Разработка системы управления процессом изготовления резиновой смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время в резиновой промышленности осуществляется техническое перевооружение на основе новой техники с целью повышения эффективности производства, производительности труда и улучшения качества продукта.

Наибольшее внимание уделяется совершенствованию технологических процессов и оборудования, комплексной механизации и автоматизации производства и управления технологическими процессами и предприятиями с применением вычислительной техники.

Вводятся в действие автоматизированные системы управления качеством продукции, охватывающие все звенья технологической системы производства.

Совершенствования оборудования резиновой промышленности осуществляется с учётом повышения качества продукции, интенсификации технологических процессов, оптимального проектирования и автоматизированными системами.

Автоматические линии приготовления резиновых смесей включают комплекс технологического оборудования и средств автоматизации, обеспечивающих осуществление в поточном производстве процессов приготовления смесей согласно заданным рецептом и режимом их приготовления.

Уровень автоматизации этих линий в сочетании с автоматизированными системами приёма, хранения, подготовки и транспортировки сырья обуславливает уровень комплексной автоматизации.

1. Описание технологического процесса приготовления резиновой смеси в резиносмесителе

Технологический процесс предназначен для получения резиновой смеси путём механического смешения различных ингредиентов с каучуком.

Процесс протекает в одну стадию. Эффект перемешивания достигается силовым воздействием рабочих органов резиносмесителя на материал, в результате которого каждый компонент равномерно распределяется по всему объёму.

Процесс приготовления резиновой смеси протекает в резиносмесителе, который представляет собой рабочую смесительную камеру с вращающимися внутри навстречу друг другу роторами, приводимыми в движение электродвигателем. Над смесительной камерой закреплена загрузочная воронка и верхний затвор. Верхний затвор представляет собой цилиндр с поршнем, управляемый сжатым воздухом и предназначен для создания требуемого давления на обрабатываемую смесь в процессе смешения. Заслонка загрузочной воронки также управляется с помощью пневмопривода.

В нижней своей части смесительная камера имеет нижний затвор, служащий для выгрузки смеси. Перемещение его также производится сжатым воздухом.

Процесс приготовления резиновой смеси начинается с заполнения приёмных бункеров материалами. Заполнение производится с помощью транспортёрной системы. Затем происходит дозировка материалов и загрузка их в резиносмеситель: в первую очередь загружаются каучук, мел и порошкообразные ингредиенты.

После этого боковая дверь закрывается, опускается верхний затвор и начинается процесс смешения.

По истечении 55 секунд верхний затвор поднимается, загрузочная воронка открывается и идёт загрузка жидких ингредиентов, она производится с помощью инжектора.

После загрузки жидких ингредиентов загрузочная воронка закрывается, верхний затвор опускается и процесс смешения продолжается.

Контролируемые параметры: давление воздуха верхнего затвора резиносмесителя 0,6 МПа, и температура 160±5 °С.

Температура в резиносмесителе постоянно повышается за счёт трения. Поэтому резиносмеситель снабжён системой охлаждения. Т.к. используемые резиновые смеси требуют повышенной температуры, то для обеспечения быстрого достижения необходимой температуры процесса, резиносмеситель оборудован теплообменником для подогрева циркулирующего теплоносителя паром до требуемой температуры.

По истечении времени смешения или при достижении температурой 165 °С нижний затвор открывается и смесь выгружается из резиносмесителя на вальцы для окончательной обработки.

2. Выбор регулируемых параметров и каналов внесения регулирующих воздействий

резиносмеситель автоматизация контроль регулирование

Основными показателями эффективности данного процесса являются: качество резиновой смеси, производительность резиносмесителя, энергетические и материальные затраты на процесс.

Целью управления процессом является поддержание основных показателей эффективности процесса на заданных значениях.

Качество резиновой смеси определяется несколькими показателями, в частности: пластичностью, кольцевым модулем, плотностью и твёрдостью. Поэтому приборы для однозначного определения качества резиновой смеси не выпускаются. Следовательно, качество резиновой смеси не может быть выбрано в качестве регулируемого параметра.

В связи с этим для получения качественной резиновой смеси, необходимо стабилизировать режимные параметры, которые оказывают наибольшее влияние на процесс. К таким параметрам относятся вес каждого из ингредиентов, последовательность загрузки ингредиентов в резиносмеситель, температура и давление в резиносмесителе, контролируемое по давлению воздуха в цилиндре верхнего затвора, а также время смешения.

