Автоматизация хлебопекарного производства

Для управления гидравлическими и пневматическими исполнительными механизмами используют токовый выход.

Для управления электрическим исполнительным механизмом используют импульсный выход.

Прибор реализует следующие законы регулирования: пропорционально - интегрально - дифференциальный (ПИД), позиционный (двух и трех).

В регуляторах «УЗОР-Д2» имеются сервисная функция - контроль обрыва датчиков.

Рисунок 1.16 - Схема подключения регулятора «УЗОР-Д2»

1.4.1.2 Выбор первичных преобразователей разрежения в топке

В качестве первичных преобразователей для измерения разрежения в топках печи выбираем преобразователи, типа «УЗОР 1Д-2» которые входят в комплект регулятора «УЗОР-Д2»,

Для сигнализации предельных отклонений тяги используются уже установленные в печи реле тяги. Питание датчиков осуществляется от напряжения 20 - 30В переменного тока. Выходной сигнал - замыкающий контакт реле.

1.4.1.3 Выбор исполнительного механизма

В качестве исполнительного механизма для изменения положения поворотной заслонки в дымоотводящем тракте выбираем запорный однооборотный исполнительный механизм типа МЭО с однофазным асинхронным электродвигателем серии ДАУ. Эти двигатели отличаются малой инерционностью, высокой надежностью и способны длительно работать на упор. Последнее обстоятельство позволяет исключить из схемы управления исполнительным механизмом защитные концевые выключатели, роль которых выполняют настраиваемые механические упоры. Однофазное питание двигателя напряжением 220В, 50Гц также упрощает электрическую схему управления исполнительным механизмом.

Выбираем модификацию МЭО- 40/20 - 0.63. Цифры в шифре модификации соответственно обозначают: номинальный крутящий момент на выходном валу (40Н м), номинальное время полного хода выходного вала (20 с), номинальный полный ход выходного вала (0.63 оборота).

Данные механизмы изготавливаются для работы в повторно-кратковременном реверсивном режиме, с числом включений до 320 в час и ПВ до 25% при нагрузке на выходном валу от номинальной противодействующей до 0,5 номинального значения сопутствующей. При этом механизмы допускают работу в течение 1 часа в повторно-кратковременном режиме с числом включений до 630 в час и ПВ до 25% со следующим повторением не раньше, чем 3 часа. Интервал между выключением и включением на обратное направление - не менее 50 мс. Максимальная продолжительность непрерывной работы механизма в реверсивном режиме не должна превышать 10 минут.

Пусковой крутящий момент механизма при номинальном напряжении питания превышает номинальный момент не менее чем в 1,7 раз.

В механизмах по заказу могут быть установлены индукционные, реостатные или токовые датчики положения.

Управление исполнительным механизмом осуществляется через бесконтактный пускатель ПБР - 2.

Пускатель ПБР-2 предназначен для работы с исполнительными механизмами МЭО, оснащенными однофазными электродвигателями с симметричными обмотками.

Принцип управления исполнительным механизмом типа МЭО с помощью пускателя ПБР-2 поясняется схемой, приведенной на рисунке 1.17.

Рисунок 1.17- Схема работы пускателя ПБР-2

Основу пускателя составляют два тиристорных ключа К1 и К2, которые управляются сигналами, вырабатываемыми регулирующими блоками или оператором. Каждый из тиристорных ключей включен в цепь питания одной из статорных обмоток электродвигателя.

При отсутствии управляющих сигналов тиристорные ключи разомкнуты, обмотки электродвигателя обесточены.

При подаче управляющего сигнала «Меньше» (М) замыкается тиристорный ключ К1 и к обмотке О1 подключается источник питания (сеть 220 В, 50 Гц). К другой обмотке напряжение питания поступает через фазосдвигающий конденсатор С. Электродвигатель вращается в направлении «Меньше».

Для включения электродвигателя в противоположном направлении необходимо замкнуть тиристорный ключ К2 путем подачи управляющего сигнала «Больше» (Б). При этом к источнику питания подключается обмотка О2 непосредственно, а обмотка О1 -- через фазосдвигающий конденсатор. Фазовый сдвиг между напряжениями, подведенными к обмоткам, меняет знак, в результате чего происходит реверс электродвигателя. Таким образом, в рассматриваемой схеме нет различия в способах питания статорных обмоток О1 и О2: каждая из них, в зависимости от требуемого направления вращения, может подключаться к источнику питания как непосредственно, так и через фазосдвигающий конденсатор. Поэтому обе обмотки электродвигателя, работающего с пускателем ПБР-2, должны быть идентичны.

1.4.2 Выбор элементов системы автоматического регулирования температуры в пекарной камере печи

1.4.2.1 Выбор регулятора

Для контроля и регулирования температуры в пекарных камерах печи, а также для автоматизации розжига и контроля безопасности целесообразно использовать программируемый контроллер.

Программируемый контроллер (ПЛК) - это устройство, предназначенное для автоматизации наиболее часто встречающихся в промышленности комбинаторных и последовательных процессов, поэтому он представляет интерес практически для любого случая автоматизации.

Программируемые логические контроллеры являются постоянно функционирующими устройствами, обеспечивающими цифровую обработку данных в реальном масштабе времени. ПЛК объединяют в своем составе устройства ввода/вывода (I/O) и блок центрального процессора (CPU)/7/.

На рисунке 1.18 показаны основные компоненты ПЛК. Он контролирует состояние объектов управления (группы объектов) путем считывания сигналов датчиков, подключенных к его выходам; выполняет программу пользователя, хранимую в CPU, и формирует воздействие на объект управления посылкой сигналов управления на выходы, к которым подключаются исполнительные устройства.

Рисунок 1.18 - Основные компоненты ПЛК

Выбор микроконтроллера

Программируемые логические контроллеры семейства SIMATIC S7-200 являются идеальным средством для построения высокоэффективных систем автоматического управления при минимальных затратах на приобретение оборудования и разработку системы. Контроллеры способны работать в реальном масштабе времени и могут быть использованы как для построения узлов локальной автоматики, так и систем распределенного ввода-вывода с организацией обмена данными по PPI или MPI интерфейсу, сети PROFD3US-DP или AS-интерфейсу.

