·щ (1.1)

где х - это скорость, а щ - площадь живого сечения.

щ=рd²/4=3,14·0,01²/4=78,5·10^-6 м², (1.2)

отсюда скорость

х=2,7·10^-8/78,5·10^-6=0,34·10^-3 м/с, (1.3)

Далее рассчитывается необходимое давление:

P=F/S, (1.4)

где F-сила;

S - площадь приложения силы;

S= рr²=0,1256м² (1.5)

F=ma (1.6)

где a - ускорение;

а m - масса.

a= х/t=0,34·10^-3/3600=9,4·10^-5 мс² (1.7)

m=V·с => P= с·V·a/S=600·2,5·10^-3·9,4·10^-5/0,1256=1,12мПа (1.8)

По расчетам получается, что, для минимального расхода дозируемого раствора, необходимо поддерживать давление в районе 1 мПа, а таких регуляторов давления нет.

1.6 Дозатор «Архимеда»

Схема дозатора представлена на рисунке 1.4 (Полная схема представлена в приложении Б)

Рисунок 1.4 - Дозатор «Архимеда»

Данный дозатор разработан в ОКБ КИПиА, по заказу ФГУП ГХК. В основе работы дозатора лежит закон Архимеда: погруженное в жидкость тело, вытеснит объем, равный объему тела. В зависимости от скорости опускания поршня, меняется расход. Поршень приводится в движение посредством шагового двигателя (далее - ШД), которым в свою очередь управляет контроллер. Меняя частоту вращения двигателя, изменяется скорость опускания поршня. Плюс данного дозатора в том, что не имеет значение плотность вещества и прост в конструкции. Минус - необходимо как минимум два дозатора, что бы включался в работу второй, когда технологический раствор в первом закончился.

Данный дозатор из всех рассмотренных, единственный подходящий, для решения поставленной задачи.

2 Информационная структура объекта управления

На рисунке 2.1 представлена информационная структура объекта управления (ОУ).

Рисунок 2.1 - Схема информационной структуры объекта управления

Информационная структура представляет собой объект управления с входными и выходными сигналами. На ОУ поступают три дискретных сигнала: DI_H - сигнал ограничителя верхнего уровня хода штока; DI_L - ограничитель нижнего уровня хода штока; DI_U - уровень технологического раствора в дозирующем устройстве; и один аналоговый сигнал: AI_T - температура технологического раствора в дозирующем устройстве.

На выходе сигнал расхода технологического раствора.

3 Функциональная схема автоматизации

На рисунке 3.1 представлена функциональная схема автоматизации.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема автоматизации

3.1 Описание функциональной схемы

Из-за особенностей технологического раствора, который будет дозироваться, его необходимо поддерживать при температуре 80 °С, поэтому будет стоять датчик температуры раствора.

Ход поршня 80 мм, что бы не заходить за пределы, будут стоят два концевых выключателя, верхнего и нижнего положения, по сигналам от которых будет останавливаться шаговый двигатель.

По сигналу с пульта, будет открываться запорный клапан, через который в дозирующее устройство будет подаваться исходный раствор. Уровень заполнения дозатора контролируется датчиком уровня.

Слив остатков будет также производиться путем открытия, по сигналу с пульта, запорного клапана.

Генерировать необходимую частоту вращения шагового двигателя будет частотный генератор, которым будет управлять микроконтроллер.

4 Система управления

На рисунке 4.1 представлена блок схема системы управления [5,6].

Рисунок 4.1 - Блок-схема системы управления

Система управления состоит из трех уровней:

- первый уровень - это персональный компьютер, он обрабатывает данные, полученные со второго уровня. С помощью PC оператор управляет процессом, вводит необходимые константы и переменные, задает требуемые границы. Так же он отвечает за архивирование данных, вывод соответствующих сигнальных сообщений, при возникновении аварийной ситуации;

- второй уровень - это шкаф контроля управления (ШКУ). Он производит сбор и первичную обработку сигналов с датчиков, и выдачу информации на PC. По сигналам от оператора ШКУ выдает сигналы на исполнительные механизмы;

- третий уровень - это непосредственно датчики и исполнительные механизмы.