Вес каждого из ингредиентов должен точно соответствовать рецепту. Отклонение навесок ингредиентов от заданного значения может привести к получению брака. Если же вес серы превысит заданное значение, то даже при заданных значениях других параметров может произойти преждевременная подвулканизация резиновой смеси, она станет более жёсткой, что усложнит процесс её дальнейшей переработки. Кроме того возможна выкристализация серы на поверхность резиновой смеси при её хранении. И то и другое не допустимо. Поэтому вес ингредиентов необходимо регулировать по жёсткой программе в соответствии с рецептом.

Нарушение последовательности загрузки ингредиентов недопустимо. Так, например, при одновременной загрузке в смесительную камеру мягчителей и комкующегося технического углерода ухудшается распределение последнего в резиновой смеси, снижаются физико-механические показатели резины. Следовательно, последовательность загрузки ингредиентов в резиносмеситель регулировать по заданной программе в соответствии с регламентом.

При превышении температуры выше заданного значения может произойти подвулканизация резиновой смеси. При проведении процесса при температуре ниже заданной резиновая смесь будет менее однородной. И то и другое не допустимо. Температура в резиносмесителе постоянно повышается за счёт тепла, выделяемого при перемешивании резиновой смеси. Поэтому температуру необходимо регулировать и сделать это можно путём изменения притока охлаждающей воды в рубашку резиносмесителя или подогревом циркулирующего теплоносителя паром через теплообменник.

Процесс смешения резиновой смеси должен протекать при постоянном давлении. Давление в резиносмесителе определяется давлением сжатого воздуха в верхней камере привода верхнего затвора. Превышение давления заданного значения не оказывает значительного влияния на процесс смешения, так как усилие верхнего затвора, который при этом доходит до упора не передаётся на смесь, а воспринимается конструкцией резиносмесителя. Уменьшение давления верхнего затвора на резиновую смесь снижает эффективность процесса, приводит к получению неоднородной смеси. А это недопустимо. Следовательно, давление в верхней камере привода верхнего затвора необходимо стабилизировать.

Увеличение продолжительности смешения приводит к снижению производительности резиносмесителя и может привести к снижению качества резиновой смеси и даже под вулканизации. Уменьшение времени смешения приводит к получению неоднородной смеси. И то и другое недопустимо. Поэтому продолжительность процесса смешения необходимо регулировать по жёсткой программе в соответствии с регламентом.

Энергетические затраты на процесс определяются расходом охлаждающей воды. Поскольку расход охлаждающей воды регулируется регулятором температуры, то энергетические затраты на процесс можно считать оптимальными.

Материальные затраты на процесс будут зависеть от точности дозирования ингредиентов.

3. Выбор контролируемых и сигнализируемых параметров

Контролируемые параметры выбираются из следующих соображений: при минимальном их количестве должна быть получена максимальная информация о ходе технологического процесса.

Контролю подлежат, прежде всего регулируемые параметры, а именно: вес каждого из ингредиентов, температура и давление в резиносмесителе.

Для подсчёта технико-экономических показателей процесса необходимо контролировать расход охлаждающей воды.

Сигнализации подлежат те параметры, выход которых за заданные пределы приводит к нарушению хода технологического процесса. К таким параметрам относятся превышение температуры в резиносмесителе заданного значения и отклонения уровня от заданного значения.

4. Выбор мероприятий по защите и блокировке

Средства автоматической защиты должны предотвратить выход температуры за установленный предел. Если регулятор температуры выйдет из строя, и температура в резиносмесителе станет выше установленного предела, средства автоматической защиты должны открыть нижний затвор и произвести выгрузку резиновой смеси.

5. Обоснование выбора средств автоматизации

Поскольку процесс приготовления резиновой смеси не взрывоопасен, то при выборе средств автоматизации предпочтение отдаётся электрическим средствам, как наиболее быстродействующим и точным.

Для измерения температуры в смесителе выбирается термоэлектрический преобразователь, так как он является единственным датчиком, позволяющим измерить температуру в точке. Погружение датчика в измеряемую среду не представляется возможным из-за вращающихся роторов. Самым чувствительным термоэлектрический преобразователем является хромель-копелевый, поэтому выбирается термоэлектрический преобразователь типа ТХК - 0479, градуировка XK(L), предел измерения - минус 50 - плюс 200 °С.

В качестве вторичного прибора можно использовать милливольтметр или потенциометр. Но так как температура смеси не только контролируется, но и регулируется, то в качестве вторичного прибора выбирается измеритель-регулятор 2ТРМ1, а для регистрации показаний - потенциометр типа Диск - 250, в который встроен ПИ - регулятор непрерывного действия.

Как известно: регулятор дискретного действия может быть использован только тогда, когда допустимы значительные отклонения параметра от заданного значения. Поэтому выбираются регуляторы непрерывного действия, которые реализуют поли ПИ - законы регулирования. ПИ - регулятор обеспечивает устойчивое регулирование, но не обладает достаточной точностью из-за наличия статической ошибки. Поэтому выбирается ПИ - регулятор, который обеспечит и устойчивое и точное регулирование.

В прибор также должен быть встроен и позиционный регулятор для предотвращения аварийного превышения температуры в смесителе.

Таким образом, выбирается автоматический потенциометр типа Диск - 250 со встроенным позиционным ПИ - регулятором. Для управления регулирующим органом могут быть использованы пневматические и исполнительные электрические механизмы, пневматические клапаны которые значительно проще и дешевле электрических, поэтому выбирается пневматический клапан типа 2543 7ИЖ, но так как при выходе регулятора из строя линия подачи воды должна быть открыта, диаметр условного прохода 50 мм.

Для согласования выходного сигнала электронного регулятора с входным пневматическим сигналом исполнительного механизма выбирается электронно-пневматический преобразователь типа ЭПП-М, входной сигнал 0-5 мА, выходной сигнал 0,02-0,1 МПа, погрешность 0,5%.

Для стабилизации и контроля давления в линии сжатого воздуха выбирается преобразователь давления САПФИР-22ДА, который преобразует изменение давления воздуха в унифицированный токовый сигнал. Выходной сигнал 0-5 мА, верхний предел измерения 1,0 МПа, предел допустимой основной погрешности 0,25%.

В качестве вторичного прибора с САПФИРОМ могут работать минивольтметры и потенциометры. Так как давление сжатого воздуха не только контролируется, но и регулируется, выбирается потенциометр типа Диск - 250 со встроенным ПИ - регулятором.

Для регулирования давления в линии сжатого воздуха выбирается пневматический клапан типа 25С37 ИЖ исполнение ИЗ, так как при выходе регулятора из строя линии подачи сжатого воздуха должна быть закрыта, диаметр условного прохода 80 мм.

Для согласования выходного сигнала электронного регулятора с входным пневматическим сигналом клапана выбирается электропневматический преобразователь типа ЭПП-М, входной сигнал 0-5 мА, выходной сигнал 0,02-0,1 МПа, основная погрешность 0,5%.

Для сигнализации предельных значений уровня всех ингредиентов выбирается сигнализатор типа СУ СМ-ПЭМ, погрешность срабатывания 50 мм.

Для регулирования веса ингредиентов серийно выпускается система автоматического дозирования типа САД, работающая в комплекте с весами, имеющими встроенный фотоэлектрический датчик.

Для дозирования сажи и сыпучих ингредиентов используются автоматические весы типа ВАД - 80 - 341 - весы четырехкомпонентные, пределы измерения от 20 до 80 кг, точность измерения 1,25%.

Для дозирования каучуков используются автоматические весы типа ОДК4 - 200 - весы однокомпонентные, пределы измерения от 100 до 200 кг, точность измерения 1,25%.

Для дозирования жидких ингредиентов используются весы типа ВАД -15-288 - весы четырехкомпонентные, пределы измерения от 1 до 15 кг, точность измерения 1,5%.

Для управления технологическим процессом во времени могут быть выбраны реле времени и командные приборы. Последние морально устарели, сложны в обслуживании, громоздки, поэтому выбираются реле времени типа ВС-44-2 максимальное число команд 34, цикл - 45, максимальная продолжительность цикла 88 ч 26 мин.

Для преобразования выходного сигнала реле времени в пневматический выбираются электропневматические клапаны типа ЭПК, входной сигнал до 1МПа.

Для управления нижними затворами весов и резиносмесителей выбираются поршневой привод типа ПСП.

Для управления подачей жидких ингредиентов в весовые и промежуточные ёмкости и резиносмеситель выбираются запорные клапаны типа 22П32ИЖ, исполнение ИЗ, диаметр условного прохода 80 мм.

Для управления приводом верхнего затвора выбирается воздухораспределитель типа ВР - 1, выходной сигнал до 1 МПа.

6. Описание работы выбранных систем автоматического контроля и регулирования

Поз 1, 2, 3, 4: Система автоматического контроля и регулирования температуры резиновой смеси состоит из трех систем: контроля температуры теплоносителя в различных ветвях системы охлаждения, подогрева теплоносителя через теплообменник паром, охлаждения резиносмесителя путём изменения притока охлаждающей воды, а также системы аварийной выгрузки резиновой смеси при превышении температуры в камере резиносмесителя.

