Модернизация автоматизированной системы регулирования температуры в горне агломашины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор существующей системы автоматизации и выбор варианта решения

1.1 Описание технологического процесса объекта

1.2 Анализ известных вариантов САУ

1.3 Технические требования к САУ и выбор варианта решения

2. Разработка функциональной схемы и выбор оборудования

2.1 Функциональная схема автоматизации

2.2 Выбор оборудования

3. Математическое описание АСУ и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

3.1 Структурная схема и алгоритм работы системы

3.2 Определение математической модели объекта

3.3 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств

3.4 Выбор закона регулирования

3.5 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

3.6 Определение математической модели САУ, исследование на динамику системы

4. Конструктивное оформление системы

4.1 Схема электрических соединений

4.2 Конструктивное оформление

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современное производство развивается в жесткой конкуренции и его развитие идет в следующих направлениях: значительное повышение качества продукции; уменьшение времени обработки конкретных агрегатов за счет технических усовершенствований; увеличение интеллектуальной оснащенности металлургической отрасли. Каждые 10 лет становления науки и техники обуславливается усложнением технических объектов в 2-3 раза. Беря во внимание, что период освоения новых технологических процессов в производстве составляет важный этап (5 и больше лет) и эффективность процессов обработки развивается тоже медленно, ключевым резервом увеличения экономических показателей металлургического производства является увеличение степени непрерывности и безаварийности рабочего процесса. Данная задача в металлургическом производстве принимается главным образом методом автоматизации производственного процесса.

Современное развитие производства предполагает значительному увеличению уровня автоматизации производственного процесса, созданию принципиально новых технологий и управлению с целью обеспечивания выпуска продукции требуемого качества в данный срок при наименьших расходах. Для достижения целей развития производственных систем нужен комплекс мероприятий каждого направления: совершенствование способов планирования производства и основ организации; ввод новых и улучшение существующих технологических процессов; повышение уровня автоматизации.

В металлургическом производстве обширное место занимают автоматизированные системы управления. Это разъясняется сложностью процессов, происходящих при производстве металла. Без использования устройств автоматизации и автоматики невозможно точно поддерживать протекание технологических процессов. Развитие управляющих систем идет по пути решения задач автоматизации при посредстве широкого применения всевозможных электронных систем и вычислительной техники, которая позволяет, при наличии развитого ПО, решать всевозможные задачи на всех этапах управления, начиная со сбора информации о состоянии объекта и кончая выработкой управляющего решения. Экономная, безопасная и высокопроизводительная работа технологических агрегатов металлургической промышленности требует применения современных средств и методов измерения величин, определяющих ход производственных процессов и состояния оборудования, использования современной вычислительной техники и программного обеспечения.

Создание больших металлургических агрегатов позволяет более эффективно применить сырьё, топливо, финансовложения, раскрыть широкие возможности для высоких технико-экономических показателей при значимом снижении количества обслуживающего персонала.

Все перечисленные выше требования в абсолютной мере можно отнести и к аглопроизводству, которое является 1 стадией в производстве металла. Ключевой задачей данного производства является осуществление высококачественного агломерационного процесса, т.е. подготовка качественного сырья для доменного производства из консистенции железосодержащих материалов. Агломерационный процесс дает лучшие технико-экономические характеристики и высочайшее качество агломерата тогда, когда его технологические характеристики оптимальны, строго соблюдается постоянство физических свойств и хим состава шихты. САУ регулирования температуры в горне позволяет добиться выше перечисленных характеристик и выполнить поставленную задачу.

В настоящее время в аглоцехе-3 ОАО “Северсталь” происходит внедрение новейших средств автоматизации и замена устаревших систем. В связи с этим необходимо создать АСУ ТП на основе современных программируемых контроллеров.

Темой дипломного проекта является модернизация автоматизированной системы регулирования температуры в горне агломашины №10 АГЦ-3 ОАО «Северсталь».

Надобность модернизации вызвана тем, что от качества регулирования процесса спекания шихты и безотказной работы оборудования зависит количество готового пригодного агломерата, соответствующего всем нормам.

Существующие системы не отвечают всем требованиям, предъявляемым к современным АСУ и выпускаемой продукции.

Целью модернизации является:

- обеспечивание оптимального управления технологическим процессом;

- увеличение эксплуатационной надежности комплекса АСУ, создание критериев для устойчивой работы цеха АГЦ-3;

- гарантированное обеспечение намеченного уровня производства при последующем сокращении употребления топлива, снижении затрат на исходные сырьевые материалы и повышении качества агломерата.

В разрабатываемой системе должны быть учтены меры защиты информации от помех и резервное питание оборудования АСУ ТП при авариях в системе электроснабжения при помощи использования источников бесперебойного питания.

В процессе разработки проекта должен быть отработан вопрос минимизации используемых технических средств и системных решений.

В модернизируемой АСУ ТП должны быть применены стандартные перспективные типовые технические решения и технические средства при построении составных частей системы. Также должны быть максимально использованы типы технических и программных средств, успешно апробированных в работе в АСУ ТП аглопроизводства. В процессе разработки проекта должен быть проработан вопрос минимизации используемых технических средств и системных решений.

1. Аналитический обзор существующей системы автоматизации и выбор варианта решения

1.1 Описание технологического процесса объекта

Агломерационное производство - это подсобное производство, так как здесь производится главное сырьё доменного процесса (агломерат).

Процесс агломерации заключается в спекании измельченных руд, измельченного топлива и концентратов в прочные пористые куски - агломерат. Агломерат считается одним из основных компонентов доменной шихты.

Технологическая схема агломерационной фабрики показан на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Технологическая схема аглофабрики

В приемный бункер 1 с рудного двора приходит шихта, оттуда она по транспортирующим конвейерам 2 и 4 поступает в первичные барабаны-смесители 5, там ее смешивают, увлажняют и окомковывают. Смешивание, окомкование и увлажнение - это процесс получения химически однородной консистенции всех компонентов шихты, владеющих большой способностью газопроницаемостью при спекании.

Далее возврат поступает из бункера 3 в смеситель. Возвратом (оборотным продуктом) именуется отсеивание не спёкшейся шихты и агломерата, которые получаются при грохочении агломерата. Возврат считается интенсификатором спекательного процесса, тем самым делает лучше газопроницаемость шихты. Задаваемое в шихте количество возврата должно быть строго неизменным и составлять 20-25% от всей массы шихты.

Маленькие части шихты при смешивании становятся крупнее, образовывая комки. Шихта делается зернистой и рыхловатой, повышая газопроницаемость. Из смесителя шихта грузится в бункер 6 и транспортером 7 в конкретном соотношении с коксиком (коксовая мелочь --используется как горючее), который поступает из бункера 8, идет во вторичный барабан - окомкователь 9 (с вращательной скоростью 7-8 об/мин). При остановке агломашины, в барабанах-окомкователях устанавливается устройство по отсечке воды.

Дозирование шихты для обжига выполняется на конвейерах в режиме автоматического регулирования в соотношении «известняк - топливо». Оно выполняется установкой нужных расходов компонентов, выдаваемых на транспортер 2 питателями из бункеров.

Выдача материалов из бункеров осуществляется вибрационными и тарельчатыми питателями.

Смесь антрацитового штыба и коксовой мелочи является агломерационным топливом. В заданном соотношении, производится дозировка компонентов топливной смеси. После этого происходит сервировка системой конвейеров в бункера четырехвалковых дробилок.

Подготавливаемую шихту 15 из бункера 13 передают системой загрузки в агломашину 17, укладывая на бесконечно передвигающуюся цепочку из колосниковых тележек (паллетов), сперва переместив постель 16, поступающую из приемного бункера 10 и промежуточного бункера 12 по транспортеру 11. В процессе спекания агломерата производится согласование с технологической картой, которая составляется по состоянию агломашин, на основании расхода шихтовых материалов.

Объектом автоматизации является горн агломашины №10 (рисунок 1.2). Назначением агломашины является процесс получения агломерата спеканием концентратов и рудной мелочи путем прососа воздуха сквозь слой шихты, расположенный на колосниковой решётке.

автоматический электрический алгоритм оборудование

Рисунок 1.2 - Агломашина №10

1, 2 - бункеры; 3 - барабанный смеситель; 4 - промежуточный бункер; 5 - ведущий барабан, приводится в движение двигателем постоянного тока; 6 - зажигательный горн; 7 - вакууум - камеры; 8 - ведомый барабан машины; 9 - эксгаустер.

В бункер над машиной поступает шихта агломерирующего обжига. Питатель передает в смеситель шихту, где она перемешивается и увлажняется. Влажная шихта загружается сверху на передвигающуюся цепочку из паллет, с помощью качающегося желоба (питателя маятникого), который содействует распределению шихты по ширине ленты. Загруженные шихтой паллеты, идут под уравнителем, который представляет из себя железную плиту, передвигающуюся в вертикальном направлении и необходимую для регулировки толщины слоя шихты на палетах. Далее шихта поступает под печь (горн), где зажигается и воспламеняется. Паллеты, в этот момент, расположены над камерами разрежения, в которых отсасываются газы эксгаустером. Затем паллеты с обжигаемой шихтой медленно двигаются вдоль камер разрежения. Воздух просасывается сквозь раскаленную шихту и происходит окисление сульфидов металла, благодаря наличию вакуума в камерах. Сульфиды металлов быстро сгорают в тонком слое шихты, окруженные излишком воздуха. Значительное количество тепла выделяют экзотермические реакции обжига, поэтому спекается обожженная шихта. Скорость перемещения паллет зависит от длины машины и колеблется в диапазоне 0,6-1,5 м/мин. Паллет, в конце горизонтального пути, попадает на закругленный участок рамы роликами, опрокидывается, и шихта из него падает на колосниковый грохот. Далее отсеивается мелочь (меньше 20 мм), а большие куски агломерата идут в дробилку, и после на грохот с отверстиями 20 мм. Верхний продукт грохота размером 20 -100 мм является готовым агломератом, идущим в шахтную печь. Нижний продукт грохота представляет собой некондиционный агломерат, его измельчают и вводят в состав шихты как оборотный агломерат.

