Модернизация системы регулирования температуры колпаковых печей, путем замены физически и морально устаревшего оборудования на новое

5, 7 или 7.5 кВ

5, 7 или 7.5 кВ

Степень защиты

IP 20

IP 65

Температура окружающей среды

от -20 до +60 °C

от -20 до +60 °C



Из рассмотренных трансформаторов розжига для модернизированной системы лучше всего подойдет запальные трансформаторы TGI, так как он в корпусе для открытого монтажа. Внешний вид данного трансформатора представлен на следующем рисунке:

Рисунок 21 - Запальные трансформаторы TGI

Данный трансформатор по своим техническим характеристикам и функциональности подходит для модернизированной системы.

3.6.4 Выбор отсечного магнитного клапана

Отсечной магнитный клапан предназначен для автоматического запорного органа в системе подачи газовой смеси на свечу горелки.

Параметры рассматриваемых клапанов приведены в следующей таблице:

Таблица 5 - Тех. характеристики отсечных магнитных клапанов

Характеристика	VG	VAN	VR
Тип газа	природный, сжиженный (газообразная фаза), биогаз и воздух	природный, сжиженный (газообразная фаза), воздух и биогаз	воздух
Ду	от 6 до 65	от 10 до 50	от 25 до 65
Время закрытия клапана	< 1 с	< 1 с	3 c
Степень защиты	IP 54	IP 65	IP 54
Материал корпуса	сплав AlSi	сплав AlSi	алюминиевый сплав
Рабочая температура	от -20 до +70° C	от -20 до +50° C	от -20 до +60° C

По техническим характеристикам и эксплуатационным показателям рассматриваемые отсечные клапана VG и VAN примерно одинаковые. Для модернизированной системы допустимо выбрать отсечной магнитный клапан VG по причине более низкой стоимости. Внешний вид данного клапана представлен на следующем рисунке:

Рисунок 22 - Внешний вид отсечной магнитный клапан VG

3.6.5 Выбор регулятора соотношения

Регулирующий орган располагается на газопроводе соотношения «газ-воздух».

При изменении расхода воздуха автоматически изменяется расход природного газа. Это позволяет точно дозировать расход рабочего газа в КП. По техническим характеристикам и эксплуатационным показателям наиболее подходит продукция фирмы Aris.



Рисунок 23 - Габаритные размеры регулирующего органа

Заслонка управляется шаговым двигателем, который изменяет угол поворота заслонки. При этом изменяется расход газа.

3.6.6 Выбор пускателя бесконтактного реверсивного

Для управления электроприводами выберем пускатели ПБР-3, в соответствии с техническим заданием на разработку АСУТП колпаковой печи.

Пускатель ПБР-3 обеспечивает пуск и реверс трехфазного синхронного электродвигателя.

Пускатель состоит из платы, кожуха и передней панели. На передней панели расположены две клеммные колодки для подключения пускателя к внешним цепям, а также винт заземления. Клеммные колодки закрываются крышками. На плате устанавливаются элементы схемы пускателя. Плата вставляется в кожух и закрепляется двумя винтами. Пускатель рассчитан на установку на вертикальной или горизонтальной плоскости. Положение в пространстве - любое.

Средний срок службы пускателя 10 лет.

Таблица 6 - Технические характеристики пускателя ПБР-3

Рабочая температура	от 5 до 50 єС
Относительная влажность	от 30 до 80% при температуре 35 єС
Вибрация: - частота - амплитуда	до 25 Гц до 0, 1 мм
Магнитные поля постоянные или переменные 50 Hz, напряженность, А/м	до 400
Электрическое питание пускателя	трехфазная сеть переменного тока с номинальным напряжением 220/380V частотой 50 Hz
Допустимое отклонение напряжения питания от номинального	от минус 15 до плюс 10 %
Несимметрия трехфазной системы	не более 5 %
Динамические характеристики пускателя: - быстродействие (время запаздывания выходного тока при подаче и снятии управляющего сигнала)	не более 25 мс
- разница между длительностями входного и выходного сигналов	не более 20 мс
Полная мощность, потребляемая пускателем	не более 5 Вт
Масса пускателя	не более 3, 5 кг

3.6.7 Выбор свечей зажигания

Электроды предназначены для розжига и контроля пламени газовых горелок.

Параметры рассматриваемых электродов приведены в следующей таблице:

Таблица 7 - Технические характеристики свечей зажигания

Характеристика	Электроды FE	Электроды FZE	Электроды Beru
Материал	Kanthal A1	Kanthal A1	Kanthal A1
Длина	200 мм	300 - 1000 мм* (с шагом 100 мм)	200 - 1000 мм* (с шагом 100 мм)
Диаметр электрода	3.5 мм	3.5 мм	3.5 мм
Диаметр изолятора	11 мм	11 мм	11 мм

Для модернизированной системы выбираем свечи зажигания Beru. Внешний вид данного прибора представлен на следующем рисунке:

Рисунок 24 - Внешний вид свечей зажигания Beru

Данные свечи хорошо зарекомендовали себя по использованию на колпаковых печах 2 блока. Свечи зажигания Beru целесообразно выбрать в качестве электродов для модернизированной системы.



3.6.8 Выбор термопары

Данный процесс регулирования требует постоянного и достаточно точного измерения температуры, сравнение полученного значения с заданным и изменение её в соответствие с производственной необходимостью.

Необходимость использования термопар обусловлена тем, что величина измеряемого параметра колеблется в довольно широких пределах и достигает довольно высоких предельных значений.