На основе системы управления была разработана структурная схема дозатора технологических растворов.

4.1 Структурная схема дозирующего устройства

На рисунке 4.2 представлена структурная схема дозирующего устройства.

Рисунок 4.2 - Структурная схема дозирующего устройства

Оператор задаёт расход литров в час, затем контроллер преобразует этот расход в 32 битный код, который отправляется на генератор частоты. Необходимость преобразования расхода в код, вызвана тем, что частотный генератор, который управляет скоростью шагового двигателя, сделан в программном комплексе MPlab, на языке Assembler. Данный генератор, формирует частоту в зависимости от кода поданного на вход, данный код представляет собой целое число от 1 до 65535, наименьшее значение кода соответствует максимальной частоте, равной 35084 Гц. Контроллер переводит расход в код по формулам:

(4.1)

 (4.2)

(4.3)

(4.4)

где x - это полученный код.

На рисунке 4.3 представлена диаграмма зависимости кода от расхода.

Рисунок 4.3 - Зависимость кода от расхода тех. раствора

В зависимости от этого кода генерируется частота, подаваемая на вход драйвера ШД. Драйвер ШД делит входную частоту на 10, и полученная частота подается на ШД, который в свою очередь связан с редуктором двигающем поршень. От скорости ввода поршня зависти получаемый расход. Отсюда следует, что управлять расходом можно, изменяя частоту ШД [9,10].

Сложность управления состоит в том, что расход не всегда соответствует частоте, которая задается целым числом, а подать на генератор можно только целое число. Поэтому программа управления вычисляет два соседних кода, соответствующих большему и меньшему расходу и поддерживает определенное время один расход, затем другой, что бы в среднем получался заданный оператором расход.

В соответствии со структурной схемой и математическим описанием, была собрана модель в приложении Simulink пакета MatLab 6.5 [11-13]. Модель представлена в приложении В.

На рисунке 4.4 и 4.5 представлены результаты работы модели.

Рисунок 4.4 - Смешивание расходов

На рисунке 4.4 показано смешивание двух соседних расходов, определенное время держится один код, соответствующий большему расходу, затем переключается на второй код, соответствующий меньшему расходу.

На рисунке 4.5 показано усреднение расхода, так как это происходит в модели.



Рисунок 4.5 - Усреднение расхода

Данные о заданном и полученном расходе приведены в таблице 4.1

Таблица 4.1 - Результаты работы модели

Заданный расход (л/ч)	Полученный расход (л/ч)	Код	Относительная погрешность (%)
0,5	0,5002	128,554	0,04
0,6	0,6009	106,962	0,15
0,7	0,7003	91,539	0,04
0,8	0,8027	79,971	0,34
0,9	0,9022	70,974	0,24
1	1,004	63,777	0,40
1,1	1,105	57,888	0,45
1,2	1,204	52,981	0,33
1,3	1,309	48,828	0,69
1,4	1,393	45,269	0,50
1,5	1,491	42,184	0,60
1,6	1,599	39,485	0,06
1,7	1,687	37,104	0,77
1,8	1,809	34,987	0,50
1,9	1,889	33,093	0,58
2	1,993	31,388	0,35
2,1	2,114	29,846	0,66
2,2	2,196	28,444	0,18
2,3	2,294	27,164	0,26
2,4	2,413	25,991	0,54
2,5	2,521	24,91	0,83

По техническому заданию относительная погрешность не должна превышать 1 %. Из таблицы 4.1 видно, что полученная модель удовлетворяет требованиям технического задания.

На рисунке 4.6 представлена диаграмма зависимости расхода от относительной погрешности. Из этой диаграммы видно, что погрешность растет с увеличением расхода. Это связано с тем, что чем больше заданный расход, тем больше частота, которую необходимо подать на двигатель. А на больших частотах, у генератора большая дискретность шага, следовательно, и соседние расходы сильно отличаются, поэтому при смешивании, увеличивается погрешность.