Характеристики агломашины:

- Производительность проектная, т/час 350 ч 450;

- Ширина поверхности рабочей, м 4;

- Площадь общая газоотсоса, мІ 312;

- Площадь спекающей поверхности, мІ 252;

- Площадь охлаждающей поверхности, мІ 60;

- Количество вакуум-камер газоотсосных, шт 26;

- Количество тележек спекающих, шт 130;

- Скорость движения тележек спекающих, м/сек 0,025 ч 0,125;

- Макс толщина слоя спекаемого, м 0,35;

- Мощность электродвигателя привода ленты, кВт 85;

- Масса без запчастей с электрооборудованием, кг 2126100.

Аглофабрика представляет из себя предприятие с непрерывным механизированным процессом. Оснащена фабрика большим количеством технологических устройств и сантехнических приборов, установленных в разных корпусах, находящихся на большой площади. Выключение и включение большого числа механизмов требует длительного времени, в последствии на этих предприятиях учитывается дистанционное централизованное управление механизмами из 1-го или нескольких операторских пунктов (ОП).

Поточность производства, в которой материал последовательно и непрерывно поступает от 1-го механизма к другому, требует автоматического управления данными механизмами, исключающей завалы при остановке 1-го из механизмов.

1.2 Анализ известных вариантов САУ

Под комплексом АСУ агломашины №10 понимаются автоматизированные системы регулирования основных контуров и регистрация технологических параметров

Существующая система (рисунок 1.3) обеспечивает регулирование температуры горна за счет изменения расхода газа и воздуха на горн.

В горне агломашины проходит зажигание верхнего слоя шихты при задаваемой температуре. Регулировка температуры производится за счет изменения расхода газа (измерение расхода газа производится датчиком Сапфир 22М-ДД). Изменяя расхода газа в соответствии с заданным соотношением меняется и расход воздуха (измерение расхода воздуха производится датчиком Сапфир 22М-ДД). Температура в горне меряется термоэлектрическим преобразователем КТХА.

В ПЛК Ломиконт-110 происходит первичная обработка аналоговых и дискретных сигналов и регулирование 3-х контуров по программе, записанной в памяти у контроллера.

Рисунок 1.3 - Функциональная схема существующего варианта САУ

Таблица 1 - Спецификация известного варианта САУ

1.3.Технические требования к САУ и выбор варианта решения

Система регулирования должна выполнять следующие требования:

- Должна быть устойчивой;

- обеспечивать качество регулирования;

- быть многофункциональной;

- легко обслуживаться;

- иметь способность к восстановлению впоследствии отказов;

- функционировать в непрерывном режиме с остановками при техническом обслуживании.

Комплекс технических средств состоит из унифицированных и типовых узлов и стандартных устройств. Преобразователи информации и датчики должны иметь унифицированные выходные сигналы.

Система должна быть открытой и допускать вероятность функционального расширения, с учетом развития к меняющимся технологическим условиям.

Показатели качества объекта управления:

- X_ст ? 0,4 ^oC

- X_д ? 10 ^oC

- t_рег ? 500 с

Модернизация системы предполагает замену контроллера Ломиконт-110 на SIMATIC S7-300, замены термоэлектрического преобразователя КТХА на термопару типа ТПП10 (платинародий-платиновая) и датчика расхода Сапфир 22ДД на более новый Метран 100ДД.

Тем самым мы усовершенствуем АСР и обеспечим стабильность технологических условий, в частности улучшим технико-экономические показатели работы агломашины, повысим надежность и безопасность работы оборудования, а также улучшим условия труда персонала.

2. Разработка функциональной схемы и выбор оборудования

2.1 Функциональная схема автоматизации

Функциональная схема разработанной САУ изображена на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 - Функциональная схема разработанной САУ

Работа САР состоит в следующем: сигналы с датчиков (1а, 2а, 3а, 4а, 5а) поступают в контроллер UY (1б). Контроллер обрабатывает контролируемые параметры, поступающие в систему визуализации и отображающиеся в виде числовых значений на АРМ оператора UIH (1в). Зажигание верхнего слоя шихты происходит в горне агломашины при заданной температуре. Регулирование температуры производится за счет изменения расхода газа (измерение расхода газа производится датчиком Метран-100ДД, регулирование расхода газа на горн исполнительным механизмом МЭО 250 (7)). С изменением расхода газа, в соответствии с заданным соотношением, меняется и расход воздуха (измерение расхода воздуха производится датчиком Метран-100ДД, а регулирование расхода воздуха на горн исполнительным механизмом МЭО 250 (6)). Оператор выбирает нужное значение температуры горна, которое САР должна поддержать и ПЛК вырабатывает управляющий сигнал для исполнительного механизма, на основе заложенной программы. Температура в горне меряется термопарой типа ТПП10 (платинородий-платиновая).

Таблица 2 - Спецификация разработанной САУ

2.2 Выбор оборудования

2.2.1 Выбор датчика измерения расхода

Измерение расхода выполняется датчиками Метран - 100ДД (рисунок 2.2). Они предназначенные для работы в системе автоматического регулирования, контроля, управления технологическими процессами и обеспечивают преобразование значения измеряемого параметра - давления абсолютного и избыточного, разрежения, давления-разрежения, разности давлений агресивных и нейтральных сред в унифицированный выходной сигнал дистанционной передачи.

Преобразователи Метран - 100ДД применяются в устройствах для преобразования значения расхода жидкости, уровня жидкости или газа в унифицированный токовый выходной сигнал.

Характеристики Метран - 100ДД:

- Измеряемые среды: жидкости, газ, пар и кислородосодержащие газовые смеси;

- Диапазоны давлений: минимальный 0-0,04 кПа; максимальный 0-100 Мпа;

- Пределы приведенной основной погрешности измерений ±0,25%; ±0,5%;

Рисунок 2.2 - Внешний вид датчика измерения расхода Метран - 100ДД

- Диапазон перенастроек пределов измерений М100 до 25:1;

- Наличие взрывозащищенности;

- Межповерочный интервал - 3 года;

- Гарантия - 3 года.

Преимущества датчика:

- контролирует текущее значение измеряемого давления;

- контролирует и настраивает параметры датчика;

- устанавливает «нуль»;

- выбирает систему и настраивает единицы измерения;

- настраивает время усреднения выходного сигнала;

- перенастраивает диапазоны измерения, в том числе на нестандартные;

- настраивает на «смещенный» диапазон измерения;

- выбирает зависимость выходного сигнала от входной величины;

- калибрует датчик;

- производится самодиагностика (непрерывная);

- тестирует и управляет параметрами датчика на расстоянии;

- защищает настройки от несанкционированного доступа.

2.2.2 Выбор датчика измерения температуры

Для измерения температуры применяются термопары ТПП10 (платинородий-платиновые). Они измеряют температуру газообразных и жидких, химически неагрессивных сред. По своим свойствам платинародиевые сплавы и платина представляют из себя уникальные материалы для термопар. Их главное свойство -- высокое сопротивление газовой коррозии.

Характеристики датчика:

- Материал термоэлектродов: Положителый - сплав платинародий (87% Pt -- 13% Rh), отрицательный - платина (Pt);

- Коэффициент термо ЭДС, мкв/°С (в диапазоне, °С): 10-14 (600-1600);

- Диапазоны температуры, °С: от 0 до +1300;

- Температура придельная при кратковременном применении, °С: 1600;

- Класс точности (°C): ±1.0 0 °C - 1100 °C; ± [1 + 0.003 Ч (T ? 1100)] 1100 °C - 1600 °C.

Обладает:

-- отличной устойчивостью к коррозии;

-- надежной работой в вакууме (в нейтральных средах менее стабильны).

Недостатки: очень чувствительны ко всем загрязнениям, которые могут появиться при изготовлении, монтаже или эксплуатации термопары.

2.2.3 Выбор исполнительного устройства

В настоящий момент для регулирования зазора дросселя в газовых трубопроводах и водоводах используется исполнительный механизм МЭО 250/63-0,25-99К (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Внешний вид исполнительного механизма МЭО 250/63-0,25-99К

Применяются для перемещения регулирующего органа в САР в соответствии с командными сигналами, которые поступают от управляющих и автоматических устройств. Принципом действия механизмов МЭО является преобразование электрического сигнала, поступающего от управляющего или регулирующего устройства во вращательное перемещение выходного вала.

Характеристики МЭО 250/63-0,25-99К:

- крутящий момент на выходном валу 250 НхМ;

- время полного хода выходного вала 64 сек;

- полный номинальный ход выходного вала 0,24 об;

- потребляет мощность, не превышающую 240 Вт;

- масса не превышает 28 кг;

- напряжение питания 380 В;

- управляющее устройство типа ПБР-3 или ПБР-3А.

Климатическое исполнение «У» категория «2»:

- диапазон температур окружающего воздуха от - 30 до + 50 єС;

- влажность (относительная) окружающего воздуха до 90%;

- вибрация частот от 10 до 150 Нz с амплитудой 0,075 мм для частот до 57-63 Hz и ускорением 9,7 мм/s2 для частот свыше 63 Hz;

-отсутствие воздействия прямой солнечной радиации и осадков.

3. Математическое описание АСУ и выбор автоматического управляющего устройства (АУУ)

3.1 Структурная схема и алгоритм работы системы

Рисунок 3.1 - Структурная схема

В качестве пульта управления (ПУ), в представленной АСУ, применяется персональный компьютер с установленной на него системой визуализации Step7, позволяющей следить за технологическим процессом. Исполнительным механизмом (ИМ) является МЭО 250/63-0,25-99К, он позволяет с высокой точностью обрабатывать сигнал, поступающий с контроллера. Дроссель используется в качестве регулирующего органа (РО). Объект регулирования (ОР) - это горн. Чувствительным элементом (ЧЭ) системы является термопара типа ТПП10 (платинородий-платиновая).

Функционирование схемы: на контроллер поступает сигнал с датчика температуры. Производится сравнение этого значения с заданным. При рассогласовании контроллер выдает управляющий сигнал на исполнительный механизм. ИМ воздействует на регулирующий орган, изменяя изменяется расход воздуха и газа и система приходит к требуемому состоянию.

3.2 Определение математической модели объекта

В структурной схеме САУ объект управления представляется в виде соединения двух звеньев: звена чистого запаздывания и апериодического (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Структурная схема объекта управления

Кривая разгона объекта регулирования - это кривая изменения во времени выходной величины в переходном процессе вызванным однократным изменением входной величины. Кривая разгона взята из технической литературы [1] и представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Кривая разгона ОУ

Динамические параметры ОУ определяются по кривой разгона и равняются:

Т_о = 75 с;

К_об = 3(⁰С/%хода РО);

.

Подставим параметры в структурную схему ОУ и получим математическую модель ОУ (рисунок 3.4):

Рисунок 3.4 - Математическая модель объекта управления

3.3 Определение передаточных функций измерительно-преобразовательных и исполнительных устройств

Автоматический регулятор на структурной схеме САУ изображается в виде трех звеньев (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Структурная схема автоматического регулятора

Усилительное звено представляет собой коэффициент усиления К_р, имеющий следующее значение:

(1)

Функция исполнительного механизма имеет следующий вид:

Закон регулирования описывается следующим выражением:

Подставим значения:

3.4 Выбор закона регулирования

Для того чтобы выбрать регулятор и посчитать его параметры настройки, нужно знать следующее:

· Динамические параметры объекта регулирования:

- Максимальный коэффициент передачи объекта управления

- Постоянная времени объекта управления

- Запаздывание

· Величину максимального возмущения по нагрузке:

· Главные показатели качества переходного процесса:

- отклонение регулируемой величины динамическое

X_д ? 10 ^oC

- отклонение регулируемой величины статическое

X_ст ? 0,4 ^oC

- время регулирования

t_рег ? 500 с

По данным величинам рассчитываем:

· Величину, обратную относительному времени запаздывания

, (5)

Подставим значения,

= = 0.309

· Время регулирования

, (6)

Подставим значения,

21,6 с

· Динамический коэффициент регулирования

, (7)

Подставим значения,

0.22

· Остаточное отклонение регулируемой величины

, (8)

Подставим значения и получим = 0.009 ^oC

Выразим в процентах, = 0,9%

Большое количество автоматизированных металлургических процессов протекают успешно, если система имеет один из трёх процессов регулирования:

- Апериодический

- С 20% перерегулированием

- С min интегральной квадратичной ошибкой.

По выражению выберем тип регулятора.

Данному значению = 0.309 подходит тип регулятора - релейный. Показатель колебательности М соответствует промежутку 1.3<М<1.8, возьмем процесс с 20% перерегулированием.

Используя график зависимости от (рисунок 3.6) при выбранном процессе, определяем что 0.22 при могут обеспечить П -,ПИ- ПИД - регуляторы.



Рисунок 3.6 - Динамические коэффициенты регулирования при 20% перерегулировании: 1 - И - регулятор; 2 - П - регулятор; 3 - ПИ - регулятор; 4 - ПИД - регулятор.

Вычислим возможность применения П-регулятора.

Рисунок 3.7 - Остаточное отклонение на статических объектах: 1 - апериодический процесс; 2 - процесс с 20%-ным перерегулированием; 3 - процесс с min .

Из графика, изображенного на рисунке 3.7 видно, что при остаточное отклонение равно

По определяем величину фактического остаточного отклонения:



Подставим значения,

Допустимое значение , поэтому П-регулятор не подходит.

Рисунок 3.8 - Относительное время регулирования на статических объектах. 1 - И - регулятор; 2 - П - регулятор; 3 - ПИ - регулятор; 4 - ПИД - регулятор

Вычислим возможность использования ПИ-регулятора. По рисунку 3.8 видим, что , тогда не превышая времени регулирования. Выберем ПИ-регулятор.

Приблизительные настройки регулятора вычислим по формулам:

- Коэффициент усиления регулятора

,

- Время удвоения

,(11)

3.5 Выбор автоматического управляющего устройства на основе ПЛК

Для любой системы автоматического управления главным устройством является управляющее устройство. В нашей системе управляющим устройством является программируемый логический контроллер (ПЛК). Выбирается контроллер на основе задач, решаемых при помощи разработанной системы.

Для автоматизированной системы регулирования температуры в горне примним контроллер фирмы Siemens. Контроллер данной фирмы полностью совместим с другим оборудованием системы. Siemens занимается выпуском контроллеров разных серий, но основные контроллеры это S7-200, S7-300, S7-400.

Модернизируемую систему относим к среднему классу сложности. Контроллеры серии S7-300 считаются достаточно мощными и применяются для систем, выполняющих задачи самой высокой сложности, имеющих не один контур управления и требующих довольно высокой производительности. Основные технические характеристики контроллера представлены в таблице 4.

Особенности:

- программируемый контроллер, состоящий из модулей для выполнения задач АУ;

- контроллер имеет широкий выбор модулей для максимальной адаптации к условиям выполняемой задачи;

- используются различные структуры ввода-вывода и простота включения в сетевые конфигурации;

- «горячая» смена модулей;

- работа с естественным охлаждением;

- свобода в наращивании функциональных возможностей при модернизировании системы управления;

Таблица 3 - Основные технические характеристики SIMATIC S7-300овные технически

- большая мощность благодаря большому количеству встроенных функций.

3.6 Определение математической модели САУ, исследование на динамику системы

Система автоматического управления представляет собой совокупность объекта управления и автоматического регулятора определенным образом взаимодействующих друг с другом.

Структурная схема разработанной САУ изображена на рисунке 3.9

Рисунок 3.9 - Структурная схема разработанной САУ

Подставим значения

Т_о = 75 с

Т_с = 1 с

К_об = 3 (⁰С/%хода РО)

= 23,15 с

Т_и = 52,5 с

К_р = 0,76 (% хода ИМ/⁰С)

Структурная схема будет иметь вид (рисунок 3.10):

Проверим систему на динамику в среде VISSIM.

Программа VisSim является разработкой компании Visual Solutions. Она предоставляет пользователю графический интерфейс, используя который, мы можем создать модель из виртуальных элементов с некоторой условностью так же, если бы мы строили реальную систему из настоящих элементов. Она позволяет создавать, а потом оптимизировать и исследовать модели систем широкого диапазона различной сложности.

Рисунок 3.10 - Структурная схема САР

При описании модели в среде VisSim и последующем построении, не обязательно записывать и решать дифференциальные уравнения. Программа сделает это сама, по предлагаемой ей исследователем структуре системы. Результат решения выводится в наглядной графической форме. Программу могут использовать и те, кто не владеет глубокими познаниями в программировании и математике.

Интерфейс VisSim представляет из себя виртуальный, интерактивный лабораторный стенд, который обеспечивает построение модели из отдельных блоков, управления им, контроль результатов и запуск процесса моделирования.

Начальными данными при построении моделей в VisSim является структурно-алгоритмическая схема объекта или процесса и описывающие их дифференциально-алгебраические уравнения. В нашем случае это структурная схема САР, изображенная на рисунке 3.10.

Создадим (рисунок 3.11) виртуальный аналог нашей системы, в обратной связи которой включена термопара с передаточной функцией W(s).

На выходе получили, что перерегулирование ? = 40% и время регулирования tp = 184 c.

Для хороших систем перерегулирование не превышает 30%, поэтому под настроим регулятор. Например, уменьшим коэффициент до 0,6.

Рис. 3.11 - VisSim - диаграмма модели исследуемой системы

Меняем значение коэффициента усиления регулятора с 0,76 на 0.6 и получим VisSim-диаграмму модели скорректированной системы на рисунке 3.12.

Получили систему с хорошими показателями качества работы, удовлетворяющую поставленным требованиям:

Перерегулирование ? = 25,3%

Время регулирования tp = 156,92 c



Рис. 3.12 VisSim - диаграмма модели скорректированной системы

Рис.3.13 Переходный процесс на выходе системы

4. Конструктивное оформление системы

4.1 Схема электрических соединений

Монтаж щитов и пультов

Шкафы предназначены для установки на них средств управления и контроля технологическим процессом (ТП), а точнее контрольно измерительных приборов (КИП). Производят их на заводах электромонтажных изделий. Несущей основой является каркас из швелера, на который крепят болтовыми и винтовыми соединениями стенки, панели, двери т.д.

Для монтажа контроллера выберем шкаф Rittal TS 8 габаритами 1000*600 мм:

· Установка в производственных помещениях;

· Уплотнение термоизоляцией из пенопласта стен с термодатчиками. Их еще обрудуют амортизаторами в местах установки щитов;

· Многоканальные щиты собирают строго по отвесу и уровню, для того чтобы лицевая панель их находилась в одной плоскости;

· Зазоры в стыках между щитами могут быть не более 2мм. Крепления их между собой, а так же к полу (фундаменту) должно быть болтовым;

· Панельные щиты крепят вверху к стене специальными регелями, для увелечения жёсткости;

· При значительных протяжённостях щитовых сборок их монтируют в виде многограника, П-образной или Г-образной формы. Щиты с пультами устанавливаются на бетонные основания в двойном полу, либо над кабель-каналами в бетонном основании пола;

· Ввод кабеля под раму в щит производится из кабель-канала шита. Перед монтажем шит по месту крепиться к опорной раме (швелеру) соединениями с помощью болтов, а в углах рамы, для большей жёсткости, приваривают косынки;

· Щиты малых габаритов монтируют на стенах, коллонах или на полу на подставке на высоте от пола 0,7м - 2м для показывающих приборов, и от 1 до 1.5м для самопишущих приборов и вспомогательной аппаратуры (переключатели, ключи, пробки);

· Ширина прохода должна быть не менее 0,8м для обслуживания. Запрещается монтировать аппаратуру и приборы с открытыми токоведущими частями на деврях щитов и углом при открытии 90-110^о. Шкафы нужно обязательно заземлять, а металло свзяь между щитовыми сборками должна быть не более 0,1 Ом.

На рисунке 4.1 показан план прокладки трасс и кабелей.

Рисунок 4.1 - План прокладки трасс и кабелей

Кабельный журнал

Таблица 4 - Маркировка кабелей

4.2 Конструктивное оформление

Разрабатывая конструктивное оформление системы автоматического управления нужно учитывать такие факторы, как безопасность и удобство обслуживания технических средств.

Монтаж датчиков расхода воздуха и газа Метран-100 ДД

Сужающие устройства (диафрагмы) монтируют на горизонтальном, наклонном или вертикальном трубопроводах. Перед установкой происходит чистка диафрагмы от антикоррозийной смазки и выполняется проверка:

- Внутренних диаметров трубопровода и место установки диафрагмы;

- Трубопровода (отсутствие грязи, сварочных швов и т.п.);

- Направления потока в измеряемой среде;

- Марки материала диафрагмы.

Диафрагму ставят на прямолинейном участке трубопровода, для того что бы торец был перпендикулярен оси трубопровода, оси диафрагмы и трубопровода совпадали. Ее монтаж проводится между приваренными фланцами, внутренний диаметр которых равен внутреннему диаметру трубопровода. Между фланцами и кольцевыми камерами монтируют прокладки (уплотнительные). На рисунке 4.2 изображен пример установки камерной диафрагмы.

К участку трубопровода приварены 2 фланца перпендикулярно оси трубопровода и параллельно друг другу, стянутые болтами (по окружности) с гайками. Диафрагма установлена между фланцами, с обеих ее сторон установлены 4 пары отборных патрубков.

Рис.4.2 - Диафрагма

Впоследствии установки сужающего устройства затягиваются фланцевые болты, контролируя центровку диафрагмы.

Точное измерение давления зависит от правильности установки датчика и соединения трубок от места отбора давления до датчика. Соединяющие трубки прокладываются по наикратчайшему пути. Отбор давления необходимо производить в месте, где скорость движения среды самая наименьшая.

Температура в измеряемой среде рабочей плоскости не должна быть выше температуры окружающего воздуха. На входе в рабочую полость датчик монтируют на соединительной линии, для снижения температуры измеряемой среды, длина которой рекомендуется не меньше 3 м. Соединяющие линии должны иметь уклон односторонний (не менее 1:10) от места отбора давления, вверх к датчику.

От места отбора давления к датчику давления, в соединительных линиях, необходимо установить 2 вентиля или трехходовой кран необходимый для отключения датчика от линии.

Для прокладки линии связи применяются кабеля с резиновой изоляцией, кабели для блокировки и сигнализации - с полиэтиленовой изоляцией.

На рисунке 4.3 представлена схема соединительных линий датчика расхода газа (воздуха) Метран-100 ДД.

Рис.4.3 Схема соединительных линий датчика Метран-100 ДД

Порядок монтажа термопары типа ТПП10 (рисунок 4.4):

1) Наносим разметку для монтажа;

2) Вырезаем участок трубопровода установленной длины;

3) Свариваем фланцы параллельно друг к другу;

4) Устанавливаем диафрагмы через прокладку и стягиваем их болтовыми соединениями;

5) Устанавливаем в бобышку через прокладку защитную гильзу, заливаем в нее трансформаторное масло и устанавливаем в нее ТПП10.

6) Устанавливать данные термопары на стенки печи не допускается. Они монтируются от стены на расстоянии 50 - 70 мм.

7) Термопары платиновые не разрешается устанавливать на вибрирующем оборудовании и трубопроводах.

8) Кабеля подводимые к термопаре, должны быть промаркированы в соответствии с проектом.

Рисунок 4.4 - Термопара типа ТПП10

Монтаж ПЛК

Алгоритм установки контроллера simatic S7-300 представлен на рисунке 4.5



Рис.4.5 - Алгоритм установки контроллера

При монтаже ПЛК в шкаф нужно соблюсти размеры зазоров (рисунок 4.6), для того чтобы гарантировать необходимое место для отвода выделяемого ими тепла и монтажа. Рисунок показывает размер зазоров между отдельными стойками, и между соседними элементами оборудования по отношению к стенкам шкафов и т.д.

Порядок установки:

1) Монтаж профильной шины

- Помещаем профильную шину так, чтобы оставить места для монтажа и для охлаждения модулей (не менее 50 мм над и под модулем);

- Размещаем на монтажной поверхности и просверливаем крепежные отверстия;

- Привинчиваем шину к основанию.

2) Монтаж модулей на профильной шине представлен в таблице 6.



Рисунок 4.6 - Необходимые зазоры при монтаже

Рисунок 4.7- Общий вид шкафа с ПЛК

Монтаж РО и ИМ

В качестве исполнительного механизма используем МЭО - 250/63-0,25-99К, показанный на рисунке 4.8

Рисунок 4.8 - Монтажные размеры МЭО- 250/63-0,25-99К

1 - Редуктор; 2 - Электродвигатель; 3 - Блок сигнализации положения; 4 - Панель; 5 - Ввод штепсельный; 6 - Болт заземления; 7 - Тормоз; 8 - Крышка; 9 - Ограничитель механический; 10 - Ручка (входит в комплект поставки)

Допускается установка механизма с любым положением выходного вала на регулирующем органе или промежуточных конструкциях.

1) Крепеж производится 4 болтами. Место должно быть предусмотрено для обслуживания механизма. Должен быть доступ к блоку сигнализации положения и ручному приводу.

2) Электрическое подключение механизмов производится через разъем, он находится в штепсельном вводе гибким кабелем сечением жилы от 0,35 до 0,5мм.

3) Пайка проводов цепей внешних соединений с контактами розеток разъема выполняется припоем с применениями бескислотных флюсов. Флюс после пайки удаляется путем промывки места пайки спиртом, а затем покрывается бакелитовым лаком или эмалью.

4) Идущие провода от блока к датчику, разделяются от силовых цепей и должны быть экранированы. Сопротивление проводов линии связи между блоком питания и механизмом не должно превышать 12 Ом.

5) После завершения установки при помощи мегомметра проверяем сопротивление изоляции. Оно не должно быть менее 20 Мом. Также проверяется заземление.

Поверка датчиков, вторичных приборов

При поверке датчиков Метран-100 применяются следующие средства:

- HART-коммуникатор «Метран-650». Устройство связывающееся с датчиком по цифровому каналу и обменивающееся данными по HART-протоколу;

- Калибратор Метран 510-ПКМ измеряющий ток 4-20мА;

- Калибратор Метран 501-ПКД-Р измеряющий давление;

- Осматривают внешне.

При осмотре устанавливают:

- Соответствует ли его внешний вид технической документации и проверяют на отсутствие видимых дефектов;

- Присутствуют ли клеммные колодоки и разъемы для внешних соединений;

- Присутствуют ли дополнительные выходные устройства - электрические аналоговые или цифровые индикаторы и другие устройства;

- Присутствуют ли на корпусе датчика табличка с маркировкой, соответствующая паспорту или документу, его заменяющему.

Опробование

При опробовании смотрят на работоспособность и герметичность датчика, функционирование устройства корректора «нуля». Работу датчика измеряют калибратором. Должно наблюдаться изменение индикации и выходного сигнала на дополнительных выходных устройствах.

Поверка термопары заключается в их градуировке - определяется зависимость термо э.д.с. от температуры рабочих концов. Поверка термопары выполняется сравнением показаний поверяемой термопары и показаний образцовой.

Поверка термопар проходит в следующем порядке:

- Осматривают внешне, выявляют видимые повреждения защитной арматуры и чувствительного элемента;

- Производят замер сопротивления изоляции мегомметром на 500 В. Клеммы чувствительного элемента соединяют накоротко;

- Проверяют соотношение R₁₀₀/R₀ сравнивая термопары R_n с контрольным термометром сопротивления R_1.

Заключение

В дипломном проекте мы рассмотрели модернизацию автоматизированной системы регулирования температуры горна агломашины №10 АГЦ-3 ОАО «Северсталь».

Была поставлена задача модернизировать автоматизированную систему регулирования для того чтобы обеспечить стабильность требуемых технологических условий, в частности улучшить технико-экономические показатели работы агломашины, повысить надежность и безопасность работы оборудования, а также улучшить условия труда персонала.

Эти задачи были решены за счет замены устаревшего контроллера Ломиконт-110 на SIMATIC S7-300. Также была произведена замена термоэлектрического преобразователя КТХА на термопару типа ТПП10 (платинародий-платиновая) и датчик расхода Сапфир 22ДД на более новый Метран 100ДД.

В дипломном проекте отражено описание объекта автоматизации, проверка системы на динамику. Возможности нового оборудования позволяют провести последующую модернизацию АСР. Были предоставлены технические и организационные мероприятия, которые обеспечивают безопасность работ с АСР. В результате модернизации система удовлетворяет поставленным требованиям.

Список использованных источников

1. Котов, К.И. Монтаж, эксплуатация и ремонт автоматических устройств / Котов К.И., Шершевер М.А. - Металлургия, 2004.

2. SIMATIC. Система автоматизации S7-300. Данные модулей.

3. Руководство по эксплуатации Метран-100. Руководство по эксплуатации СПГК.5070.000.00РЭ версия 5.1 - Челябинск, 2012.

4. Механизмы исполнительные электрические однооборотные МЭО. Руководство по эксплуатации ЯЛБИ.421311.028 РЭ

5. Селевцов, Л.И. Автоматизация технологических процессов: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Л. И. Селевцов, А. Л. Селевцов. -- 3-е изд., стер. -- М.: Издательский центр «Академия», 2014.

6. Руководство по эксплуатации преобразователей термоэлектрических ТППТ [Электронный ресурс].

7. Тюкин, В.Н. Визуальное моделирование динамических систем в среде VisSim / Тюкин В.Н. - Вологда: ВоГУ, 2008.

8. Калиниченко, А. В. Справочник инженера по КИПиА: учеб. пособие / А. В. Калиниченко. - Москва: Инфра-Инженерия, 2008

9. Котюк, А. Ф. Датчики в современных измерениях: учеб. пособие / А. Ф. Котюк. - Москва: Радио и связь, 2006

Размещено на Allbest.ru