Семейство SIMATIC S7-200 объединяет в своем составе:

4 типа центральных процессоров, отличающихся объемами памяти, количеством встроенных входов-выходов, набором встроенных функций, возможностями расширения системы.

Широкий спектр модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов.

Два коммуникационных модуля, обеспечивающие возможность подключения к AS-интерфейсу и сети PROFIBUS-DP (только ведомое устройство).

Все контроллеры, модули ввода-вывода и коммуникационные модули выпускаются в износоустойчивых пластиковых корпусах. Монтаж всех модулей может выполняться на стандартную 35мм профильную шину или на плоскую поверхность. Соединения между модулями выполняются плоскими кабелями.

Все центральные процессоры снабжены встроенным блоком питания напряжением 24В постоянного тока для питания входных и выходных цепей контроллеров. В зависимости от модификации выходной ток блока питания может составлять 180, 280 или 400мА. Если мощности этих блоков питания недостаточно, то совместно с контроллерами S7-200 могут быть использованы внешние источники питания семейства SITOP power.

Выбор типа центрального процессора

Для нашей системы выбираем центральный процессор CPU 222.

Данный центральный процессор, предназначен для построения относительно простых систем автоматического управления, работающих автономно или в составе распределенных систем автоматического управления. Оснащен 8 встроенными дискретными входами и 6 дискретными выходами. Позволяет производить подключение до 2 модулей расширения ввода-вывода.

Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 предназначены для построения систем автоматического управления и регулирования, как отдельных машин, так и отдельных частей производственного процесса.

Контроллеры находят применение для управления:

1) прессами;

2) смесителями пластификатора и цемента;

3) насосными и вентиляторами;

4) деревообрабатывающим оборудованием;

5) воротами и дверями;

6) гидравлическими подъемниками;

7) конвейерами;

8) оборудованием пищевой промышленности;

9) лабораторным оборудованием;

10) обменом данными через модем;

11) электротехническим оборудованием и аппаратурой;

На их основе могут создаваться эффективные управляющие устройства, отличающиеся относительно невысокой стоимостью SIMATIC S7-200 позволяют решать широкий спектр задач управления. От замены простых релейно-контактных схем до построения автономных систем управления или

создания интеллектуальных устройств систем распределенного ввода-вывода. Программируемые контроллеры S7-200 находят применение там, где основным требованием к системе управления является ее низкая стоимость.

Технические данные CPU 222:

1) Встроенный блок питания =24В/ 180мА для питания датчиков и преобразователей.

2) 2 исполнения, отличающихся напряжением питания и типами выходов. 3) 8 встроенных дискретных входов и 6 дискретных выходов.

4) 1 коммуникационный порт (RS 485), который может использоваться:

Как PPI-интерфейс, используемый для программирования контроллера, подключения устройств человеко-машинного интерфейса (TD 200, ОР), организации связи между центральными процессорами S7-200. Скорость передачи данных может устанавливаться равной 9.6/19.2/ 187.5 Кбит/с.

Как MPI-интерфейс, используемый для программирования контроллера и подключения к ведущим MPI-устройствам (S7-300/ S7-400, панелям оператора, текстовым дисплеям, кнопочным панелям). Скорость передачи данных может устанавливаться равной 9.6/19.2/ 187.5 Кбит/с.

Как свободно программируемый порт с возможностью поддержки прерываний, используемый для организации последовательного канала обмена данными с оборудованием и аппаратурой других производителей. Например, с поддержкой ASCII протокола передачи данных. Скорость передачи данных может устанавливаться равной 0.3/ 0.6/ 1.2/ 2.4/ 4.8/ 9.6/ 19.2/ 38.4 Кбит/с. Для подключения к аппаратуре, оснащенной встроенным интерфейсом RS 232 может использоваться РС/РР1-кабель.

5) Возможность подключения до 2 модулей расширения ЕМ (из состава серии S7-22x) для ввода-вывода дискретных или аналоговых сигналов.

6) Входы прерываний, обеспечивающие исключительно быструю реакцию на внешние события.

7) 4 скоростных счетчика (30 кГц) с параметрируемыми входами разрешения работы и сброса, 2 независимых входа для подключения инкрементальных датчиков позиционирования с двумя последовательностями импульсов, сдвинутых на 90° (20 кГц).

Имитатор входных сигналов (опциональный), позволяющий имитировать переключателями входные сигналы контроллера и производить отладку программы.

1 потенциометр, подключенный к АЦП контроллера, позволяющий производить установку цифровых параметров. Например, уставок счетчиков или таймеров.

2 импульсных выхода (до 20 кГц), используемых для решения задач позиционирования, частотного управления двигателями, а также управления шаговыми двигателями. Подключение двигателей должно производиться через соответствующие усилители.

Съемный опциональный модуль часов реального времени, используемый для управления процессами во времени, снабжения сообщений временными отметками и т.д.

Съемный опциональный модуль EEPROM-памяти, используемый для быстрого программирования контроллера (установкой запрограммированного модуля памяти) и архивирования данных.

13) Съемный опциональный модуль батареи, позволяющий сохранять данные (состояния флагов, таймеров и счетчиков) при перерывах в питании в течение 200 дней. Без этого модуля данные в памяти контроллера могут сохраняться только в течение 5 дней. Для сохранения программы модуль батареи не нужен.

14) Исчерпывающий набор инструкций; большое количество: - Базовых операций: логические инструкции, инструкции адресации результата, сохранения, управления таймерами и счетчиками, загрузки, передачи, сравнения, сдвиговых операций, формирования дополнений, вызова подпрограмм (с передачей локальных переменных).

Интегрированных коммуникационных функций: чтения (NETR) и записи (NETW) информации в сеть, поддержки свободно программируемого порта (Transmit ХМТ, Receive RCV).

Функций расширенного набора команд: инструкции управления широтно-импульсной модуляцией, генераторами импульсов, выполнением арифметических функций и операций с плавающей запятой, работой ПИД регуляторов, функциями переходов и циклов, преобразования кодов и другие.