Рисунок 4.6 - Диаграмма зависимости относительной погрешности от расхода

На основе математического описания и собранной модели был разработан алгоритм управления дозатором технологических растворов. Полное описание алгоритма приведено в приложении Г.

5 Выбор элементной базы

На основе алгоритма управления и функциональной схемы были выбраны управляющие элементы.

В качестве привода был выбран шаговый двигатель (ШД) FL86STH65-2808A, который производит НПФ «Электропривод» [18]. Данный ШД имеет следующие характеристики:

- ток/фаза - 2,8 А;

- сопротивление/фаза - 1,4 Ом;

- индуктивность/фаза - 3,9 мГн;

- крутящий момент - 34 кг·см;

- длинна - 65 мм;

- момент инерции ротора - 1000 г·см²;

- вес - 1,7 кг.

Электрическая схема ШД представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Электрическая схема ШД FL86STH65-2808A

Шаговые двигатели этой серии имеют основной угловой шаг 1,8°, частоту приемистости до 2000 Гц и скорость вращения вала до 1500 об/мин. Так же к двигателям этой серии идет устройство управления.

В качестве устройства управления был выбран программируемый блок управления ШД SMSD-3.0 [18]. Он предназначен для управления работой четырехфазных, либо двухфазных ШД с током фазы 3 A. Блок объединяет в себе управляющий микропроцессор и высококачественный драйвер ШД. Управление осуществляется по заданной программе, в ручном режиме или в режиме драйвера.

Блок SMSD может работать в режиме целого шага или осуществлять дробление на 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и 1/32, блок может задавать направление, скорость, ускорение движения, а также работать по сложным алгоритмам, записываемым в энергонезависимую память. Блок работает автономно, от компьютера (LPT или COM-порт) или от внешнего задающего контроллера. Блок имеет возможность получать сигналы от внешних устройств и датчиков, а также подавать сигналы внешним устройствам. Блок имеет радиатор и не требует дополнительного охлаждения. Этот блок имеет одну особенность - он уменьшает входную частоту в 10 раз. Основные характеристики блока SMSD-3.0:

-максимальный выходной ток - 3 А;

- напряжение питания - 18-40 В;

- диапазон частот отработки шагов - от 1 до 10000 Гц;

- точность установки скорости - не ниже 0,2%;

- обмен с ПК - RS232.

В качестве привода, который будет двигать поршень дозирующего устройства, выбран электромеханизм МП-100М с ходом штока 80 ± 1,5 мм. Нагрузка на шток: номинальная - 980 Н (100 кгс), максимальная - 1470 Н (150 кгс).

Так как рассмотренные частотные генераторы не позволяют работать в частотах от 200 Гц до 25000 Гц с возможностью подстройки частоты в 1 Гц, то генерация частоты будет производиться от программного генератора. Генератор написан в программном пакете MPLAB IDEv 8.10, на языке ассемблер.

Данный генератор генерирует частоту в зависимости от полученного кода, код задается с контроллера, код - это значение от 1 до 65535 (32 бита). Частота поступает на блок управления ШД, он делит ее на 10 и полученную частоту отправляет на ШД. В зависимости от поданного кода мы меняем скорость вращения двигателя и, следовательно, меняем расход технологического раствора.

Управляющий модуль построен на базе - контроллер универсальный (КУ) «Каскад».

5.1 Контроллер универсальный «КАСКАД»

КУ «Каскад» является собственной разработкой ФГУП ГХК ОКБ КИПиА.[19]

5.1.1 Назначение

КУ «Каскад» - промышленный программируемый контроллер, предназначен для работы в системах автоматизированного управления производственными технологическими процессами.

КУ «Каскад» имеет открытую модульную архитектуру построения. Это позволяет наращивать и конфигурировать контроллер для решения конкретных задач. Для связи и обмена данными КУ «Каскад» с персональным компьютером используется стандартный протокол связи MODBUS.

5.1.2 Состав и технические характеристики

КУ «Каскад» объединяет в своем составе следующие модули (рисунок 5.2):

- микропроцессорный модуль;

- базовый модуль;

- модуль преобразования напряжения;

- модули ввода-вывода.