Температура теплоносителя в различных ветвях системы охлаждения контролируется датчиками температуры типа ТХК-0479 (1а) преобразующими изменения температуры в изменения ЭДС, полученный сигнал передаётся на вторичный показывающий прибор 2ТРМ1 (1б).

Система охлаждения резиносмесителя снабжена циркуляционным насосом, теплообменником и регулирующими клапанами типа 25432 ИЖ «НО», которые подают пар в теплообменник или сбрасывают отработанную горячую воду в цеховую канализацию, при этом в систему поступает свежая холодная вода.

Предположим, температура «обратной» воды превышает заданное значение. Это изменение воспринимается датчиком температуры типа ТХК-0479 (2а) преобразующим изменение температуры в изменение ЭДС. Полученный сигнал передаётся на вторичный прибор типа 2ТРМ1 (2б) со встроенным позиционным ПИ - регулятором. Здесь текущие значения параметра показываются, а также сравниваются с заданными, и вырабатывается командный сигнал пропорциональный рассогласованию. Этот сигнал с помощью электропреобразователя типа ЭПП-М преобразуется в унифицированный пневматический сигнал и поступает на регулирующий клапан типа 25432 ИЖ «НО» (2г). Который увеличивает сброс охлаждающей воды в канализацию, а в систему через обратный клапан поступает холодная вода до тех пор, пока текущее значение температуры не станет равным заданному, после чего клапан закрывается и вода циркулирует с помощью насоса по замкнутому контуру. Переключатель (2в) позволяет перевести работу сбросного клапана в постоянно открытый режим.

Предположим, температура резиносмесителя ниже заданной (начало работы). Это изменение воспринимается датчиком температуры типа ТХК-0479 (1а) преобразующим изменением температуры в изменении ЭДС. Полученный сигнал передаётся на вторичный прибор типа 2ТРМ1 (3б) со встроенным позиционным ПИ - регулятором. Здесь текущие значения параметра показываются, а также сравниваются с заданными, и вырабатывается командный сигнал пропорциональный рассогласованию. Этот сигнал с помощью электропреобразователя типа ЭПП-М преобразуется в унифицированный пневматический сигнал и поступает на регулирующий клапан типа 25432 ИЖ «НО» (3г). Последний открывает приток пара в теплообменник в котором оборотная вода подогревается до тех пор, пока текущее значение температуры не станет равным заданному. Переключатель (3в) позволяет подогреть циркулирующий теплоноситель в «ручном» режиме.

Температура резиновой смеси измеряется с помощью датчика температуры типа ТХК -0479 (4а), преобразуется в ЭДС и передается на вторичный прибор типа Диск-250 (4б) со встроенным позиционным ПИ - регулятором. Здесь текущие значения параметра показываются, регистрируются, а также сравниваются с заданными, и вырабатывается командный сигнал пропорциональный рассогласованию. При превышении температуры выше 165 °С срабатывает позиционный регулятор встроенный в потенциометр (4б) и посылает сигнал на (4д). Клапан подаёт сжатый воздух в поршневой привод нижнего затвора резиносмесителя. Затвор открывается, резиновая смесь выгружается, и процесс резиносмешения прекращается. Одновременно загорается лампа HL1, сигнализирующая об аварийной ситуации.

Поз 5: Система управления приводом циркуляционного насоса.

Циркуляционный насос (5в) управляется магнитным пускателем (5б) от ручного выключателя (5а).

Поз 6: Система автоматического контроля и регулирования навески сыпучих ингредиентов применяемых в небольших количествах.

Для измерения веса мела используются весы типа ВАД-80-341 (6а) со встроенным фотоэлектрическим датчиком. По команде реле времени (6в) магнитный пускатель (6ж) включает двигатель M3 привода шнекового питателя, при достижении весом заданного значения сигнал датчика становится равным сигналу задатчика, встроенного в систему САД (6б). Система отключает магнитный пускатель (6ж), который останавливает двигатель M3 шнекового питателя и подача ингредиента на ленточный конвейер прекращается.

Автоматический контроль и регулирование навески остальных сыпучих ингредиентов осуществляются аналогично. Для загрузки взвешенных ингредиентов в резиносмеситель по команде реле времени (6 л) включается магнитный пускатель (6н), который включает двигатель M7 привода ленточного конвейера и открывается заслонка пневмоцилиндром (6 р).