15) Счетчики: удобный набор функций в сочетании с встроенными скоростными счетчиками существенно расширяют возможный спектр областей применения контроллера.

16) Обработка прерываний:

Использование входов аппаратных прерываний, фиксирующих появление импульсных сигналов (по нарастающему или спадающему фронту) и позволяющих существенно снизить время реакции контроллера на поступающие запросы.

Временные прерывания, периодичность повторения которых может задаваться с шагом в 1 мс в диапазоне от 1 до 255 мс.

Прерывания от счетчиков: могут формироваться в моменты достижения заданного значения или изменения направления счета.

Коммуникационные прерывания: обеспечивают повышение эффективности связи с периферийным оборудованием, например, с принтером или сканнером штрих-кодов.

17) Непосредственный опрос входов и управление выходами: опрос входов и

управление состоянием выходов может выполняться независимо от цикла выполнения программы. Это позволяет снизить время реакции на прерывание и время формирования соответствующих выходных сигналов.

18) Парольная защита: трехуровневая парольная защита доступа к программе пользователя. Концепция парольной защиты базируется на использовании следующих вариантов доступа к программе:

Полный доступ: программа может быть изменена по Вашему желанию.

Только чтение: изменение программы запрещено, допускается выполнять ее тестирование, изменять настройки параметров, копировать программу.

Полная защита: программа не может быть прочитана, не может быть скопирована, не может быть изменена. Допускается изменение параметров настройки.

Функции тестирования и диагностики: готовая программа может быть выполнена заданное количество циклов (до 124), результаты выполнения могут быть проанализированы; допускается изменение состояний флагов, счетчиков и таймеров.

Принудительная установка значений входных и выходных сигналов во время диагностирования и отладки: в целях отладки циклы выполнения программы могут происходить при заданных значениях входных и выходных сигналов.

Модификации контроллера Simatic S7-200 CPU222 приведены в таблице 1.3 (модификации отличаются типом выходов).

Таблица 1.3 - Модификации процессора CPU222

Модификация	6ES7211-0AA21-0XB0	6ES7211-0BA21-0XB0
Тип выходов	выходы постоянного тока	релейные выходы
Напряжение питания	24В, постоянное	85... 264В, переменное
Входное напряжение	24В, постоянное	24В, постоянное
Выходное напряжение	24В, постоянное	24В, постоянное 24... 230В, переменное
Выходной ток	0.75 А, транзистор	2 А, реле

Исполнительными устройствами в проектируемой системе являются электромагнитные вентили, поэтому выбираем модификацию 6ES7211-0ВА21-0ХВ0 с релейными выходами.

Выбор элементов для построения системы человеко-машинного интерфейса

Для построения систем человеко-машинного интерфейса программируемых контроллеров S7-200 воспользуемся текстовым дисплеем TD 200.

Текстовый дисплей TD 200 является наиболее удобным средством для создания интерфейса оператора с программируемым контроллером SIMATIC S7-200. Дисплей соединяется с контроллером соединительным кабелем, входящим в его комплект поставки, по PPI интерфейсу и не требует использования дополнительного источника питания. TD 200 может быть использован для решения следующих задач: а) отображение сообщений; б) изменение параметров настройки программы; в) ручной запуск и остановка машин и механизмов. Он обладает следующими достоинствами:

Параметры настройки текстового дисплея TD 200 сохраняются в памяти центрального процессора программируемого контроллера S7-200. Необходимые части текстовых сообщений и параметры настройки текстового дисплея формируются инструментальными средствами пакета STEP 7- Micro/WIN.

Дополнительного программного обеспечения для этих целей не требуется.

TD 200 выполняет следующие функции:

Вывод текстовых сообщений: до 80 текстовых сообщений, содержащих до 4 переменных, поддержка кириллицы. Вывод сообщений с подтверждением их получения или сообщений, защищенных паролем. Сохранение текстов сообщений на различных языках в памяти дисплея.

Отображение и модификация текущих параметров: текущие значения технологических параметров могут отображаться на дисплее и модифицироваться с помощью его клавиш. Например, модификации могут подвергаться заданные значения регулируемой температуры, скорости и т.д.

Установка состояний входов и выходов с помощью 8 программируемых клавиш: может использоваться для выполнения пуско-наладочных работ, а также реализации операций ручного управления.

Дополнительные функции и характеристики: выполнение операций с плавающей запятой, отображение специальных символов и гистограмм, использование различных блоков данных для подключения к одному центральному процессору нескольких текстовых дисплеев TD 200, использование парольной защиты для доступа к меню, использование различных типов переменных.

Технические данные текстового дисплея TD 200 приведены в таблице 1.4

Таблица 1.4 - Технические данные текстового дисплея TD 200

	LCD с внутренней светодиодной
Дисплей	подсветкой, 2 строки по 20 символов
	(ASCII, кириллица), высота символов 5мм
Интерфейс	1 PPI интерфейс (RS 485); подключение к сети, объединяющей до 126 станций (S7-200, OP, TP, ТВР, PG/PC); скорость передачи данных 9.6/ 19.2/187.5 Кбит/с
Питание	=24В/ 120мА. От коммуникационного интерфейса S7-200 или от внешнего блока питания. Встроенный в центральный процессор блок питания датчиков для этой цели не используется.
Диапазон рабочих температур	0...60°С
Степень защиты	IP 65/ фронтальная панель; IP 20/ остальная часть корпуса

Выбор модулей расширения

Подключение термоэлектронных датчиков к программируемому контроллеру невозможно осуществить напрямую, так как он обладает только дискретными входами. Для этого необходим модуль ЕМ 231, который предназначен для подключения термопар к центральным процессорам CPU 222/ 224/ 226 и позволяет производить прецизионное измерение сигналов стандартных термопар. Кроме этого модуль способен измерять сигналы напряжения ± 80мВ.

Модуль ЕМ 231 обладает следующими достоинствами: а) удобная обработка сигналов термопар с высокой точностью; б) возможность подключения термопар 7 различных типов; б) возможность измерения сигналов напряжения ±80мВ; г) простое подключение к существующим системам.

Модуль термоэлементов ЕМ 231 имеет те же конструктивные характеристики, что и все другие модули S7-22x:

1) Монтаж на стандартную профильную шину: модуль устанавливается на стандартную 35мм профильную шину DIN справа от центрального процессора CPU 22х и подключается к системе с помощью встроенного плоского кабеля.

2) Монтаж на плоскую поверхность: корпус модуля снабжен монтажными отверстиями, позволяющими производить его монтаж на плоскую поверхность с помощью винтов или шурупов. Этот вариант крепления рекомендуется для установок, подверженных вибрационным воздействиям.

3) Термопары: к одному модулю возможно подключение 4 термопар семи различных типов. Подключение датчиков производится непосредственно к модулю без использования промежуточных усилителей. Ко всем 4 каналам должны подключаться термопары одного и того же типа.

4) Особенности монтажа: для обеспечения наиболее высокой точности измерений и хорошей повторяемости результатов модуль должен монтироваться в местах, подверженных минимальным колебаниям температуры.

5) DIP-переключатели: необходимые настройки модуля, например, выбор типа подключаемых термопар, производятся с помощью встроенных DIP-переключателей.

6) Выбор пределов измерений: сигналы термопар типов J, К, Т, Е, R, S или N; сигналы напряжения ±80мВ.

7) Тестирование на разомкнутых линиях.

8) Компенсация холодного спая: для предотвращения погрешностей, вносимых сопротивлением соединительных линий и контактных соединений между модулем и термопарой; при переходе на диапазон ±80мВ компенсация автоматически отключается.

9) Масштабирование: измерение температуры может выполняться в °С или в °F.

Технические данные модуля термоэлементов ЕМ 231 приведены в таблице 1.5

Таблица 1.5 -Технические данные модуля ЕМ 231

Подключение к	CPU 222/224/226
Съемные терминальные блоки	Нет
Количество входов	4, аналоговых
Пределы измерения/ входное сопротивление	Термопары типов: S, Т, R, Е, N, К, J/ более 1МОм Напряжение ±80мВ/ более 1МОм
Максимально допустимое напряжение на входах измерения напряжения	ЗОВ, постоянное
Гальваническое разделение цепей	Есть
1 -й полевой уровень - цепи логики	500В, переменное
2-й полевой уровень - цепи 24В, постоянное	500В, переменное
Цепи 24В (постоянное) - цепи логики	500В, переменное
Время обновления информации	405мс (на все каналы)
Принцип преобразования	Sigma-Delta
Разрешение.	15 бит + знаковый разряд
по температуре	0.1°C/0.1°F
по напряжению	15 бит + знаковый разряд
Подавление шумов	85Д6
для частот	50/60/400Гц
Синфазное напряжение	-120В
Отклонение синфазного сигнала	120Д6 при -120В
Диапазон изменения измеренных величин:
для биполярных сигналов	-27648...+27648
Базовая погрешность преобразования	0.1% FS (напряжение)
Повторяемость	0.05% FS
Погрешность холодного спая	±1.5°С
Диагностика	Светодиоды: EXTF (контроль напряжения питания), SF (системная ошибка)
Длина соединительного кабеля	Не более 100м к одному датчику
Сопротивление кабеля	Не более 100 Ом
Потребляемый ток:
от внутренней шины контроллера (=5В)	87мА
от источника L+	бОмА
Потребляемая мощность	1.8Вт

Для подключения контактных датчиков нам необходимо 6 дискретных входов. CPU 222 имеет 8 встроенных дискретных входов, поэтому модулей расширения для ввода сигналов больше не требуется.

Для подключения исполнительных механизмов (электромагнитных вентилей и катушек зажигания) нам требуется 12 дискретных выходов. В нашем контроллере имеется 6 встроенных дискретных выходов. Для увеличения дискретных выходов используем модуль вывода дискретных сигналов ЕМ222 модификации 6ES7222-1HF20-0XA0 имеющий 8 релейных выходов.

Таблица 1.6 - Технически данные модуля расширения ЕМ222

Количество выходов	8
Напряжение питания нагрузки L+/L1 * номинальное значение * допустимый диапазон изменений	=24В/~24...230В =5...30В/~20...250В
Выходное напряжение логической единицы	L+/L1
Тип выходов	Реле
Количество выходов в группе	4
Выходной ток логической единицы	2.0А
Выходной ток логического 0	0
Суммарный выходной ток группы выходов	8.0А
Выходной ток 2 смежных выходов	4.0А
Коммутационная способность выхода: * при активной нагрузке * при индуктивной нагрузке * при ламповой нагрузке	2.0А 2.0А 30Вт в цепи пост., 200Вт в цепи переменного тока
Ограничение коммутационных перенапряжений	Внешнее
Защита от коротких замыканий	Обеспечивается внешними цепями
Длина кабеля: * обычного * экранированного	До 150м До 500м
Потребляемый ток: * от внутренней шины контроллера (=5В) * от внешнего источника =24В	40мА 72мА
Потребляемая мощность	2Вт

1.4.2.2 Выбор первичных преобразователей системы регулирования температуры в пекарной камере печи

В качестве первичных преобразователей для измерения и контроля температуры в пекарных камерах печи, а также для контроля температуры газов «от топок» выбираем термопары ТХК - 0515 с характеристиками указанными в таблице.

Таблица 1.7- Характеристики термопары ТХК - 0515

материалы термоэлектродов	сплав хромель - копель
предел измерения температуры, °С	0...600
область применения	пар, газообразные и жидкие химические неагрессивные среды
длина рабочей части, мм	320
максимальная термо - ЭДС, мВ	45

1.4.2.3 Выбор исполнительных устройств

В качестве исполнительных устройств для изменения количества газа подаваемого на горелку используем электромагнитные вентили двухходовые типа ВН.

Технические данные вентилей приведены в таблице 1.8

Таблица 1.8- Технические данные вентилей ВН

Исходное состояние	нормально закрытый
Исполнение клапана	двухпозиционный
Мощность катушки, Вт	80
Напряжение питания, В	220
Частота переменного тока, Гц.	50
Рабочая температура, °С	-30...+40
Время открытия/закрытия, с	1
Частота включений в час	1000
Класс герметичности	А

1.5 Система автоматики безопасности печи

Система автоматики безопасности предназначена для эксплуатации в составе оборудования хлебопекарной печи. Функционально аппаратная часть автоматики безопасности входит в состав выбранного контроллера SDVIATIC S7-200 и управляет электромагнитом, устанавливаемым на предохранительно-запорном клапане на вводе газа к печи.

Система автоматики безопасности реализует алгоритм управления отсечным газовым клапаном печи и аварийной звуковой и световой сигнализациями.

Отсечка газа осуществляется в следующих случаях:

- при понижении давления газа перед отсечным клапаном ниже допустимого значения;

- при понижении разряжения в одной из топок ниже предельно допустимого значения;

- при выходе из строя одного из двигателей рециркуляционных вентиляторов;

- при погасании (срыве) пламени одной из горелок;

- при превышении температуры газов «от топок» в одной из зоны выше допустимой;

- при нажатии кнопки «Отсечной клапан. Отключить»;

При срабатывании отсечного клапана выдается одновременно звуковой и световой сигнал, а на текстовый дисплей выводится сообщение о причине отсечки газа.

Для системы автоматики безопасности используются следующие датчики и элементы:

Для контроля пламени используется прибор контроля пламени Ф-34, чувствительным элементом которого является контрольный электрод. Прибор преобразует сигнал детектирующего датчика пламени в изменение состояния контактов выходного реле. Выходной сигнал поступает на дискретный вход микроконтроллера.

Для контроля температуры «от топок печи» используются термопары. Опрос данных термопар осуществляет микроконтроллер.

Для контроля минимального разрежения в топке используются реле тяги с выходным сигналом - замыкающим контакт реле. Сигнал поступает на дискретный вход микроконтроллера.

Для контроля минимально допустимого давления перед основным запорным органом в газопроводе применен датчик реле напора ДН предел установки 4-40 мм.вод.ст. Предел срабатывания 20 мм.вод.ст Выходной сигнал замыкающий контакт реле поступает на вход прерывания микроконтроллера.

Для контроля работы вентиляторов рециркуляции в цепи их двигателей установлены тепловые реле. Контакты реле также подключены на вход прерывания микроконтроллера.

1.6 Интерфейсная привязка системы к технологическому объекту

Схема подключения исполнительных устройств к микроконтроллеру показана на рисунке 1.19.

Рисунок 1.19- Схема подключения исполнительных устройств к микроконтроллеру

Исполнительными устройствами, которые подключаются к микроконтроллеру являются электромагнитные вентили, магнитные пускатели, а также катушки зажигания. Все эти устройства рассчитаны на напряжение 220 В переменного тока. Их мощности составляют от 80 до 150 Вт.

В проектируемой системе использовалась модификация микроконтроллера с релейными выходами напряжением 24-230 В переменного тока. Максимальный выходной ток логической единицы на один канал при данной модификации составляет 2А. Ток потребляемый элементом с максимальной мощностью, используемым в данной системе составляет 150/220 = 0.68 А. Следовательно дополнительных элементов для подключения исполнительных устройств к микроконтроллеру не требуется.

Для подключения термопар к микроконтроллеру использовался модуль ввода аналоговых сигналов ЕМ231. Схема подключения показана на рисунке 1.20.

Рисунок 1.20 - Схема подключения термопар к модулю ЕМ231.

Данный модуль специально используется для подключения термопар 7 различных типов. Он также осуществляет компенсацию холодного спая термопары. Выбор типа подключаемых термопар, производятся с помощью встроенных DIP-переключателей.

Подключение датчиков производится непосредственно к модулю без использования промежуточных усилителей. Модуль ЕМ231 подключается непосредственно к микроконтроллеру.

Схема подключения дискретных датчиков к микроконтроллеру показана на рисунке 1.21.

Рисунок 1.21 - Схема подключения дискретных датчиков к микроконтроллеру

Дополнительных устройств для подключения дискретных датчиков не требуется.

Кроме микроконтроллера в автоматизированной системе регулирования температуры используется регулятор разряжения «УЗОР-Д2». В качестве первичных преобразователей для измерения разрежения в топках печи использовались преобразователи типа «УЗОР 1Д-2», датчики подключаются непосредственно к регулятору без вторичных преобразователей.

Для соединения регулятора с исполнительным механизмом (МЭО) используется пускатель ПБР2. Данный пускатель производит усиление импульсов вырабатываемых регулятором от 0 - 24В до 0 - 220В и производит бесконтактное управление механизмом.

Подробней о ПБР2 сказано в пункте 1.4.1.3

1.7 Разработка алгоритма работы системы

Ниже представлена блоксхема алгоритма работы печи.

Где: ПК1, ПК2 -продувочные клапана первой и второй зон, Гл.Отсек - главный отсекающий клапан на подводящем газопроводе, К31, К32 - катушки зажигания, ЗП1, ЗП2 - клапана запальных горелок, МГ1, МГ2 - клапана «Малый газ»,

БГ1, БГ2 -клапана «Большой газ», t1, t2 - текущие температуры, соответственно первой и второй зон пекарной камеры, tот1, tот2 - температуры газов «От топок», соответственно первой и второй топок, n - количество циклов соответствующее времени 4с (по технике безопасности запальная горелка может работать при отсутствии пламени не более 4с).



Рисунок 1.22 - Блок схема основного алгоритма работы печи



Продолжение рисунка 1.22



Рисунок 1.23 - Подпрограмма контроля безопасности печи и подпрограмма защиты

2. Безопасность и экологичность проекта

2.1 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при эксплуатации проектируемой системы

Изучение и решение проблем, связанных с обеспечением здоровых и безопасных условий, в которых протекает труд человека - одна из наиболее важных задач в разработке новых технологических систем производства. Основная цель мероприятий по охране труда - ликвидация травматизма и профессиональных заболеваний. Проведение мероприятий по улучшению условий труда дает ощутимый экономический эффект - повышается производительность труда, снижаются затраты на восстановление утраченной трудоспособности

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 опасные и вредные производственные факторы подразделяются по природе действия на следующие группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизиологические.

При эксплуатации проектируемой автоматизированной системы регулирования температуры персонал могут воздействовать следующие опасные и вредные производственные факторы:

Физической группы:

- повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;

- повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенный уровень вибрации;

- повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

- отсутствие или недостаток естественного света;

- недостаточная освещенность рабочей зоны;

Химической группы (действующей через дыхательные пути):

- токсические;

- раздражающие;

Биологические и психофизиологические опасные и вредные производственные факторы при эксплуатации проектируемой системы отсутствуют.

Повышенный уровень шума может быть вызван как работающими горелками печи, работающими рециркуляционными вентиляторами в ней, так и автоматическими выключателями, электромагнитными вентилями всевозможными реле и некоторым другим оборудованием.

Согласно ГОСТ 12.1.003-83 общие требования безопасности по шуму приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Общие требования безопасности по шуму

Вид трудовой деятельности, рабочие места	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука и экв. уровни звука
	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Выполнение всех видов работ на постоянных рабочих местах в производственных помещения на территории предприятия	103	95	87	82	78	75	73	71	69	80

Вибрация представляет собой колебания твердых тел, в частности машин и механизмов, оборудования печи и т. п., воспринимаемые организмом человека как сотрясения. Вибрация при частоте более 20 Гц сопровождается слышимым шумом. Таким образом, все перечисленные выше источники шума в силу их жёсткого крепления к фундаменту являются ещё и источником вибрации.

Вибрация характеризуется следующими параметрами:

- амплитудой смещения А, м;

- наибольшим отклонением колеблющейся точки от положения равновесия, м;

амплитудой колебания скорости V, м/с;

амплитудой колебания ускорения а_m, м/с;

периодом колебания Т, с;

частотой колебания f, с^-1.

Основные нормируемые параметры вибрации - среднеквадратичные величины L_v (дБ) уровней виброскорости (виброускорения или вибросмещения) в октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот 2; 4; 8; 16; 31,5 и 63 Гц, выраженные в виде

L_v=201g(V/Vo),

где V - среднеквадратичная виброскорость, м/с;

Vo - пороговая виброскорость, равная 5*10^-8 м/с. Пороговая величина виброускорения и вибросмещения соответственно равны 3*10^-4 м/с² и 8 * 10^-12 м.

По способу передачи на человека различают общую и локальную вибрацию. Общая вибрация передаётся через поверхности на тело сидящего или стоящего человека.

Электрические машины и вентиляторы относятся к категории вибрации по санитарным нормам 3 тип «а» (технологическая вибрация, воздействующая на операторов стационарных машин и оборудования или передающаяся на рабочие места, не имеющая источников вибрации).

Санитарные нормы показателей вибрационной нагрузки на оператора для длительной сметы 8 часов в соответствии с ГОСТ 12.1.012-90 ССБТ приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Общая вибрация на рабочем месте

Вид вибрации	Категория вибрации по санитарным нормам	Направления действия	Нормативные, корректированное по частоте и эквивалентное корректирующее значения
			виброускорения	виброскорости
общая	3 тип «а»	Zo,Yo,Xo	м·c-2	Дб	м·c-2·10-2	Дб
			0.1	100	0.2	92

Понятие «климат» определяется температурой, влажностью, степенью излучений и скоростью движения воздуха. Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо, чтобы температура его тела была постоянной - около 37 С, а тепловой баланс тела выравнивался за определенный промежуток времени, т.е. восприятие тепла должно быть таким, как отдача его в окружающую среду. Микроклимат и чистота воздуха рабочей зоны нормируются ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны". Согласно ему микроклимат рабочей зоны описывается следующей таблицей.

Компенсировать недостаток освещённости рабочей зоны можно за счёт установки необходимого числа светильников и своевременной заменой ламп в них. Помимо этого увеличение освещённости рабочей зоны можно добиться путём поддержание в чистоте осветительного оборудования (прожекторов).

Для снижения запылённости в рабочей зоне установлено специальное вентиляционное оборудование, обеспечивающее необходимую очистку воздуха

2.2 Анализ принятых в дипломном проекте инженерно - технических решений, обеспечивающих безопасность при эксплуатации проектируемой системы

В ходе дипломного проектирования автоматизированной системы регулирования температуры при выпечке хлебобулочных изделий были приняты инженерно - технические решения, обеспечивающие безопасность при эксплуатации проектируемой системы, а также учтены мероприятия, предписанные или рекомендованные руководящими документами.

Так в частности для снижения вредного воздействия повышенной температуры поверхностей оборудования и повышенной температуры воздуха рабочей зоны (по ГОСТ 12.1.005-88 температура воздуха на рабочем месте в холодный период года 22 - 24 °С, в теплый 23-25 °С, относительная влажность воздуха 40-60%) необходимо ограничивать время пребывания персонала в рабочей зоне с повышенной температурой. Если же время пребывания персонала в рабочей зоне с повышенной температурой ограничить невозможно (например, при производстве работ по предупреждению, локализации или ликвидации аварийной ситуации, угрожающей жизни людей), то необходимо устраивать перерывы в работе.

Для противодействия повышенному уровню шума на рабочем месте (а это по ГОСТ 12.1.003-83 дБ А) необходимо применять средства и методы коллективной защиты по ГОСТ 12.1.029-80 и средства индивидуальной защиты по ГОСТ 12.4.051-78 (например, ушные вкладыши). Также необходимо (по возможности) ограничивать время пребывания персонала в рабочих зонах с повышенным уровнем шума, а в случае, если октавные уровни звукового давления превышают 135 дБ в любой октавной полосе, то в данной рабочей зоне запрещается даже кратковременное пребывание персонала.

Одним из основных методов уменьшения шума на производственных объектах является снижение (ослабление) шума в самих его источниках - в электрических машинах, механизмах, компрессорах, вентиляторах и др.

Согласно ГОСТ 12.2.003-74 ССБТ конструкция производственного оборудования должна обеспечивать исключение или снижение до регламентированных уровней шума, ультразвука и вибраций. ГОСТ 12.2.007-75 требует предотвращения или уменьшения до допустимого уровня воздействия на человека шума, ультразвука и вибраций электротехнических изделий.

В механических устройствах часто причинами недопустимого шума являются износ подшипников, неточная сборка деталей при ремонтах и др. Поэтому в процессе эксплуатации всех видов машин и механического оборудования следует точно выполнять все требования Правил технической эксплуатации.

Контроль уровней шума на рабочих местах должен проводиться не реже одного раза в год.

Рациональное освещение помещения и рабочих мест - один из важнейших элементов благоприятных условий труда. При правильном освещении повышается производительность труда, улучшаются условия безопасности, снижается утомляемость. При недостаточном освещении рабочий плохо видит окружающие предметы и плохо ориентируется в производственной обстановке. Успешное выполнение рабочих операций требует от него дополнительных усилий и большого зрительного напряжения. Неправильное и недостаточное освещение может привести к созданию опасных ситуаций. Наилучшие условия для полного зрительного восприятия создает солнечный свет.

Одним из основных опасных и вредных производственных факторов проектируемой автоматизированной системы регулирования температуры при выпечке хлебобулочных изделий является опасный уровень напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека.

ГОСТ 12.1.038-82 регламентирует напряжения прикосновения и токи, протекающие через тело человека (от руке к руки и от руки к ногам), как при нормальном, так и при аварийном режимах работы электроустановки. Они не должны превышать значений приведенных в таблице

Таблица 2.3 - Предельно допустимые уровни напряжений прикосновения и токов до 1000 В.

Род тока	Нормируемая величина	Предельно допустимые значения, не более при продолжительности воздействия тока t,c
		0.01 0.08	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1	CB1
Переменный, 50 Гц	U,В I,А	550	340	160	135	120	105	95	85	75	70	60	20
		650	400	190	160	140	125	105	90	75	65	50	6

Для контроля предельно допустимых уровней напряжения прикосновения и токов в местах, где возможно замыкание электрической цепи через тело человека, измеряют напряжения и токи. При этом используют измерительные приборы, класс точности которых не ниже 2,5.

При измерении напряжений прикосновения и токов сопротивление тела человека в электрической цепи при частоте 50 Гц должно моделироваться резистором сопротивлением 6,7 кОм (допускается отклонение в пределах 10%).

При измерении напряжений прикосновения и токов сопротивление растеканию тока с ног человека должно моделироваться с помощью квадратной металлической пластины размером 250*250 мм, которая располагается на поверхности пола в местах возможного нахождения человека. Нагрузка на металлическую пластину должна создаваться массой не менее 50 кг.

При измерении напряжений прикосновения и токов в электроустановках должны быть установлены режимы и условия, создающие наибольшие значения напряжения прикосновения и токов, воздействующих на организм человека.

Защиту персонала от воздействия напряжений прикосновения и токов обеспечивает конструкция электроустановок, технические способы и средства защиты, организационные и технические мероприятия по ГОСТ 12.1.019-79.

2.3 Анализ возможных ЧС и мероприятия по их предотвращению

В процессе работы электрооборудования возможно появление аварийных ситуаций, приводящих к пожарам. Данная чрезвычайная ситуация является особенно опасной для проектируемой системы, так как существует возможность взрыва газа.

Пожарная опасность определяется свойствами сырья, готовой продукции, а также характером технологического процесса.

Мука, сахар, масло (животное и растительное), крахмал, хлеб и хлебобулочные изделия - горючее вещества, имеющие различную характеристику по воспламенению и самовоспламенению. Так, например, температура воспламенения муки 250 °С, самовоспламенения 440 °С, а нижний предел взрывоопасной концентрации мучной пыли в воздухе составляет 10 -35 г/м³. Соответственно характеризуется сахар, крахмал и другое сырье, полуфабрикаты и готовая продукция.

Причины пожаров и взрывов могут быть как электрического, так и неэлектрического характера.

Причинами электрического характера являются:

а) искрение в электрических аппаратах и машинах, а также искрение в результате электрических разрядов и ударов молнии;

б) токи коротких замыканий и перегрузок проводников, вызывающих их перегрев до высоких температур, что может привести к воспламенению их изоляции;

в) плохие контакты в местах соединения проводов, когда вследствие большого переходного сопротивления выделяется значительное количество тепла и резко повышается температура;

г) электрическая дуга, возникающая между контактами коммутационных аппаратов, особенно при неправильных операциях с ними (например, отключение нагрузки разъединителем);

д) перегрузка и неисправность обмоток электрических машин и трансформаторов при отсутствии надлежащей защиты и др.

Причинами пожаров и взрывов неэлектрического характера могут быть:

а) повреждение газопровода

б) неосторожное обращение с огнём при проведении газосварочных работ или проведение работ в неположенных местах;

в) курение в пожароопасных и взрывоопасных помещениях;

г) самовоспламенение или самовозгорание некоторых материалов.

Требования пожарной безопасности определены в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ «Пожарная безопасность. Общие требования».

Персонал, обслуживающий электрооборудование хлебопекарной печи, обязан изучить правила применительно к выполнению работы и занимаемой должности, местные инструкции и знать устройство и электрические машины печи.

Пожарная безопасность объекта (в данном случае автоматизированной системы регулирования температуры при выпечке хлебобулочных изделий) должна обеспечиваться системами предотвращения пожара и противопожарной защиты.

Для устранения причин пожаров и взрывов проводятся различные мероприятия - технические, эксплуатационные, организационные и режимные /10/.

К техническим мероприятиям относятся соблюдение противопожарных норм при сооружении зданий, устройстве отопления и вентиляции, выбор и монтаж электрооборудования и др.

Эксплуатационные мероприятия предусматривают правильную техническую эксплуатацию электрооборудования.

К организационным мероприятиям относится обучение персонала противопожарным правилам, издание необходимых инструкций и плакатов.

Режимным мероприятиям является ограничение или запрещение в пожароопасных местах применения открытого огня, курения. Производства элекро- и газосварочных работ.

Объект должен иметь системы пожарной безопасности, направленные на предотвращения воздействия на людей опасных факторов пожара, в том числе их вторичных проявлений.