Рисунок 5.2 - Состав КУ «Каскад»

Технические характеристики модулей входящих в состав КУ «Каскад» приведены в приложении Д.

5.1.3 Устройство и работа КУ «Каскад»

Модульный принцип построения позволяет осуществлять наращивание и конфигурирование контроллера «Каскад» для решения конкретной задачи.

Контроллер «Каскад» включает в себя:

- базовый блок, в состав которого входят базовый модуль, и устанавливаемые в плату базового модуля микропроцессорный модуль, модуль преобразования напряжения, и один из модулей ввода-вывода;

- блок расширения, в состав которого входят базовый модуль, и устанавливаемые в плату базового модуля три модуля ввода-вывода.

Для базового блока и блока расширения используются одинаковые корпуса.

Основу контроллера составляет базовый блок, в котором установлен микропроцессорный модуль. Этот блок обеспечивает реализацию программ управления, обмен данными между блоками. К одному базовому блоку допускается подключать до четырех блоков расширения.

Функциональная схема КУ «Каскад» представлена в приложении В. Обмен данными внутри контроллера осуществляется по шине SPI по технологии «главный/подчиненный». Главным является микроконтроллер, установленный на плате микропроцессорного модуля, подчиненные на платах базовых модулей. «Подчиненные» микроконтроллеры обеспечивают передачу управляющих сигналов для модулей дискретных выходов, прием данных от модулей дискретных и аналоговых входов. Инициировать передачу данных может только главное устройство.

На основе выбранных элементов была разработана электрическая принципиальная схема дозирующего устройства, которая представлена в приложении Ж.

6 Программа управления дозатором технологических растворов

На основе алгоритма управления и с учетом выбранной элементной базы была написана программа управления дозатора технологического раствора. Программа написана в программном комплексе CoDeSys v2.3 [22-28]. Тест программы представлен в приложении К, описание применения программного обеспечения (далее по тексту ПО) представлено в приложении Л, руководство системного программиста ПО представлено в приложении М, спецификация ПО в приложении Н. Результаты работы программы, при рабочей частоте, представлены в приложении П, а при разгоне двигателя в приложении Р.

Данная программа должна генерировать код на устройство управления ШД, в зависимости от расхода заданного оператором.

7 Экономическая часть

7.1 Технико-экономическое обоснование

Дозирующее устройство технологического раствора предназначено для работы в составе опытно-промышленной установки «Кристаллизатор».

Необходимость снижения радиационной опасности для работающего персонала, уменьшение случаев возникновения проф. болезней у людей участвующих в процессе кристаллизации, привело к потребности в создании автоматизированной системы дозирования технологического раствора, для подачи раствора ГНУ.

Также система автоматизированного управления дозатором технологических растворов позволит решить проблему человеческих ошибок. Уменьшатся затраты на персонал, следовательно повышаются экономические показатели.

Программу, как любое техническое решение необходимо рассматривать с экономической точки зрения экономической целесообразности и пользы. Целью технико-экономического обоснования разработки является количественное и качественное доказательство экономической целесообразности усовершенствования программы, а также определение организационно-экономических условий ее эффективного функционирования.

Эффективность программного модуля определяется его качеством и эффективностью процесса разработки и сопровождения. Качество программного изделия определяется тремя составляющими:

- с точки зрения специалиста-пользователя данного программного продукта;

- с позиции использования ресурсов и их оценки;

- по выполнению требований на программное изделие.

Программное изделие должно быть разработано так, чтобы оно выполняло свои функции без лишних затрат ресурсов (оперативной памяти ЭВМ, машинного времени, пропускной способности каналов передачи данных и др. - на стадии функционирования; время разработки и денежных ресурсов - на стадии использования программного изделия).

Содержание технико-экономического обоснования разработки программы заключается в следующем:

- расчет технико-экономических показателей и выбор базы сравнения;

- определение трудоемкости и стоимости программного обеспечения (ПО);

- расчет цены ПО;

- расчет капитальных и эксплуатационных затрат на разработку;

- определение показателей финансово-экономической эффект.