Поз 7: Система автоматического контроля и регулирования навески мела

Для измерения веса мела используются весы типа ВАД-80-341 (7а) со встроенным фотоэлектрическим датчиком. По команде реле времени (7в) магнитный пускатель (7д) включает двигатель Ml привода шнекового питателя, при достижении весом заданного значения сигнал датчика становится равным сигналу задатчика, встроенного в систему САД (7б). Система отключает магнитный пускатель (7д), который останавливает двигатель Ml шнекового питателя и подача мела в весовой бункер прекращается.

Автоматический контроль и регулирование навески кордного волокна осуществляется аналогично, с использованием реле времени (7г) и магнитного пускателя (7е).

Поз 8: Система контроля давления охлаждающей воды.

Давление охлаждающей воды только контролируется манометром показывающим МП2 с пределом измерения 0 … 0,4 МПа, расположенным по месту установки.

Поз 9: Система управления приводом резиносмесителя.

Электродвигатель привода резиносмесителя включается магнитным пускателем (9в) от ручного выключателя (9б), а выключение по команде реле времени (9а) при достижении заданного времени смешения.

Поз 10: Система автоматического контроля и стабилизации давления в линии сжатого воздуха.

Предположим, давление в линии сжатого воздуха уменьшилось. Это изменение воспринимается тензодатчиком преобразующего давления типа САПФИР - 22 ДА (10а) и преобразуется в унифицированный токовый сигнал. Полученный сигнал передаётся на вторичный прибор типа Диск - 250 (10б) со встроенным ПИ - регулятором, где текущее значение давления показывается, регистрируется и вырабатывается командный сигнал, пропорциональный рассогласованию. Этот сигнал с помощью электропневмопреобразователя типа ЭПП-М преобразуется в унифицированный пневматический сигнал и поступает на регулирующий клапан типа 25С37НЖ, «Н3» (10в). Клапан увеличивает приток воздуха до тех пор, пока текущее давление не станет равным заданному.

Поз 11: Система автоматического контроля и регулирования навески жидких ингредиентов.

Для измерения веса жидких ингредиентов используются весы типа ВАД-15-288 (11а) со встроенным фотоэлектрическим датчиком. По команде реле времени (11в) открывается клапан подачи жидких ингредиентов на весы, при достижении заданного веса мягчителя сигнал датчика становится равным сигналу задатчика, встроенного в систему САД (11б). Система вырабатывает электрический сигнал, который поступает на электропневматический клапан типа ЭПК-1/4 (19в). Клапан срабатывает и открывает линию сжатого воздуха, который поступает на исполнительное устройство запорного клапана типа 22П32НЖ, «НЗ» (19г). Последний прекращает подачу мягчителя в весовую емкость.

Автоматический контроль и регулирование навески остальных жидких ингредиентов осуществляются аналогично.

Поз 12: Система учета расхода охлаждающей воды.

Для контроля технико-экономических показателей участка изготовления резиновых смесей расход охлаждающей воды контролируется расходомером (12а) крыльчатого типа, установленным на трубопроводе сброса использованной воды в цеховую канализацию.

Заключение

В данной работе предлагается заменить морально-устаревшие средства автоматизации на новые, для этого проводится полный анализ существующих систем управления, свойств объектов управления и расчёт средств автоматизации.

Существенным изменением стало то, что мною было введено полное автоматическое управление температурой теплоносителя, дозированием ингредиентов и временем процесса, что позволяет гарантированно изготавливать резиновые смеси высокого качества. Применение реле времени позволяет значительно увеличить точность задания параметров; уменьшить время переходных процессов в аппаратах, практически полностью исключает «человеческий фактор» при задании и регистрации параметров.

Внедрение новых средств автоматизации позволяет повысить качество ведения технологического процесса, уровень автоматизации производства, в результате чего предлагается повышение качества выпускаемой продукции - резиновых смесей, улучшение условий работы обслуживающего персонала, повышение безопасности процесса и обеспечение экологической безопасности проекта.

Список используемой литературы

1. ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов.

2. Емельянов А.И., Капник О.В. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. - М.: Энергоавтомиздат, 1983.

3. Клюев А.С. и др. Проектирование систем автоматизации технологических процессов. Справочное пособие. - М.: Энергоавтомиздат, 1990. - С. 464.

4. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Атоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия 1991. - С. 480.

5. Комаровская Н.М., Методические указания к дипломному проектированию раздела «Автоматизация технологических процессов и производств», Волгоград. Гос. техн. ун-т - Волгоград, 2001 - С. 32.

Размещено на Allbest.ru