При возникновении пожара в цеху, где располагаются хлебопекарные печи, во избежание взрыва, должна быть немедленно произведена автоматическая отсечка газа в подводящей магистрали.

Опасными факторами, воздействующими на людей и материальные ценности, являются:

пламя и искры;

повышенная температура окружающей среды;

токсичные продукты горения и термического разложения;

дым;

пониженная концентрация кислорода.

К вторичным проявлениям опасных факторов пожара, воздействующим на людей и материальные ценности, относятся:

осколки и части разрушившихся аппаратов, агрегатов, установок, конструкций;

токсичные вещества и материалы, вышедшие из разрушенных аппаратов и установок;

электрический ток, возникший в результате выноса высокого напряжения на токопроводящие части конструкций, аппаратов, агрегатов;

опасные факторы взрыва, произошедшего вследствие пожара;

огнетушащие вещества.

Предотвращение возникновения пожара в элементах автоматизированной системы регулирования температуры при выпечке хлебобулочных изделий достигается предотвращением образования горючей среды и предотвращением образования в горючей среде источников зажигания.

Предотвращение образования горючей среды обеспечивается следующими способами:

максимально возможным применением негорючих и трудногорючих веществ и материалов;

изоляцией горючей среды;

поддержанием безопасной концентрации среды в соответствии с нормами и правилами и другими нормативно - техническими документами и правилами безопасности (установка сигнализаторов загазованности СМТ - 10);

максимальной механизацией и автоматизацией технологических процессов, связанных с обращением горючих веществ;

установкой пожароопасного оборудования по возможности на открытых площадках;

применением устройств защиты производственного оборудования с горючими веществами от повреждений и аварий, установкой отключающих, отсекающих и других устройств.

Предотвращение образования в горючей среде источников зажигания достигается применением следующих способов:

применением машин, механизмов, оборудования, устройств, при эксплуатации которых не образуется источников зажигания;

применением электрооборудования, соответствующего пожароопасной и взрывоопасной зонам, группе и категории взрывоопасной смеси в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.011 и Правил устройства электроустановок;

применением в схеме быстродействующих средств защитного отключения возможных источников зажигания;

поддержанием температуры нагрева поверхности машин, механизмов оборудования, веществ и материалов, которые могут войти в контакт с горючей средой, ниже предельно допустимой, составляющей 80% наименьшей температуры самовоспламенения горючего;

применением неискрящего инструмента при работе с легковоспламеняющимися жидкостями и горючими газами.

Также необходимо отметить, что в целях пожарной безопасности все газоэлектросварочные и другие огневые работы на энергетическом оборудовании выполняются только по наряду-допуску и только при наличии первичных средств пожаротушения. Перед производством работ необходимо выполнить все предписанные Правилами, инструкциями и руководящими документами меры безопасности.

Возникновение пожара в процессе эксплуатации автоматизированной системы регулирования температуры может привести к появлению в воздушной среде цеха вредных для человека газов. В нашем случае основными из них являются:

пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀, пропилен C₃H₆ и бутилен С₄Н₈. Это бесцветные горючие газы, тяжелее воздуха, без запаха, трудно смешивающиеся с воздухом. Вдыхание пропилена и бутилена оказывает наркотическое действие. Средства защиты - шланговые противогазы ПШ-1, ПШ-2, самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3 и другие;

окись углерода СО. Это бесцветный газ, без запаха, горючий и взрывоопасный, немного легче воздуха. Окись углерода чрезвычайно ядовита. Физиологическое воздействие окиси углерода на человека зависит от ее концентрации в воздухе и длительности вдыхания. Вдыхание воздуха, содержащего окись углерода выше предельно допустимой концентрации (20 мг/м³), может привести к отравлению, и даже смерти. Средства защиты - фильтрующий противогаз марки СО, самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3 и другие;

- углекислый газ СО₂ (двуокись углерода) - бесцветный газ, без запаха, с кисловатым вкусом, тяжелее воздуха. Двуокись углерода не ядовита, но обладает наркотическим действием и способна раздражать слизистые оболочки. При высоких концентрациях вызывает удушье вследствие уменьшения содержания кислорода в воздухе. Средства защиты - шланговые противогазы ПШ-1, ПШ-2, самоспасатели СПИ-20, ПДУ-3 и другие.

2.4 Электробезопасность при эксплуатации проектируемой системы

Проектируемая автоматизированная система регулирования температуры является электроустановкой до 1000 В.

В условиях производства обслуживающий персонал находится в непосредственном контакте с металлическими конструктивными частями, вследствие чего создается угроза поражения электрическим током при пробое изоляции и переходе напряжения на металлические конструкции.

Представляют опасность накапливающиеся заряды статического электричества, возникающие в результате трения частиц муки о стенки трубопроводов при ее транспортировании. Заряды могут достигать больших потенциалов, что может привести к взрыву и пожару.

Не менее опасно возникновение зарядов статического электричества на оборудовании вследствие утечки тока из токоведущих частей при неудовлетворительном состоянии изоляции.

Для предотвращения поражения электрическим током все силовое оборудование заземляется.

Заземление оборудования производится в соответствии с требованиями «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей», а также отраслевых Правил.

Принципиальная схема защитного заземления в цепях трехфазного тока приведена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема защитного заземления в цепях трехфазного тока: 1 - заземленное оборудование, 2 - заземлитель защитного заземления, r_O и r_З - сопротивления рабочего и защитного заземлений.

Опасными и вредными воздействиями на персонал, обслуживающий электроустановки до 1000В, является воздействие электрического тока, электрической дуги, и электромагнитных полей, что проявляется в виде травм и профессиональных заболеваний.

Степень опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей зависит от: /9/

рода и величины напряжения и тока;

частоты электрического тока;

пути тока через тело человека;

продолжительности воздействия электрического тока, электрической дуги и электромагнитных полей на организм человека;

условий внешней среды.

Нормы на допустимые токи и напряжения в электроустановках должны устанавливаться в соответствии с предельно допустимыми уровнями воздействия на человека токов и напряжений прикосновения и утверждаются в установленном порядке.