Исходные данные для расчета экономических показателей приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Исходные данные экономических показателей

Обозначение	Наименование показателя	Единицы измерения	Значение показателя
СЭВМ	Стоимость ЭВМ	тыс. руб.	25
ДМ	Среднее количество дней в месяце	дни	22
н	Норматив рентабельности	-	0,25
д	Коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату разработчика программы	-	0,20
с	Коэффициент, учитывающий начисления органам социального страхования	-	0,26
н	Коэффициент, учитывающий накладные расходы организации	-	1,35
qi	Количество i-задач, решаемых потребителем	зад. год	50
tМВi	Время решения i-ой задачи разработанной программой	маш. час	1
t'МВi	Время решения i-й задачи базовой программой	маш. час	5
nп	Количество организаций, которые приобретут данную программу	шт.	1
ZЭЛ	Тариф за 1 кВт/час	руб.	1,85
н	Нормативный коэффициент эффективности капиталовложений	-	0,25
ТС	Срок службы разработанной программы	год	5
НДС	Налог на добавленную стоимость	%	18
ТР	Количество рабочих дней в году	дн	264
NСМ	Количество смен работы ЭВМ	-	1
tСМ	Продолжительность смены	ч	8
	Простои ЭВМ	%	5
P	Мощность, потребляемая ЭВМ	кВт	0,4
NСР	Среднее количество ремонтов в год	-	2
SД	Стоимость деталей, заменяемых при ремонте	руб.	1000

7.2 Расчет затрат на разработку программы

Суммарные затраты на разработку программы рассчитываются по следующей формуле:

(7.1)

где S_ЗП - затраты по заработной плате инженера-программиста;

S_НАК - накладные расходы;

S_РУК - зарплата руководителя.

Затраты по заработной плате дипломника рассчитываются по формуле:

(7.2)

где ОЗП - основная заработная плата дипломника за месяц;

t_pi - время, необходимое для разработки программы программистом i-го разряда (чел. - мес.);

_д - коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату разработчика программы, в долях к сумме основной заработной платы;

_с - коэффициент, учитывающий начисления органам социального страхования на заработную плату разработчика программы, в долях к сумме основной заработной плате разработчика.

Программа разрабатывалась 135 дней, если учесть, что в одном месяце 22 рабочих дня, то:

(7.3)

Таким образом накладные затраты по заработной плате составят:

(7.4)

Накладные затраты рассчитываются с учетом _н - коэффициента, определяющего уровень накладных расходов организации по формуле:

(7.5)

(7.6)

Зарплата руководителя составляет S_РУК=10800 руб.

Таким образом, суммарные затраты на разработку программы составляют:

(7.7)

7.3 Расчет цены разработанной программы

Оптовая цена разработанной программы определяется по следующей формуле:

(7.8)

где Z_П - оптовая цена (цена разработчика), руб.;

S_РП - суммарные затраты на разработку программы руб;

П - прибыль, рассчитанная по формуле:

(7.9)

где - норматив рентабельности, учитывающий прибыль организации, разрабатывающей данную программу в долях ко всем затратам данной организации на разработку программы.

(7.10)

(7.11)

Розничная цена программы рассчитывается с учетом налога на добавленную стоимость (НДС = 18%) по формуле:

(7.12)

(7.13)

Выручка от продаж составит:

(7.14)

(7.15)

7.4 Расчет капитальных вложений

Капиталовложения, связанные с работой ЭВМ рассчитываются по формуле:

(7.16)

где С_ЭВМ - стоимость ЭВМ руб;

S_T - стоимость транспортировки ЭВМ руб;

S_М - стоимость монтажа ЭВМ руб;

S_З - стоимость запасных частей руб;

S_ПЛ - стоимость площади установки ЭВМ руб.

Так как площадь, отводимая под установку ЭВМ, в данном случае не существенна, то этим коэффициентом можно пренебречь.