Используем нихром-никелевые (NiCr-Ni) термопары в качестве стендовых (контактной-по металлу и управляющей-по газу) и колпаковой, так как их диапазон измерения находятся в пределах от 0 до 12000С, а измеряемая температура изменяется от 20 до 8500С. диапазон измерения 0 - 49.9 мВ

(1 мА = 3.12 мВ)

Термопара монтируется непосредственно в стенд так, чтобы её горячий конец не выходил за пределы трубы, в которую она монтируется. После чего подсоединяют провода, которые идут через кабельную трассу на контроллер ATS-700, где полученный сигнал обрабатывается.

Параметры рассматриваемых термопар приведены в следующей таблице:

Таблица 8 - Технические характеристики термопар

Характеристика	ТП 0395/1	ТП 0395/3	EF4/T-J/400
Диапазон измерений, °С	0...+1250	0...+1250	-200...+1200°C
Класс допуска	1	1	1
Тип подключения:	2-х проводное	2-х проводное	2-х проводное
Класс защиты:	IP65	IP65	IP65

По техническим характеристикам и эксплуатационным показателям рассматриваемые термопары примерно одинаковы. Для модернизированной системы выбираем термопару EF4/T-J/400 как имеющую больший срок эксплуатации. Внешний вид данной термопары представлен на следующем рисунке:

Рисунок 25 - Внешний вид термопары EF4/T-J/400

3.6.9 Выбор устройства управления на основе ПЛК (стендовый контроллер)

Контроллер - это часть системы управления, которая непосредственно управляет производственным процессом: в соответствии с программой, сохраненной в его памяти, контроллер получает данные от входных устройств, связанных с ним и использует эти данные для отображения работы системы. Когда для выполнения какого-либо действия вызывается программа, контроллер посылает данные к выходным устройствам, связанных с ним, приводя в исполнение требуемое действие. Контроллер может использовать для управления простые, повторяющиеся задания или может быть связан с другими контроллерами или главным компьютером, для того чтобы управлять сложными процессами.

Использование контроллеров ATS-700 фирмы LOI ESSEN (Германия) обусловлено требованиями к быстродействию системы, характеристикам надёжности, удобству эксплуатации и обслуживанию, простоте программирования и отладки программ и стоимостью по сравнению с аналогичными контроллерами других зарубежных производителей.

Для данной системы отжига стали выбираем ПЛК ATS-700 фирмы LOI ESSEN (Германия), так как данный СК по сравнению с другими более производительный. Монтаж контроллера производится путём установки оборудования в специально оборудованный шкаф. Минимальное расстояние между платами 8см. На платы устанавливается:

- Плата CPU (8088), плата ввода/вывода на шинах SMP.

- Память EPROM (128к*8) для программы управления / регулирования

память RAM для актуальных данных (32к*8, 128к*8).

- Плата ввода и вывода информации: с индикацией на дисплее и плоской клавиатурой и светодиодные сигнальные лампы для аварийного обслуживания.

- RAM - аккумуляторная батарея для буфера сохранения данных при отключении питания от сети.

- Интерфейсы с необходимым материальным и математическим обеспечением для подключения к вышестоящему процессору: ProfiBus и RS 485 для связи со станциями удаленного управления S7-300 - LVE MCS-OUT (2шт) по 24 дискретных выходов на напряжение 24 В и потребляемый ток 350 мА

- LVE MCS - IN (3шт) по 24 дискретных входа на напряжение 24 В и потребляемый ток 350 мА.

- AOS-32E плата аналоговых сигналов с унифицированным токовыми сигналами: 0 - 20 мА; 4 - 20 мА при сопротивлении нагрузки 250 Ом; 0 - 5 В преобразователь U f на сопротивлении R=250 с точностью 0, 1 %.

На рисунке 3.6.9 представлены передняя и задняя панели контроллера ATS 700.



Рисунок 26 - Передняя и задняя панель ATS-700

Контроллер ATS-700 представляет собой модульную конструкцию, которая устанавливается в шкаф. Передняя панель представляет собой панель управления и включает 120 светодиодов, жидкокристаллический экран и клавиатуру с ключом управления.

Процессор контроллера выполнен на базе микросхемы 18088-CPU с тактовой частотой 420 МГц.

Объем оперативной памяти 256 МБайт.

Объем ППЗУ 8192 МБайт.

Контроллер ATS-700 имеет следующие входы-выходы:

- 32 Аналоговых входа с унифицированным токовыми сигналами:

а. 0 - 20 мА,

б. 4 - 20 мА при сопротивлении нагрузки 250 Ом,

в. 0 - 5 В преобразователь U на сопротивлении R=250

- 48 дискретных выходов на напряжение 24 В и потребляемый ток 350 мА.

- 72 дискретных входа на напряжение 24 В и потребляемый ток 350 мА.

1.Панель управления

2.LVE-KAL module

3.DMF адаптер дисплея

4.LVE шина

5.SMP шина

6.Карта памяти

7.Входня плата № 1

8.Входня плата № 2

9.Входня плата № 3

10.Входня плата № 4

11.Выходня плата № 1

12.Выходня плата № 2

13. Аналого цифровой преобразователь

14.ProfiBus adapter

15.SMP CPU V20

16.U1-A5 плата

17. AC - DC/DC плата

18. U2 - A2 плата

19. EPROM 128 Кб

20. Штекер X1

21. Штекер X2

22. Штекер X3

23. Штекер X4

Плата входных сигналов 24xIN делает возможным параллельный ввод 24 сигналов. Сигналы изолированы от системы процессора соединителями. Обычно все вводы рассчитаны на 24v резисторами 3.3 кОм и фильтруются комбинацией rc.

Плата выходных сигналов 24xOUT делает возможным параллельный вывод 24 сигналов. Сигналы изолированы от системы процессора соединителями. Сила тока выходного сигнала может достигать до 350 мА при напряжении 24v.

Сетевая плата SMP-Arc используется для осуществления связи между обычным контроллером и мастер-конроллером.

Плата питания U2-A2 преобразовывает напряжение 24v AC в напряжение +28v для входных и выходных плат. Содержит предохранители с индикаторами напряжения переменного тока, фильтр, выпрямитель и буферный конденсатор.

Плата преобразования напряжения AC-DC/DC представляет собой гальванический преобразователь для генерации регулируемого напряжения с плавающей землей.

Плата ввода и вывода информации U1-A5 используется для связи с контроллером Simatic с помощью интерфейса RC 232

Плата процессора PC-EMUF - основная плата в контроллере, управляет работой контроллера.

Плата ADC-32 позволяет осуществить измерение до 32 аналоговых сигналов, значением 0-20, 4-20 мА при нагрузке 250 Ом.

Плата памяти MEMCARD для хранения информации, используемой при работе контроллера.

Фронтальная панель Frontplatte и плата DMF-ADAPTER служат для отображения информации текущего отжига на экране и светодиодах.

В контроллере, также, присутствует шиномодуль - SMP, через который все вышеперечисленные платы соединены друг с другом.

Внутренняя структура контроллера Ats-700 состоит из нескольких компонентов. Взаимосвязь различных компонентов показывается в соответствии с рисунком ниже:



Рисунок 27 - Внутренняя структура контроллера ATS-700

Техническое обеспечение:

- независимое управление стендом даже без интерфейса с центральным управляющим компьютером;

- отображение как всех входных и выходных данных, так и информации о статусе отжига на фронтальной панели контролера;

- стандартная микропроцессорная система со штепсельным разъемом для быстрой замены и удобного обслуживания;

- система аварийной безопасности, позволяющая в случае возникновения внешней ошибки вернуть стенд в полностью безопасное состояние;

- постоянная память стендового контролера и регистрируемые данные.

3.6.10 Выбор программируемого контроллера (колпаковый контроллер)

Выбираем контроллер Simatic S7-300 фирмы Siemens, в соответствии с техническим заданием на разработку АСУТП колпаковой печи. Он обеспечивает выполнение всех необходимых функций регулирования и наиболее распространен на предприятии, а следовательно, не требуется переобучение персонала. Широкая распространенность контроллера также позволит сэкономить на закупке программного обеспечения для его программирования.

SIMATIC S7-300 - это модульные программируемые контроллеры, работающие с естественным охлаждением. Модульная конструкция, возможность построения распределенных структур управления, наличие дружественного пользователю интерфейса позволяют использовать контроллер для экономичного решения широкого круга задач автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

- модули центральных процессоров (CPU). В зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающиеся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, наличием или отсутствием коммуникационных интерфейсов;

- сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

- коммуникационные процессоры (СР) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS интерфейсу или организации связи по PPI (point to point) интерфейсу;

- функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов. Функциональные модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК.

Для разрабатываемой системы выберем:

1. Центральный процессор CPU 315-2 DP

CPU 315-2 DP оснащен встроенным интерфейсом PROFIBUS DP и способен выполнять программы среднего и большого объема. В сети PROFIBUS DP CPU 315-2DP способен выполнять функции ведущего или ведомого устройства.

Центральный процессор с встроенным интерфейсом PROFIBUS DP позволяет создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами. Сеть PROFIBUS DP обеспечивает поддержку мультимастерного режима работы и позволяет объединять до 128 сетевых устройств. Ее протяженность с электрическими каналами связи может достигать 9.6 км, с оптическими каналами связи - 96 км. Максимальная скорость передачи данных равна 12 Мбит/с. Посредством сети PROFIBUS DP будет осуществляться связь с компьютером.

Для программирования CPU 315-2 DP используется язык программирования STEP 7. Также для программирования могут оптимально использоваться инструментальные средства проектирования:

Функции:

- парольная защита доступа: для защиты от несанкционированного доступа к программе пользователя;

- буфер диагностических сообщений: хранит 100 последних сообщений об ошибках;

- необслуживаемое сохранение данных: при перебоях в питании контроллера центральный процессор автоматически сохраняет текущие данные и использует их после восстановления напряжения питания.

Из среды STEP 7 могут настраиваться следующие параметры и свойства центрального процессора:

- интерфейс MPI: определение адреса станции;

- интерфейс PROFIBUS DP: определение режимов работы и параметров настройки, свободная адресация устройств системы распределенного ввода-вывода;

- параметры рестарта/цикла выполнения программы: определение максимального времени сканирования программы, перезапуска и выполнения функций самодиагностики;

- объем реманентной области памяти: определение объема данных (количества битов памяти, таймеров, счетчиков и блоков данных), сохраняемых при перебоях в питании контроллера.

- тактовые биты: установка адреса;

- уровень защиты: установка прав на доступ к программе и данным;

- системная диагностика: установка порядка обработки диагностических сообщений;

- прерывания по дате и времени: установка стартовой даты и времени, а также периода повторения прерываний.

Информационные функции и функции отображения:

- отображение состояний и ошибок: светодиодная индикация, отображение программных ошибок, ошибок по времени, ошибок ввода-вывода, режимов работы RUN/STOP, рестарта и т.д.;

- функции тестирования: в процессе выполнения программы программатор позволяет отображать состояния сигналов, модифицировать и считывать значения переменных, получать доступ к содержимому стека;

- информационные функции: с помощью программатора можно получить информацию об объеме памяти и режимах работы центрального процессора, объеме занятой и свободной памяти, текущем времени цикла выполнения программы, просмотреть содержимое буфера аварийных сообщений в текстовом формате.



Таблица 9 - Технические характеристики CPU 315-2 DP

Рабочая память	128 Кбайт
Загружаемая память(микро карта памяти, Flash-EEPROM)	до 8 Кбайт
Сохранение данных при сбоях в питании: - в микро карте памяти	Необслуживаемое Программа и все данные (состояния флагов, таймеров, счетчиков, содержимое блоков данных)
Минимальное время выполнения: - логических операций - операций со словами - арифметических операций с фиксированной/ плавающей точкой	0.1 мкс 0.2 мкс 2.0/3.0 мкс
Общее количество: - таймеров - счетчиков	256 256
Скорость передачи данных: - PROFIBUS-DP - MPI	до 12Мбит/с 187.5Кбит/с
Напряжение питания: - номинальное значение - допустимый диапазон изменений	24В 20.4…28.8В
Потребляемый ток: - на холостом ходу, типовое значение - номинальный	60 мА 0.8 А
Пусковой ток, типовое значение	2.5 А
Потребляемая мощность, типовое значение	2.5 Вт
Габариты	40х125х130 мм
Масса	0.29 кг

2. Блок питания PS 307

Для питания контроллера S7-300 необходимо напряжение =24 В. Модуль блока питания PS 307 преобразует входное напряжение ~ 120/230 В в выходное напряжение =24 В. PS 307 позволяет подключать к своему выходу не только ПЛК, но и подавать питание на датчики и приводы.

Конструкция:

Модуль блока питания устанавливается на профильную шину слева от центрального процессора. Подключение центрального процессора производится силовой перемычкой.

На фронтальной панели блока питания расположены:

- индикатор выходного напряжения - светодиод, сигнализирующий о наличии выходного напряжения =24 В;

- переключатель выбора входного напряжения: переключатель закрыт защитной крышкой. С его помощью можно производить выбор уровня входного напряжения, равный ~120 В или ~230 В;

- выключатель выходного напряжения =24 В;

- соединительные терминалы: эти терминалы предназначены для подключения цепей входного напряжения, выходного напряжения, а также заземляющего проводника.

Таблица 10 - Технические характеристики PS 307

Входное напряжение: - номинальное значение - допустимый диапазон изменений	~120/230 В от 85 до 132 В/от 170 до 264 В
частота питающей сети: - номинальное значение - допустимый диапазон	50/60 Гц 47… 63 Гц
Номинальный входной ток: - при 120 В - при 230 В	2.1 А 1.3 А
Выходное напряжение: - номинальное - допустимый диапазон изменений	24 В 24 В ± 3%
Выходной ток: - номинальное значение - допустимый диапазон изменений	5 А 0…5 А
КПД	87%

3. Модуль аналогового ввода SM 331.

Модули ввода аналоговых сигналов выполняют аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов контроллера и формируют цифровые значения мгновенных значений аналоговых величин. Эти значения используются центральным процессором в ходе выполнения программы.

К модулям могут подключаться датчики с унифицированными сигналами напряжения и силы тока, термопары, датчики сопротивления и термометры сопротивления.

Модули SM 331 характеризуются следующими показателями:

- возможность использования модулей для измерения различных видов аналоговых сигналов на различных пределах измерения. Выбор вида аналогового сигнала производится аппаратно с помощью модулей выбора вида входного

- сигнала или соответствующей схемой подключения датчика. Выбор предела измерения выполняется программным путем с помощью "Hardware Configuration" STEP 7. Допускается выполнение индивидуальной настройки различных каналов на измерение заданного вида аналогового сигнала с заданным пределом измерений;

- поддержка прерываний: модули способны формировать диагностические прерывания, а также прерывания при достижении измеряемым параметром предельных значений;

- диагностика: модули способны пересылать в центральный процессор большой объем диагностической информации.

Таблица 11 - Тех. характеристики SM 331 6ES7331-7NF00

Общее количество входов	8
Длина экранированного кабеля, не более	200 м
Гальваническое разделение между каналами и внутренней шиной контроллера	Есть
Потребляемый ток, не более	130мА
Потребляемая мощность, типовое значение	0.6Вт
Параметры входных сигналов	±5 В/2 МОм; 1…5 В/2 МОм; ±10 В/2 МОм; 0…20мА/250 Ом; ±20мА/250 Ом; 4…20мА/250 Ом.
Параметры аналого-цифрового преобразования: Принцип преобразования Время интегрирования/ время преобразования/ разрешающая способность на один канал: - настройка параметров - время интегрирования, мс - базовое время преобразования, включая время интегрирования, мс - разрешающая способность, включая знаковый разряд, бит	Интегрирование Поддерживается 2.5/ 16 2/3/ 20/ 100 35/ 55/ 65/ 305 16
- базовое время ответа модуля при разрешенной работе всех каналов, мс	140/ 220/ 260/ 1220
Погрешности: Базовая погрешность преобразования (рабочая погрешность преобразования при +25єC по отношению к пределу измерения): - сигналы напряжения - сигналы силы тока Температурная погрешность преобразования (по отношению к пределу измерения)	± 0.05% ± 0.05% ± 0.005%/К
Габариты	40х125х117 мм
Масса	0.272 кг

4. Модуль аналогового вывода SM 332

Модуль вывода аналоговых сигналов SM 332 предназначен для цифро-аналогового преобразования внутренних цифровых величин контроллера S7-300 в его выходные аналоговые сигналы.

Модуль характеризуется следующими показателями:

- выходные сигналы напряжения и силы тока: выбор вида аналогового сигнала производится программным способом для каждого выходного канала;

- поддержка прерываний: при возникновении ошибок модули способны формировать прерывания для центрального процессора;

- диагностика: модули способны пересылать в центральный процессор большое количество диагностической информации.



Таблица 12 Тех. характеристики SM 332 6ES7332-5HD01

Количество выходов	4
Установка выходов в заданные состояния при остановке центрального процессора	Поддерживается
Длина экранированного кабеля, не более	200 м
Гальваническое разделение между каналами и внутренней шиной контроллера	Есть
Потребляемый ток: - от шины расширения ввода-вывода - от источника питания	60 мА 240 мА
Потребляемая мощность	3 Вт
Диапазоны изменения выходных сигналов - для каналов напряжения - для каналов силы тока	1…5В; 0…10В; ±10В 0…20мА; 4…20мА; ±20мА
Параметры цифро-аналогового преобразования: Разрешающая способность: - ±10 В - 1 … 5 В	11 бит + знак 11 бит + знак
- 0 … 10 В - ±20 мА - 4 … 20 мА - 0 … 20 мА Время преобразования на канал	12 бит 11 бит + знак 11 бит + знак 12 бит не более 0.8 мс
Погрешности: Базовая погрешность преобразования (рабочая погрешность преобразования при +25єC по отношению к конечной точке шкалы): - для каналов напряжения - для каналов силы тока	±0.2 % ±0.3 %
Габариты	40х125х117 мм
Масса	0.22 кг

3.6.11 Выбор промышленного компьютера

В проекте предусмотрена выдача информации о ходе технологического процесса на АРМ мастера смены и мастера - технолога.

В состав АРМов входит: промышленный компьютер на базе процессора P IV D- 3200, 2x512 Mb RAM, 80 Gb SATA HDD, порты COM, LPT, привод CD, дисковод FDD, сетевой контроллер 10/100 Мбит, ЖК монитор 22", принтер лазерный.

Для подключения компьютера к сети PROFIBUS-DP устанавливается модуль CP 5611.На компьютере предусматривается установка SCADA -системы.



4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Разработка алгоритма работы программы управления

Интегрированная управляющая система, разработанная фирмой "LOI" специально для колпаковых печей, состоит из двух основных подсистем: стендового контроллера (ATS-700) и колпаковый контроллер S7-300. СК управляет отдельным стендом, а КН обеспечивает управление нагревом колпаковой печи. Все данные каждого цикла технологического процесса регистрируются и сохраняются в оперативной памяти каждого СК, откуда они через интерфейс с управляющей компьютерной системой могут быть затребованы для дальнейшей обработки либо архивации.

Управляющий компьютер связан не только с СК., но также обеспечивает интерфейс для связи с общецеховой системой управления. Основными функциями УКС являются:

- графическое, табличное и схематическое отображение данных стенда, таких как качество отжигаемого металла, его сортамент, цикл отжига и атмосфера, фазы нагрева и охлаждения, температуры (включая задания) и продолжительности, расходы азота и водорода;

- отображение основной таблицы состояния, указывающей номера нагревательных и охлаждающих колпаков, установленных на каждом стенде, а также детализирующей расписание работы оборудования, используемое для планирования работы отделения: времени освобождения муфелей, нагревательных и охлаждающих колпаков, регистрации данных о рулонах (вес, размер) и т.д.;

- отображение всех стендов блока колпаковых печей для быстрого обзора их состояния и при необходимости быстрого устранения неполадок;

-детальное цвето-графическое схематическое представление каждого стенда, показывающее положение клапанов, состояние двигателей, ЦВ и ЦВБО;

-индикация состояния электрооборудования, муфелей, нагревательных и охлаждающих колпаков (помеченных "в наличии", "в работе", "в ремонте");

-задание специфических режимных параметров работы оборудования.

На основе перечисленных требований разработаем алгоритм программы:



Рисунок 28 - Алгоритм программы



4.2 Программа контроля температуры

Programm 100: U_TOLEB

Warte Zeit Sollwert Palil 230 Istwert intern abwaerts in Sekunden ohne Abbruch

LO: Teste Pali2 28 < Pali2 155

Springe Wahr L7: Falsch L9:

L7: Teste Pali2 28 <= Palil 107

Springe Wahr LW1: Falsch L9:

L9: Teste Pali2 28 > Pali2 154

Springe Wahr Lll: Falsch LO:

Lll: Teste Pali2 28 >= Palil 107

Springe Wahr LW1: Falsch LO:

LW1: Warte Zeit Sollwert Palil 223 Istwert intern abwaerts in Sekunden ohne Abbruch

Teste Pali2 28 < Pali2 155

Springe.Wahr LW2: Falsch LW3:

LW2: Teste Pali2 28 <= Palil 107

Springe Wahr LW5: Falsch LW3:

LW3: Teste Pali2 28 > Pali2 154

Springe Wahr LW4: Falsch LO:

LW4: Teste Pali2 28 >= Palil 107

Springe Wahr LW5: Falsch LO:

LW5: Setze Pali4 228 = 0

L27: Teste Pali2 28 > Pali2 152

Springe Wahr LA: Falsch L29:

L29: Teste Pali2 28 < Pali2 153

Springe Wahr LA: Falsch L27:

LA: Warte Zeit Sollwert PALI1 224 Istwert intern abwaerts in Sekunden ohne Abbruch

Teste Pali2 28 > Pali2 152

Springe Wahr L35: Falsch LB:

LB: Teste Pali2 28 < Pali2 153

Springe Wahr L35: Falsch L27:

L35: Setze Ausgang STOER = Impuls 20

Setze Pali4 100 = l L39: Teste PALI4 100 = 0Springe Wahr LQ: Falsch L39:

LQ: Setze Pali4 228 = l

Springe Wahr LO: Falsch LO:

End;

4.3 Описание работы программы

Данная программа предназначена для точного контроля температуры и своевременного вывода сообщения об ошибке на дисплей контроллера.

Программа запускается одновременно с основной программой управления и продолжает работать до тех пор, пока работает основная программа.

Программа работает сравнивая значения температуры текущее с заданными значениями пределов. Все значения переменных и констант используемые контроллером задаются в виде матрицы, таким образом встречающиеся в программе номера (например 28, 155, 157… ….) являются номерами ячеек матрицы.

Ячейки содержат следующую информацию:

28 - текущее значение температуры нагрева

107 - заданное значение температуры нагрева

152 - положительный допуск №1

153 - отрицательный допуск №1

154 - положительный допуск №2

155 - отрицательный допуск №2

223, 224 - данные ячейки содержат информацию о времени задержки, которое включается, в случае если температура ещё не достигла заданного значения

100 - ячейка содержит команду вывода на дисплей сообщения об ошибке "Температура за пределами допуска"

228 - выводит на дисплей сообщение "Ошибка квинтирована"



5. ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

Решение задач надежности автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) (как, впрочем, и любой сложной системы) требует учета взаимосвязи этой системы и внешней среды. Под внешней средой понимается все то, что окружает АСУ ТП и оказывает на нее воздействие или же само подвергается воздействию от АСУ ТП.

Рисунок 29 - Взаимосвязь АСУ ТП и внешней среды при решении проблем надежности

Автоматизированная система управления технологическим процессом вместе с технологическим объектом управления (ТОУ) образуют автоматизированный технологический комплекс (ATK). Элементом внешней среды АСУ ТП является и объект управления (рис ). Рассмотрим существенные для решения вопросов надежности связи между АСУ ТП и ее внешней средой.

Связь «АСУ ТП -- технологический объект управления» отображает наличие управляющих воздействий АСУ ТП на регулирующие органы объекта. Эта связь при решении вопросов надежности является одной из самых важных и проявляется в непосредственном влиянии отказов АСУ ТП на поведение объекта управления.

Связь «ТОУ--АСУ ТП» соответствует поступлению в АСУ ТП информации о состоянии объекта. Эта связь выполняется в изменении режима работы системы в зависимости от поведения объекта, например в виде отключений тех или иных подсистем в зависимости от режима работы объекта.

K компонентам внешней среды ATK, которые существенны для решения задачи надежности АСУ ТП, относятся:

1. органы управления вышестоящего уровня иерархии, например, АСУ предприятием или персонал, руководящий функционированием ATK при неавтоматизированном вышестоящем уровне;

2. окружающая среда, которую характеризуют условия эксплуатации (температура, влажность, вибрация, удары, наличие и характер индустриальных помех и т. д.);

3. ремонтный персонал, не входящий в состав ATK;

4. запасные части, необходимые для проведения ремонтов и технического обслуживания.

Связи между АСУ ТП и этими компонентами имеют различный характер.

Связь «органы управления вышестоящего уровня--АСУТП» осуществляется в виде плановых заданий по производительности объекта, изменению режимов работы установок и агрегатов, ограничениям на расход сырья и т. п. Такие воздействия могут изменять режим работы системы и требования к качеству ее функционирования.

Связь «АСУ ТП -- органы управления вышестоящего уровня» соответствует поступлению сведений о выполнении заданий, основных показателях функционирования объекта. Отказы АСУ ТП могут приводить к неправильному вычислению этих показателей или вообще к невыдаче результатов вычислений.

Связь «условия эксплуатации -- АСУ ТП» отражает тот факт, что на надежность существенно влияют внешние условия (например, от температуры в помещении зависит работа вычислительного комплекса).

Технические средства АСУ ТП подвергаются восстановлению после отказов и подлежат техническому обслуживанию. Это приводит к возникновению связи «АСУ ТП -- ремонтный персонал», которая заключается в генерировании заявок на восстановление. Их необходимость появляется вследствие отказов. Связь «ремонтный персонал -- АСУ ТП» заключается в исполнении заявок на восстановление и в выполнении технического обслуживания согласно инструкциям и регламентам.

Связь «АСУ ТП -- запасные части» отображает поступление заявок на получение запасных частей, возникающих вследствие отказов технических средств. Связь «запасные части -- АСУ ТП» соответствует отправке запасных частей.

Критерии и классификация отказов АСУ ТП в целом. Описание надежности АСУ ТП в целом (без декомпозиции на компоненты) имеет смысл в связи с необходимостью рассмотрения надежности автоматизированного технологического комплекса, с учетом взаимосвязи АСУ ТП и ТОУ. При этом совокупность показателей надежности АСУ ТП и ТОУ позволит определить показатели надежности ATK.

Поведение ATK при анализе надежности описывается случайным процессом попадания ATK в определенные состояния. Примерами таких состояний для энергоблока могут быть работа на номинальной и пониженной мощностях, простой, сопровождающийся повреждением отдельных единиц технологического оборудования, простой, вызванный нарушением безопасности, и др.

Показателями надежности ATK могут быть параметр потока попаданий в каждое из этих состояний, или средняя наработка между попаданиями в такое состояние, или вероятность отсутствия этих попаданий за определенное время. Соответственно за отказы АСУ ТП в целом могут приниматься нарушения требований к качеству управления, приводящие к попаданию ATK в определенные состояния. Примерами такого требования является отсутствие вынужденных остановов технологического оборудования по вине АСУ ТП.

У сложных систем, таких как АСУ ТП, могут иметь место не только работоспособное и неработоспособное состояния, но и промежуточные между ними, отличающиеся, например, показателями эффективности. Поэтому одно из требований к АСУ ТП -- поддержание значений показателей эффективности АСУ ТП не хуже заданных. При этом следует учесть, что особенностью большинства показателей эффективности является их зависимость не только от состояния АСУ ТП, но и от поведения ТОУ, технологических возмущений, поступающих на объект, задания и т. п. Нарушением указанного требования следует считать ухудшение показателей эффективности, произошедшее только вследствие отказов компонентов АСУ ТП. Примерами критериев отказа при нарушении этого требования является снижение показателя качества продукции ниже допустимого уровня из-за отказа технических средств или неправильных действий оперативного персонала.

Отказы АСУ ТП можно классифицировать по виду состояния, в которое может попасть ATK после отказа АСУ ТП, и по причинам их возникновения. Кроме того, их можно разделить на отказы, приводящие к существенным последствиям только при возникновении запросов от объекта (для определения влияния этих отказов на процесс изменения состояний ATK необходимо учесть характеристики потока запросов), и отказы, приводящие к существенным последствиям без запросов от объекта (эти отказы непосредственно изменяют состояние ATK). Примером отказа АСУ ТП первого вида является несрабатывание аварийной защиты при поступлении запроса на ее срабатывание, приведшее к повреждению оборудования. Примером отказа второго вида является ложное срабатывание защиты, вызвавшее останов агрегата без такой необходимости.

Исходя из необходимости дальнейшего определения показателей надежности ATK, в качестве показателей надежности АСУ ТП принимаются: средняя наработка на отказ, приводящий к попаданию ATK в определенное состояние (или соответствующий параметр потока отказов, или вероятность отсутствия таких отказов за определенный промежуток времени); вероятность невыполнения АСУ ТП заданных действий при наличии запроса (например, несрабатывание защиты), приводящего к попаданию АСУ ТП в определенное состояние. Указанные показатели задаются для различных состояний ATK.

Многообразие решаемых при проектировании и эксплуатации АСУ ТП задач, направленных на обеспечение ее надежности, определяет необходимость использования разнообразных моделей поведения систем и соответствующего им математического описания. K числу таких задач относится задача определения необходимого числа запасных элементов, ремонт которых не может быть произведен на месте их эксплуатации, а поставки новых элементов или возвращение восстановленных происходят в фиксированные сроки, например раз в год. C учетом того, что большой объем элементов АСУ ТП ремонтируется в цехах КИП и автоматики, не менее распространенным является расчет потока отказов для определения трудозатрат на ремонт отказавших элементов.

Системы, у которых отказавшие элементы мгновенно заменяются исправными (резервирование замещением), занимают промежуточное положение между восстанавливаемыми и невосстанавливаемыми системами.

Состояние резервных элементов до включения в работу может быть нагруженным, ненагруженным и облегченным. Для САР температуры в КП резерв находится в ненагруженном состоянии.

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 для количественной оценки надежности применяются количественные показатели оценки отдельных ее свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а также комплексные показатели, характеризующие готовность и эффективность использования технических объектов (в частности, электроустановок).

Эти показатели позволяют проводить расчетно-аналитическую оценку количественных характеристик отдельных свойств при выборе различных схемных и конструктивных вариантов оборудования (объектов) при их разработке, испытаниях и в условиях эксплуатации. Комплексные показатели надежности используются главным образом на этапах испытаний и эксплуатации при оценке и анализе соответствия эксплуатационно-технических характеристик технических объектов (устройств) заданным требованиям.

На стадиях экспериментальной отработки, испытаний и эксплуатации, как правило, роль показателей надежности выполняют статистические оценки соответствующих вероятностных характеристик. В целях единообразия все показатели надежности, в соответствии с ГОСТ 27.002-89, определяются как вероятностные характеристики. В данном пособии отказ объекта рассматривается как случайное событие, то есть заданная структура объекта и условия его эксплуатации не определяют точно момент и место возникновения отказа.

5.1 Средняя наработка на отказ САР температуры КП

Этот показатель относится к восстанавливаемым объектам, при эксплуатации которых допускаются многократно повторяющиеся отказы. Эксплуатация таких объектов может быть описана следующим образом: в начальный момент времени объект начинает работу и продолжает работу до первого отказа; после отказа происходит восстановление работоспособности, и объект вновь работает до отказа и т.д. На оси времени моменты отказов образуют поток отказов, а моменты восстановлений - поток восстановлений.

Средняя наработка на отказ объекта (наработка на отказ) определяется как отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к числу отказов, происшедших за суммарную наработку:

,

где ti - наработка между i-1 и i-м отказами, ч;

n(t) - суммарное число отказов за время t.

Общее время наработки элементов старой системы на отказ Тс= 7670 часов, n(t)=4, t-10000.

Рассчитаем время наработки на отказ для новой системы.

t1-120000 ч (контроллер), t2, 3- 8000 ч., t4-8000 ч., t5 - 6000 ч.

Тн=(10000+7809+6007+10000+5260)/4=9769ч.

Рассчитаем, во сколько раз увеличилось время наработки на отказ САР температуры:

Тн/Тс=9769/7670=1, 27

За контрольное время t-10000 ч. и с тем же количеством отказов, у новой системы в 1, 27 раза больше времени наработки на отказ.

Вероятность безотказной работы новой САР - это вероятность того, что в пределах заданий наработки отказ объекта не возникает. На практике этот показатель определяется статистической оценкой.

где No - число однотипных объектов (элементов), поставленных на испытания (находящихся под контролем); во время испытаний отказавший объект не восстанавливается и не заменяется исправным; n(t) - число отказавших объектов за время t.

Вероятность безотказной работы старой САР

Nо = 5 - элементы САР температуры в КП (контроллер, датчики, преобразователи), n(t)=4

Pс(t)=(5-4)/5 =0, 2

Вероятность безотказной работы новой САУ

Nо = 5 - элементы САУ КП (контроллер, датчики), n(t)=1

Pн(t)=(5-1)/5 =0, 8

Рассчитаем, во сколько раз увеличилась вероятность безотказной работы новой системы САУ КП:

Pн/ Pс=0, 8/0, 2=4.

Вероятность безотказной работы новой системы САУ КП увеличилась в 2 раза

Иногда практически целесообразно пользоваться не вероятностью безотказной работы, а вероятностью отказа Q(t). Поскольку работоспособность и отказ являются состояниями несовместимыми и противоположными, то их вероятности связаны зависимостью:

Р(t) + Q(t) = 1,

следовательно:

Q(t) = 1 - Р(t).

Рассчитаем вероятность отказа старой системы:

Qс(t)=1-0, 2=0, 8



Рассчитаем вероятность отказа новой системы:

Qн(t)=1-0, 8=0, 2

Рассчитаем во сколько раз уменьшилась вероятность отказа новой системы САР температуры в КП:

Qc/Qн(t)=0, 8/0, 2=4

Вероятность отказа новой системы САР температуры в КП уменьшилась в 4 раза.

Средней наработкой до отказа называется математическое ожидание наработки объекта до первого отказа T1. Статистическая оценка для средней наработки до отказа определяется по формуле:

,

где No - число работоспособных однотипных невосстанавливаемых объектов при

t = 0 (в начале испытания); tj - наработка до отказа j-го объекта.

Рассчитаем наработку до отказа новой САР температуры в КП:

t(k)-120000 ч.; t(d1)-8000 ч.; t(d2)-8000 ч.; t(p1)-6000 ч.; t(p2)-8000 ч.;

Т=(1/5)*( 120000+8000+8000+6000+8000)= 30000 ч.

Из результатов проведенных расчётов видно, что предлагаемая САР температуры, в среднем в 4 раза надежней старой системы. Это позволит экономить средства на закупке резервного оборудования в 4 раза, так как цены нового и старого оборудования примерно равны.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной работы был изучен технологический процесс холоднокатаного производства, а также особенности работы технологического объекта - колпаковой печи.

Работа заключалась в модернизации автоматизированной системы управления нагрева металла в колпаковой печи. В процессе работы было выбрано оборудование и разработана функциональная схема автоматизации, рассчитана надежность системы, проведено математическое моделирование технологического объекта, благодаря чему добились наилучших качественных показателей переходного процесса, так же была разработана программа для контроллера реализующая функцию управления нагревом металла в колпаковой печи.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Компания «Siemens» [Электронный ресурс]: офиц. сайт. - Режим доступа: http:// www.siemens.com.

2 Теория автоматического управления: Учебник для ВУЗов/ Под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Высшая школа, 1999.-286 с.

3 Насосные установки и их эксплуатация: учеб. Пособие. - Череповец: ПАО Северсталь, 2007. - 2003с.

4 Соколова Е.М. Электрическое и электромеханическое оборудование. Учебное пособие для ССУЗов - М: Мастерство, 2001.-224с.

5 Схиртладзе А.Г. Автоматизация технологических процессов и производств: учебник / А.Г. Схиртладзе, А.В. Федотов, В.Г. Хомченко. - Москва: Абрис, 2012. - 565 с.

6 Схиртладзе, А.Г. Автоматизация технологических процессов: учебное пособие / А.Г.Схиртладзе, С.В. Бочкарев, А.Н. Лыков. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 524с.

7 Фатхудинов Р. А. Организация производства: учебник / Р. А. Фатхутдинов. - Москва: ИНФРА-М, 2011. - 544 с.

8 Фельдштейн Е.Э. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учебное пособие / Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. - Москва: НИЦ ИНФРА, 2013. -264 с.

9 Чернявский Е.А. Измерительно - вычислительные средства автоматизации производственных процессов:учебник / Е.А. Чернявский. - Л.: Энергоатомиздат, 2009. -272 с.

10 Шишмарев В.Ю. Средства измерения:учебник /В.Ю. Шишмарев. - Москва: «Академия», 2007.- 256 с.



ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Спецификация к функциональной схеме существующей системы регулирования температуры металла в колпаковой печи



Приложение 2

Спецификация к функциональной схеме модернизированной системы регулирования температуры металла в колпаковой печи

Размещено на Allbest.ru