Расчет коэффициентов входящих в формулу (7.16) для расчета величины капиталовложений:

(7.17)

(7.18)

(7.19)

(7.20)

(7.21)

(7.22)

Капиталовложения в ЭВМ составляют:

(7.23)

7.5 Расчет эксплуатационных расходов

Эксплуатационные расходы на ЭВМ рассчитываются по формуле:

(7.24)

где Т_МВ - машинное время для решения задач с помощью разработанной программы, маш. час/год;

е_Ч - эксплуатационные расходы, приходящиеся на 1 час работы ЭВМ;

Z_П - цена, по которой продается программа руб;

Т_С - срок службы программы год.

Полезный фонд времени работы ЭВМ рассчитывается по формуле:

(7.25)

где Т_ОБЩ - общий фонд времени работы ЭВМ дни; Т_ОБЩ = Т_Р;

N_СМ - количество смен работы ЭВМ;

t_СМ -время одного рабочего дня час;

- простои ЭВМ ( в процентах от общего фонда времени работы ЭВМ).

(7.26)

Полезный фонд времени работы ЭВМ составляет:

(7.27)

Машинное время для решения задач с помощью данной программы рассчитывается по формуле:

(7.28)

где q_i - количество i-задач, решаемых потребителем в год шт;

t_МВi - время решения i -ой задачи, разработанной программой маш. час.

(7.29)

Эксплуатационные расходы, приходящиеся на 1 час работы ЭВМ, оцениваются по формуле:

(7.30)

где А₀ - амортизационные отчисления руб;

S_ЗП - затраты по заработной плате инженера в год руб./год;

S_ЭЛ - стоимость потребляемой энергии руб.

R_РМ - затраты на ремонт ЭВМ руб;

Т_ПОЛ - полезный годовой фонд работы ЭВМ, маш.час/год.

Амортизационные отчисления рассчитываются с учетом нормы амортизации (А_н=20%):

(7.31)

(7.32)

Затраты по заработной плате дипломника за год рассчитывается по формуле:

 (7.33)

(7.34)

Стоимость потребляемой энергии оценивается по формуле:

(7.35)

где P - мощность, потребляемая ЭВМ (кВт);

Т_ПОЛ - полезный годовой фонд работы ЭВМ маш. час/год;

Z_ЭЛ - тариф за 1 кВт*час руб.

Произведем расчет стоимости потребляемой энергии:

(7.36)

Затраты на ремонт ЭВМ вычисляются по формуле:

(7.37)

где N_СР - среднее количество ремонтов в год;

S_Д - стоимость деталей заменяемых при одном ремонте, в среднем.

(7.38)

Произведем вычисление эксплуатационных расходов по формуле (7.30), приходящихся на 1 час работы ЭВМ:

(7.39)

Далее вычислим эксплуатационные расходы на ЭВМ по формуле (7.24):

(7.40)

7.6 Расчет денежного годового экономического эффекта

Денежный годовой экономический эффект оценивается по следующей формуле:

(7.41)

где Е_МЭ - экономия стоимости машинного времени руб;

_н - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

К_Э - экономия капитальных вложений руб.

Расчет экономии капитальных вложений производится по формуле:

(7.42)

где Т_МВ1 - машинное время для решения задач базовой программой рассчитывается с учетом t'_МВi;

Т_МВ2 - машинное время для решения задач с помощью разработанной программы маш. час/год;

К_ЭВМ - капиталовложения в ЭВМ руб;

Т_ПОЛ - полезный годовой фонд работы ЭВМ маш. час/год;

(7.43)

(7.44)

Расчет экономии капитальных вложений по формуле (7.42):

(7.45)

Расчет экономии стоимости машинного времени производится по формуле:

(7.46)

(7.47)

Теперь определим денежный годовой экономический эффект по формуле (7.41):

(7.48)

7.7 Расчёт рентабельности

Рентабельность данной разработки определим как отношение полученной прибыли к величине затрат.

Рентабельность разработки определим следующим образом [29]:

(7.49)

(7.50)

7.8 Оценка научно-технической результативности

Обязательным компонентом всех научно-технических работ является тщательный анализ фактической эффективности результатов разработки.

Эффективность научных исследований устанавливается с учетом различных видов проявления полезного эффекта, который может быть получен при использовании результатов НИР.

Наиболее важным при этом является комплексная экономическая оценка и планирование уровня рентабельности НИР, определение научно - технического уровня новых разработок.

Из-за отсутствия аналогов и недостатка информации невозможно провести детальный расчет экономической эффективности. В связи с этим необходимо применить методику, которая позволит оценить социальный и научно-технический эффект разработанного программного обеспечения.

На основе оценок новизны результатов, их ценности, масштабам реализации определяется показатель научно-технического уровня по формуле:

(7.51)

где К_i - весовой коэффициент i - го признака научно-технического эффекта;

П_i - количественная оценка i - го признака научно-технического уровня работы.

Весовые коэффициенты признаков научно - технического эффекта и их количественная оценка по 10-ти бальной шкале, полученные экспертным путем на семинаре в лаборатории, приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Весовые коэффициенты

Признаки научно-технического эффекта	Балл	Примерные значения ri
Уровень новизны	10	0,6
Возможность усовершенствования	9	0,7
Теоретический уровень	8	0,5
Возможность реализации	10	0,3

Коэффициент научно-технического эффекта НИОКР:

(7.52)

В соответствии с таблицей 7.3, уровень научно-технического эффекта настоящей работы - высокий.

Таблица 7.3 - Оценка уровня научно-технического эффекта

Уровень научно-технического эффекта	Показатель научно-технического эффекта
Низкий	1 - 4
Средний	5 - 7
Сравнительно высокий	8 - 10
Высокий	11 - 14

Общая стоимость разработанного алгоритма управления дозатором технологического раствора опытно промышленной установки «Кристаллизатор» составила 103440,5 руб.

8 Безопасность жизнедеятельности

8.1 Введение

Охрана труда - это система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия (статья №1 Федерального закона «Об основах охраны труда в Российской Федерации», 17.07.1999 г. №181-ФЗ), образующие механизм реализации конституционного права граждан на труд (ст. 237 Конституции РФ) в условиях, отвечающих требованиям безопасности и гигиены. (Это право закреплено также в ст. 7 международного пакта об экономических, социальных и культурных правах).

Конституция Российской Федерации 37 статьей гарантирует свободу труда, а также право на труд, в условиях, отвечающих требованиям безопасности и гигиены. Из пункта 5 указанной статьи следует, что «каждый имеет право на отдых». Таким образом, понятие охраны труда своим первоисточником имеет Конституцию Российской Федерации.

Федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по контролю и надзору в сфере труда, является Федеральная служба по труду и занятости Министерства здравоохранения и социального развития Правительства Российской Федерации.

Федеральная служба по труду и занятости руководствуется в своей деятельности Конституцией Российской Федерации, федеральными конституционными законами, федеральными законами, указами Президента Российской Федерации и актами Правительства Российской Федерации, международными договорами Российской Федерации, нормативными правовыми актами Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, а также Трудовым кодексом Российской Федерации.

Основными задачами трудового законодательства являются создание необходимых правовых условий для достижения оптимального согласования интересов сторон трудовых отношений, интересов государства, а также правовое регулирование трудовых отношений и иных, непосредственно связанных с ними отношений.

Обязанности по обеспечению безопасных условий и охраны труда, согласно ст. 212 ТК РФ, возлагаются на работодателя. Последний, руководствуясь указанной статьей, обязан обеспечить безопасность работников при эксплуатации зданий, сооружений, оборудования, осуществлении технологических процессов, а также применяемых в производстве инструментов, сырья и материалов. Кроме того, работодатель обязан обеспечить, соответствующие требованиям охраны труда, условия труда на каждом рабочем месте; режим труда и отдыха работников в соответствии с трудовым законодательством, и иными нормативными правовыми актами, содержащими нормы трудового права. Работодатель обязан информировать работников об условиях охраны труда на рабочих местах, о риске повреждения здоровья и полагающихся им компенсациях и средствах индивидуальной защиты.

Помимо обеспечения безопасных условий труда гражданина, законодательство налагает ответственность на каждого за состояние окружающей природной среды. Так Конституция Российской Федерации статьей 58 обязывает каждого «сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам».