Обоснование автоматизации технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

• Введение
• 1. Анализ объекта
• 1.1 Описание технологического процесса и оборудования
• 1.2 Описание технологического процесса как объекта управления
• 1.3 Описание математической модели объекта
• 1.4 Описание аналогов систем управления
• 1.5 Выводы
• 2. Разработка структурной схемы автоматизации
• 3. Разработка функциональной схемы автоматизации
• 4. Расчет и выбор технических средств
• 4.1 Выбор средств измерения технологических переменных
• 4.2 Выбор и расчет регуляторов
• 4.3 Расчет и выбор исполнительных механизмов
• 4.4 Выбор управляющего устройства
• 5. Расчет САУ
• 5.1 Разработка структурной схемы САУ
• 5.2 Построение переходного процесса. Оценка качества системы
• 6. Разработка принципиальной электрической схемы
• 6.1 Разработка структурной электрической схемы
• 6.2 Описание работы принципиальной электрической схемы
• 7. Расчет надежности САУ
• 8. Разработка алгоритма функционирования системы и подсистема
• 9. Экономическая часть
• 9.1 Основные технико-экономические показатели
• 9.2 Капитальные затраты на осуществление проекта
• 9.3 Расчет текущих издержек эксплуатации оборудования
• 9.3.1 Заработная плата
• 9.3.2 Затраты на электроэнергию
• 9.3.3 Амортизация оборудования
• 9.3.4 Затраты на ремонт и содержание оборудования
• 9.4 Использование производственных площадей
• 9.5 Дополнительные (цеховые) расходы
• 9.6 Эксплутационные издержки
• 9.7 Расчёт экономической эффективности автоматизации производства
• 9.8 Определение срока окупаемости дополнительных капитальных вложений
• 9.9 Выводы
• 10. Охрана труда
• 10.1 Общие положения
• 10.2 Характеристика литьевой машины U-102
• 10.3 Санитарно-гигиенические мероприятия. Вентиляция. Отопление
• 10.4 Санитарно-гигиенические мероприятия. Освещение
• 10.5 Мероприятия по пожарной безопасности
• 10.6 Компенсация профессиональных вредностей. Индивидуальная защита. Личная гигиена
• 11. Промышленная экология
• Заключение
• Литература
• Введение
• Научно-технический прогресс в промышленности определяется степенью совершенствования технологии, внедрением принципиально новых технологических процессов, модернизацией оборудования, прежде всего автоматизированного, с микропроцессорными и компьютерными системами контроля и управления; широким применением автоматизированных систем управления технологическими участками, цехами, предприятиями и т.д.
• Высокие темпы автоматизации оборудования, а также участков, цехов требуют практически непрерывного совершенствования технических средств автоматики. Современное оборудование оснащено специализированными компьютерными системами управления, позволяющими выполнять сложные технологические операции без непосредственного участия человека с гарантированным качеством продукции. Постоянно повышаются экономические требования к автоматизации - быстрая окупаемость затрат, экономия энергии и т.д. Существенно повышены экологические требования и требования техники безопасности.
• Изготовление обуви из деталей включает большое число разнородных операций на оборудовании, традиционно ориентированном на использование ручного труда. Автоматизация обувных машин предусматривает в основном автоматическое регулирование режимов нагрева, прессования и других операций с целью облегчения физических усилий рабочего, однако в целом доля ручного труда еще достаточно велика.
• При анализе производственного процесса как технологического объекта управления заведомо упрощают модель объекта, отражая в ней лишь приоритетный процесс. Это удобно при анализе ТОУ, при синтезе автоматических систем регулирования (АСР), однако необходимо помнить, что модель объекта - лишь упрощенное представление технологического процесса.
• В наиболее общем определении автоматизация технологического процесса (оборудования) означает применение автоматических устройств и систем для выполнения функций управления этим процессом с целью частичного, а в дальнейшем полного освобождения человека от ручного труда.
• Известны следующие объективные причины, вызывающие необходимость применения автоматических устройств как самостоятельных функциональных блоков в схеме производственной машины или агрегата: 1) получение информации, необходимой для качественной и количественной оценки работы ТОУ; 2) обеспечение заданных пусковых и остановочных режимов; 3) предупреждение возникновения критических и аварийных ситуаций; 4) поддержание заданных значений технологических переменных и режимных параметров, определяющих нормальное функционирование оборудования при воздействии случайных возмущений и внешних управляющих команд; 5) оптимизация хода технологического процесса с целью повышения его эффективности при непрерывно изменяющихся внешних условиях и внутренней структуры модели управляемого объекта; 6) улучшение условий труда людей с одновременным изменением его содержания.
• В связи с тем что практическое осуществление автоматизации может быть сопряжено со значительными затратами, возникает необходимость предварительного рассмотрения экономической целесообразности- внедрения автоматических устройств. Целесообразность автоматизации технологического процесса выявляется исходя из экономических показателей, оцениваемых с учетом таких факторов, как степень механизации и автоматизации рассматриваемого оборудования; однородность сырья; стабильность источников энергии и материальных потоков; неизменность требований к технологическим режимам обработки материалов (деталей, изделий); наличие датчиков, приборов, автоматических регуляторов, позволяющих проводить анализ сырья, измерение режимных параметров, контроль и управление; технические возможности осуществления управляющих воздействий и установки исполнительных устройств; потребность в вычислительных устройствах; ориентировочная стоимость устройств, устанавливаемых в связи с автоматизацией; численность и квалификация персонала по эксплуатации систем автоматизации.
• Экономически обоснованная автоматизация технологических процессов ведет к росту объема производства, уменьшению численности основных производственных рабочих, повышению производительности труда и снижению удельного расхода заработной платы на единицу продукции. Однако одновременно увеличивается стоимость основных фондов и, следовательно, появляются дополнительные; затраты на амортизацию, а также на текущий ремонт и обслуживание; технических средств системы. При этом может возникнуть необходимость введения дополнительного обслуживающего персонала либо замена имеющегося на более квалифицированный. Годовой экономический эффект определяется по разности приведенных затрат сравниваемых вариантов с учетом совокупности экономии. В методиках расчета экономической эффективности автоматизации принимается во внимание также улучшение качества получаемой продукции влияние автоматизации на сопряженные процессы.
• Особенность всех производств легкой промышленности - высокая доля стоимости сырья в общей стоимости готовых изделий (в меховом производстве - до 95% общей стоимости).
• Острый дефицит натурального сырья (с учетом отмеченной особенности) приводит к требованию наиболее полного его использования, а в перспективе - к безотходному производству, т.е. использования; сырья на 100%. Это главное требование экономической эффективности автоматизации и вообще научно-технического прогресса в легкой промышленности.
• В связи с невысокой интенсивностью некоторых технологических процессов (жидкостные операции в кожевенном и меховом производствах) простое "навешивание" автоматических приборов и регуляторов на оборудование часто не дает желаемого экономического эффекта. Эти задачи необходимо решать комплексно, т.е. кардинально менять технологию, оборудование с целью существенного усилений интенсивности процессов, тогда и автоматизация даст значительный экономический эффект.
• 1. Анализ объекта

1.1 Описание технологического процесса и оборудования

В производстве деталей и узлов низа и верха обуви, а также обувных колодок из полимерных материалов широко используют литьевые агрегаты и автоматы. Полимерный материал вначале пластифицируется в обогреваемом цилиндре и затем впрыскивается в замкнутую охлаждаемую (для термопластов) или обогреваемую (для реактопластов) пресс-форму, в которой деталь (или изделие) затвердевает. Температура цилиндра и пресс-формы регулируется и изменяется в зависимости от свойств полимерного материала. Наибольшее распространение получил метод литья полимерных материалов под давлением.

Процесс изготовления подошв основан на заполнение формующей полости расплавом с последующим его уплотнением за счет давления и охлаждения.

Плавление, пластикация и дозировка полимера осуществляется периодически с постоянной для каждого конкретного изделия частотой вращения червяка.

Подготовка гранул ТЭП для литья. Добавление втор сырья.

Контроль: Сырье должно быть одного цвета и марки. Сырье должно быть сухим.

Технологические нормативы:

1. При избыточной влажности сырье должно быть подсушено.

2. Сухое сырье одного цвета и марки насыпают в бункер накопитель.

3. Температура гранул (ТЭП) должна быть приближена к комнатной.

4. Допустимое содержание вторичного сырья не более 10 %.

5. Гомогенно перемешанная смесь засыпается по бункерам литьевых машин.

Литье подошв под давлением.

Контроль: Смесь в бункере машины должна быть тщательно перемешена.

Технологические нормативы:

1. Литье - периодический процесс, в котором технологические операции выполняются в определенной последовательности:

а. Плавление и дозирование полимера,

б. Смыкание пресс-форм.

в. Литье в пресс-форму.

г. Пневматическое окончание литья.

д. Выдержка под давлением (допрессовка).

е. Период охлаждения изделия.

ж. Раскрытие пресс-форм.

з. Выталкивание изделий.

2. Допустимое количество применяемого регенерата составляет 10-12%.

3. Процесс литья осуществляется после достижения заданных температур в цилиндре пластификации.

Для монолитных материалов -- 140-160 °С.

Для пористых материалов -- 120-140 °С.

Температура литья может отличаться от нормативов, в зависимости от используемого материала.

4. Основные параметры литья задаются на реле времени литьевой машины:

а. Время впрыска.

б. Время допрессовки.

в. Время охлаждения.

Реле имеет 2 шкалы: «N» и «SS», где N - шкала измерения (1-4), SS - величина измерения (10-99).

«N» «SS» = сек.

«1» --- 10 = 0.1 сек.

«2» --- 10 = 1сек.

«3» --- 10 = 10 сек.

«4» --- 10 = 60 сек.

Время впрыска равно:

- для м/детского, детского ассортимента (ф.211Л559, 241213, 341213, Pina) - «N» = «3», «SS» = «20-30»;

- для женского ассортимента (ф.Аllа, Ида): - «N» = «3», «SS» = «55-65», (ф.S-942 - «N» =«3», «SS» = «10-15»).

Время впрыска зависит от фасона, размера подошв и используемого материала. Время допрессовки подбирается экспериментальным путем, в зависимости от фасона, размера подошв и используемого материала.

Время охлаждения равно: «N» «SS»

ф.211Л559 -- «3» «70-80»

ф.241213, 341213, Pina -- «4» «10-15»

ф.Аlla, Ида -- «4» «50-60»

ф.Б-942 -- «3» «25-30»

Время охлаждения зависит от фасона, размера подошв и используемого материала.

5. Отлитые подошвы извлекаются из пресс-форм и контролируются по качеству.

6. Подошвы раскладываются на тележки по размерам и фасонам.

7. Необходимо контролировать полный съем литников с пресс-форм.

Несмотря на большое разнообразие конструкций, у литьевой машины любой степени автоматизации можно выделить блок литьевой головки и блок прессовой части. Основными механизмами и устройствами блока литьевой головки являются устройство для дозирования полимерного материала (в виде гранул, порошка, ленты, шнура и т.п.); устройство для нагревания и плавления полимерного материала; механизм впрыска расплава или размягченной резиновой смеси в пресс-форму. Устройствами и механизмами блока прессовой части являются охлаждаемая или обогреваемая пресс-форма, состоящая цельных частей и раскрывающаяся для удаления готовой детали или изделия; механизм или устройство для выталкивания готовой детали или изделия из полости пресс-формы, механизм для замыкания и размыкания частей пресс-формы.

Помимо указанных механизмов и устройств литьевые машины имеют аппаратуру для управления основными параметрами цикла (температурой расплава или смеси, температурой пресс-формы, объёмом и давлением впрыска, продолжительностью цикла и т.д.); приводы; вспомогательную аппаратуру и устройства, обеспечивающие безопасность работы (системы электрической и механической блокировки и т.д.); устройства по охране окружающей среды.

Исходным объектом для автоматизации служит литьевой агрегат SVIT модификация U 102 (Чехия).

Литьевой агрегат SVIT - двухсекционная машина и предназначена для литья подошв из термоэластопласта [1]. Каждая секция может работать независимо. Шнек подает материал так, что расплав легко заполняет гнездо пресс-формы.

Рисунок 1.1 - Литьевой агрегат SVIT

На рисунке 1.1 схематично изображена машина SVIT, работающая следующим образом. Машина включается заранее для разогрева термокамер экструдера 1 до требуемой температуры. Далее в загрузочный бункер 2 засыпается термоэластопласт. Гранулят поступает прямо из загрузочных воронок, установленных выше червячного механизма. Начало зоны питания образовано окончанием нарезки червяка, что обеспечивает плавное поступление полимера. При каждом обороте червяка освобождается такое количество гранулята, которое поместится до начала выемки в зоне питания червячного механизма.

Приводы червячных механизмов можно запускать только после достижения температуры 150°С в цилиндре пластификации. С помощью шнека 4, приводимого в движение электродвигателем 5, термоэластопласт проходит три зоны нагрева в экструдере, где он плавится и пластифицируется. При этом смыкаются верхняя 7 и нижняя 8 части пресс-формы S1. С помощью соответствующих кнопок сжимают пресс-форму, после чего начинается процесс литья, т.е. запускают привод червячного механизма и одновременно открывают сопло. Пластифицированный термоэластопласт через сопло 9 и литьевые каналы 10 нижней части пресс-формы под действием шнека попадает в форму, где выдерживается определенное время под давлением. При литье под давлением подошв в пресс-формах автоматическое окончание литья производится с помощью пневматического датчика. Небольшим отверстием в виде круглого кольца, установленного в пресс-форме, В момент достижения расплава этого отверстия сжатому воздуху закрывается проход. В схеме повышается давление, которое через мембрану с помощью микро выключателя немедленно прекратит ход двигателя. После окончания литья устанавливают давление сжатого воздуха с помощью редукционной станции по манометру до значения 0,03-0,05 МПа.

Одновременно с допрессовкой начинается охлаждение пресс-формы. Наконец пресс-форма раскрывается S2, и рабочий вынимает подошву и затвердевший в литниковой системе термоэластопласт. Во время охлаждения происходит усадка термо- эластопласта, и для этого нужна допрессовка, которая длится менее одной секунды.

Время допрессовки рассчитывается в зависимости от размера отливаемой подошвы и вида термоэластопласта и назначается по таблицам. Регулирование температуры шнека осуществляется в трех зонах в пределах от 0 до 250 °С.

Тактограмма работы литьевого агрегата Svit представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Тактограмма работы SVIT U-102

Технические характеристики литьевого агрегата Svit представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технические характеристики литьевого агрегата Svit

Наименование показателей	Единицы измерения	Базисный вариант
Габаритные размеры агрегата: длина ширина высота	мм мм мм	1255 2175 2500
Площадь, занимаемая агрегатом	м2	6,82
Количество секций	шт	2
Высота рабочего стола	мм	1100
Диаметр червяка	мм	60
Соотношение размеров червяка L:d		20
Размеры пресс-форм: ширина глубина высота	мм мм мм	300-440 400 5-110
Расстояние литника от основания (регулируемое)	мм	15-95
Масса агрегата	кг	2250
Производительность агрегата при использовании материала: - ПВХ - ТЭП	1/час 1/час	до 130 до 100
Потребность сжатого воздуха (при максимальной производительности)	м3/час	до 35
Установленная мощность машины	кВт	31,5
Рабочая мощность машины	кВт	17
Мощность электродвигателей	кВт	2x9,5
Потребляемая мощность нагрева одного червяка	кВт	6
Регулируемая температура червяка	°С	0-250
Регулируемая температура пресс-формы	°С	0-150

1.2 Описание технологического процесса как объекта управления

При разработке автоматической системы управления данным технологическим процессом можно выделить следующие контуры управления:

- 3 зоны регулирования температуры расплава в экструдере;

- контур регистрации уровня термоэластопласта в загрузочном бункере;

- контур управления вращением шнека;

-контур управления температурой пресс-форм;

- контур управления положением пресс-форм;

- контур управления механизмом выталкивания готовой детали;

- контроль давления расплава в пресс-формах.

Контур регулирования температуры расплава в экструдере должны обеспечивать равномерный разогрев, расплавление и пластификацию термоэластопласта по всей длине экструдера. Температура расплава должна регулироваться в пределах 0 - 180 ?С.

Контур регистрации уровня термоэластопласта в загрузочном бункере необходим для контроля уровня термоэластопласта. Уровень термоэластопласта в загрузочном бункере должен составлять 200 мм, при меньшей величине этого параметра система должна подать аварийный сигнал и затем выполнить программу аварийной остановки.

Контур управления температурой пресс-формы необходим для регулирования процесса нагрева, а затем и охлаждения пресс-формы в ходе рабочего цикла. Пределы регулирования температуры пресс-формы составляют 0-150 °С.

Контур управления вращением шнека необходим для контроля скорости вращения шнека в ходе цикла, автоматическом завершении цикла в критических ситуациях и информировании об этом оператора.

Контур управления положением пресс-форм необходим для регистрации положения пресс-форм и выдачи разрешения на дальнейшее протекание цикла.

Контур управления механизмом выталкивания готовой детали необходим для автоматического выталкивания готовой детали при завершении цикла.

Система контроля длительности цикла необходима для контроля всех стадий технологического процесса литья: процесс заливки расплава в пресс-форму - до 60 сек, допрессовка - до 1 сек, охлаждение - до 360 сек. Также необходимо предусмотреть ручную настройку параметров длительности каждой стадии процесса.

Кроме того, система должна иметь некоторые контуры контроля.

Контроль давления расплава в пресс-формах необходим для сигнализации об окончании процесса заливки термоэластопласта в пресс-формы или аварийном завершении цикла и информировании об этом оператора. Давление расплава в пресс-форме при окончании литья достигает 2 МПа.

Различные контуры аварийного окончания цикла обработки необходима для наискорейшего завершения цикла при возникновении аварийных ситуаций и информировании об этом оператора (падение температуры в 1, 2, 3 зонах; падение давления в пневматической системе; контроль уровня гранулированного сырья в бункере накопителя; блокировка пресс-формы; отказ холодильного оборудования).

1.3 Описание математической модели объекта

Температура по ходу движения термоэластопласта для качественного ведения процесса формования деталей низа обуви определяется технологическим регламентом термообработки термоэластопласта в экструдере. Прежде всего, необходимо плавное нарастание температур вдоль экструдера, не допустим перегрев полимера, при котором может произойти разрушение молекулярной структуры эксгрудата (явление деструкции).

Желаемое распределение температурного поля в термоэластопласте вдоль экструдера не всегда удается обеспечивать и тем более поддерживать стабильно по целому ряду причин. Во-первых, из-за сложности тепловых явлений в экструдере, которые сопровождаются изменением агрегатного состояния термоэластопласта, его теплофизических (удельная теплоемкость) и реологических (вязкость) характеристик, а также из-за тепловых взаимовлияний между тепловыми зонами и отдельными элементами экструдера (стенкой, полимером и червяком). Во-вторых, тепловая энергия поступает в термоэластопласт не только от нагревателей, но и выделяется внутри термоэластопласта в результате внутреннего трения, причем в зависимости от реологического состояния термоэластопласта внутреннее тепловыделение не одинаково. Поэтому уже по этой причине для изучения динамики тепловых процессов в экструдере требуется математическое моделирование процесса, тем более что число нагревателей фиксированное и, следовательно, возможности формирования температурных полей ограничены вообще и с точки зрения исключения явления деструкции в частности.

Сложность тепловых явлений в экструдере и наличие возмущений процесса термообработки полимера, с одной стороны, и высокие требования к качеству формуемых деталей -- с другой, определило необходимость использования регуляторов с целью стабилизации температуры полимера на выходе из экструдера в целом [2].

Работа регуляторов оказывает влияние на все режимы работы экструдеров, в том числе и на динамику тепловых процессов в экструдере. С учетом изложенного задачи моделирования тепловых процессов в экструдере как таковом и моделирования тепловых процессов в нем при работе совместно с регуляторами являются весьма важными.

При описании математической модели процессов, протекающих в экструдере, необходимо рассматривать данный процесс как совокупность тепловых процессов, происходящих в термоэластопласте, стенке гильзы экструдера и в шнеке. По характеру физических процессов, протекающих на каждом участке червяка, его разделяют на три физические зоны: зона загрузки -- участок, в котором материал движется в виде нерасплавленного сухого спрессованного стержня; переходная зона -- участок, в котором на поверхности контакта материала с гильзой образуется, за счет плавления материала, пленка расплава, высота которой постепенно увеличивается и далее почти полностью происходит плавление материала; зона дозирования -- участок, в котором материал движется в вязкотекучем состоянии. Поэтому рассмотрим каждый процесс в отдельной зоне экструдера.

Рассмотрение задачи регулирования тепловых режимов в экструдере начинается с составления уравнений элементов агрегата. Динамики нагрева термоэластопласта в каждой зоне экструдера описывается уравнением вида [2]:

, (1.1)

где T_ст.ср. - осредненная температура стенки гильзы экструдера;

Т_пл.ср. - осредненная температура полимера;

Т_пл.шн. - осредненная температура поверхности шнека;

Т_шн.ср. - осредненная температура шнека;

Т_пл.вх. - температура полимера на входе в i-ю тепловую зону.

, (1.2)

где p_i - плотность полимера;

с_i - удельная теплоемкость полимера;

S_i - площадь поперечного сечения экструдера, заполненного полимером;

L_i - длина i-й тепловой зоны;

G - массовый расход полимера;

k_тп.ст.i - коэффициент теплопередачи через стенки экструдера.

, (1.3)

где k_тп.шн.i - коэффициент теплопередачи через шнек экструдера:

Коэффициенты влияния полимера, шнека, стенок на теплопередачу:

, (1.4)

, (1.5)

, (1.6)

, (1.7)

При построении математической модели тепловых процессов в стенке гильзы экструдера будем считать, что на тепловое состояние стенки оказывают влияние нагреватели, расположенные на внешней поверхности гильзы экструдера, термоэластопласт, перемещающийся внутри экструдера, а также тепловое состояние стенок соседних зон.

Необходимо также учесть следующее обстоятельство. Обычно в тепловых объектах имеют место эффекты, близкие к эффектам запаздывания. Однако если при рассмотрении теплообмена между стенкой и термоэластопластом, термоэластопластом и шнеком тепловые процессы возможны в двух направлениях, то в случае теплообмена между нагревателями и стенкой тепловые процессы распространяются в одном направлении - от нагревателя к стенке и поэтому эффект чистого запаздывания выражается более четко. В связи с этим в уравнение динамики тепловых процессов следует ввести функцию запаздывания. Тогда с учетом изложенного уравнение динамики тепловых процессов в стенке гильзы экструдера имеет вид [2]:

, (1.8)

где Т_стi - постоянная времени объекта;

k_н.ст.i - коэффициент передачи объекта на участке «нагреватель - стенка», принимаем k_н.ст.i = 1;

р - оператор Лапласа.

При построении математической модели тепловых процессов, протекающих в шнеке экструдера в пределах одной тепловой зоны, следует иметь в виду, что нагревание и охлаждение происходят в зависимости от изменения температуры термоэластопласта, перемещающегося в канале шнека. Кроме того, на тепловые процессы в шнеке в пределах тепловой зоны оказывают влияние тепловые процессы, протекающие в соседних зонах.

Уравнение динамики тепловых процессов в шнеке будет иметь вид [2]:

, (1.9)

где Т_шн.i - постоянная времени объекта;

k_пл.шн.i - коэффициент передачи между полимером и шнеком;

k_шн.i-1,i - коэффициент передачи между участками шнека предыдущей и данной тепловых зон (для первой тепловой зоны этот коэффициент равен нулю);

k_шн.i+1,i - коэффициент передачи между участками шнека последующей и данной тепловых зон;

р - оператор Лапласа.

На основании уравнений динамики тепловых процессов для стенки, термоэластопласта и шнека можно составить математическую модель тепловой зоны, а затем математическую модель всего экструдера как систему моделей тепловых зон.

Объединив уравнения, описывающие динамику тепловых процессов в стенке, термоэластопласте и шнеке для некоторой i-ой тепловой зоны, получим модель тепловой зоны:

(1.10)

При дальнейшем упрощении, с учетом опытных данных, полученных при анализе работы экструдера ШР-20, имеющем три однотипные тепловые зоны, получаем математическую модель системы автоматического регулирования температуры в тепловой зоне экструдера [2]:

, (1.11)

где T_cт - постоянная времени объекта;

k_н.ср. - коэффициент передачи объекта (нагреватель-стенка);

ДТ_ст.ср. - отклонение средней температуры стенки в тепловой зоне;

ДJ - изменение значения силы тока на выходе регулятора;

ф_ст - время чистого запаздывания;

F'(t) - суммарное возмущение, действующее на объект (возмущение по расходу, текущие возмущения, возмущение, эквивалентное неточности математической модели системы автоматического регулирования).

Таким образом, передаточная функция объекта управления (тепловой зоны) будет иметь вид:

(1.12)

Выполним аппроксимирующую замену, используя выражения (1.13), и получим приближенное выражение передаточной функции объекта регулирования (1.14):

(1.13)

(1.14)

Исходя из передаточной функции объекта регулирования, можно сказать, что необходим регулятор с ПД или ПИД законом регулирования для уменьшения инерционности системы (т.к. необходима дифференциальная составляющая для уменьшения инерционности). Лучше использовать регулятор с ПИД законом регулирования, т.к. он обеспечивает лучшую точность за счет появления апериодической составляющей.

Уточнение закона регулирования и определение оптимальных параметров настройки регулятора будут произведены в процессе расчета системы автоматического управления.

1.4 Описание аналогов систем управления

Аналогом разрабатываемой системы управления может служить пневматическая система управления литьевого агрегата Svit U102. Данная система управления позволяет задаваться всеми основными параметрами технологического процесса, соблюдать очередность стадий процесса литья и получать готовые изделия с заданными параметрами качества.

Недостатком пневматической системы управления является отсутствие контуров диагностики технологических параметров и самодиагностики. Отсутствует сигнализация аварийных режимов:

- падение температуры в 1, 2, 3 зонах;

- падение давления в пневматической системе;

- отсутствие контроля уровня гранулированного сырья в бункере накопителя;

- отсутствует блокировка пресс-формы (только гидравлический замок);

- отказ холодильного оборудования не контролируется.

В результате чего делается невозможным фиксирование аварийного состояния, обнаружение механизма, приведшего систему в аварийный режим. Вследствие этого система управления позволит продолжить технологический процесс, в результате которого произведенный продукт будет содержать брак.

Возможные аварийные ситуации:

1. При падении давления в пневматической системе не срабатывают датчики останова электродвигателей.

2. Отказ работы холодильного оборудования:

- пресс-форма не охлаждается;

- не полное охлаждение подошвы;

- раздувание подошвы.

3. Неплотное смыкание пресс-формы.

В случае не срабатывания механических замков пресс-формы происходит перелив подошвы, образуется «облой» материала.

1.5 Выводы

В результате анализа работы литьевого агрегата были определены основные контуры регулирования:

- контур регулирования температуры термореактопласта в экструдере - замкнутый контур локальною типа (регулирование температуры в пределах 0 - 180°С ± 5%);

- контур управления температурой пресс-формы - замкнутый контур (регулирование температуры в пределах 0 - 150°С ± 5%);

- контур управления положением пресс-формы - разомкнутый контур;

- контур управления механизмом выталкивания готовой детали - разомкнутый контур.

Также для повышения надежности и стабильности работы агрегата необходимо ввести:

- систему контроля уровня термореактопласта в бункере (минимальный уровень термореактопласта- 200 мм);

- систему контроля за вращением шнека;

- систему контроля давления расплава в пресс-форме;

- систему контроля длительности цикла (общая длительность цикла до 200 сек);

- систему аварийного окончания цикла;

- систему контроля положения пресс-формы;

- систему контроля снижения температуры в экструдере (1 и 2 зоны) и пресс-форме (3 зона);

- систему контроля падения давления в пневматической системе агрегата;

- cистему контроля работы холодильного оборудования (охлаждения пресс-формы).

2. Разработка структурной схемы автоматизации

Структурная схема (по ГОСТ) - это схема, определяющая основные функциональные части системы автоматизации, их назначение и взаимосвязи. Для автоматических систем часто составляют скелетные структурные схемы.

Структурная схема автоматизации предназначена для определения системы контроля и управления ТП данного объекта и установление связей между щитами и пультами управления, агрегатами, операторскими рабочими постами. Структурная схема является основным проектным документом, в котором устанавливаются оптимальные каналы административно-технического и операторского управления. В них отражаются особенности ТП и ТСА при создании локальных систем контроля и автоматизации.

Структурная схема в общем виде отражает используемый комплекс технических средств автоматизации, принцип взаимодействия технологического объекта с устройством управления и оперативным персоналом.

Построение структуры системы управления пресса для литья низа обуви будем производить исходя из контуров регулирования отдельных технологических параметров. Построение структурной схемы в общем виде позволит уточнить ее при выборе ТСА и компоновке выбранного оборудования.

На данном оборудовании можно выделить два объекта управления: ОУ1 - пресс-форма, ОУ2 - литьевая система.

Для первого объекта необходимо контролировать положение (Рисунок 2.1 ДП1, ДП2) и температуру пресс-формы (Рисунок 2.1 ДТ1).

В ОУ2 выделим следующие параметры: температура в трех зонах разогрева (Рисунок 2.1 ДТ2, ДТ3, ДТ4), давления расплава (Рисунок 2.1 ДД1), уровень термоэластопласта в загрузочном бункере (Рисунок 2.1 ДУ1), скорость вращения шнека в ходе цикла (Рисунок 2.1 ДС1).

Электрические сигналы с измерительных преобразователей поступают на управляющее устройство. Наиболее перспективным будет использование промышленного контроллера. Наличие встроенной памяти (RAM), таймеров, счетчиков, множество дискретных и аналоговых входов-выходов, возможность подключения дополнительных модулей, расширяющих возможности использования, унифицированный выходной сигнал - все это говорит в пользу применения промышленного контроллера.

Часть структурной схемы, показывающая устройства воздействия на технологический объект, имеет общий вид и представлена в виде 9 силовых преобразователей (ПР1 - ПР9) и 9 исполнительных механизмов (ИМ1 - ИМ9).

ИМ1 - привод пресс-формы;

ИМ2 - привод выталкивателя;

ИМ3 - регулятор напряжения, подаваемого на ТЭНы пресс-формы;

ИМ4 - двигатель системы охлаждения;

ИМ5, ИМ6, ИМ7 - регулятор напряжения, подаваемого на ТЭНы литьевой системы;

ИМ8 - двигатель вращения шнека;

ИМ9 - вентиль подачи расплава в пресс-форму.

Силовые преобразователи необходимы для преобразования управляющего сигнала промышленного контроллера в силовой, воздействующий непосредственно на ИМ.

На структурной схеме также изображены пульт управления (ПУ), блок аварийной сигнализации (БАС) и наличие канала связи с АСУ предприятия.

Структурная схема изображена на рисунке 2.1



Рисунок 2.1 - Структурная схема автоматизации

3. Разработка функциональной схемы автоматизации

Функциональной схемой (по ГОСТ) называют схему, разъясняющую определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях (линиях, каналах, трактах определенного назначения).

Функциональные схемы автоматизации являются основным техническим документом, определяющим структуру и характер автоматизации ТП, оснащение их приборами и средствами автоматизации. Функциональные схемы служат исходным материалом для разработки всех остальных документов проекта автоматизации.

Функциональные схемы устанавливают:

1. оптимальный объем автоматизации ТП;

2. технологические параметры, подлежащие автоматическому регулированию, контролю, сигнализации и блокировкам;

3. основные ТСА;

4. размещение средств автоматизации - местных приборов, отборных устройств, аппаратуры на местных и центральных щитах и пультах;

5. взаимосвязь между средствами автоматизации и способы передачи информации.

На функциональных схемах упрощенно изображают технологический процесс и показывают все приборы и аппаратуру, устанавливаемые на щитах, пультах и по месту. Функциональные схемы автоматизации разрабатывают с большей или меньшей степенью детализации, однако объем информации, представленный на схеме, должен обеспечить полное представление о принятых решениях по автоматизации данного технологического процесса.

Также возможность составления на стадии технического проекта заявочных ведомостей на приборы и средства автоматизации, на трубопроводную арматуру, щиты, пульты, основные монтажные материалы и изделия.

Функциональные схемы составляют для основного технологического оборудования и других частей установки, оборудуемых отдельными оперативными постами управления с элементами устройств автоматизации.

Функциональные схемы сложных систем автоматизации составляют раздельно: для устройств автоматического регулирования и дистанционного управления и для устройств технологического контроля и сигнализации. На функциональных схемах технологические линии изображаются толстыми сплошными линиями, а цепи контроля и регулирования - тонкими сплошными линиями.

Все виды автоматики показывают на функциональных схемах в виде условного обозначения, которое установлено ГОСТ 21.404-87.

На чертежах функциональных схем стараются избежать дублирования одинаковых ее частей, относящихся как к технологическому оборудованию, так и к средствам автоматизации. Допускается на свободном поле схемы давать краткую техническую характеристику автоматизируемого технологического объекта, поясняющие таблицы и диаграммы.

Для лучшего понимания режимов работы объекта автоматизации на функциональных схемах указывают предельные рабочие (максимальные или минимальные) значения измеряемых и регулируемых параметров в установившихся режимах работы.

На разработанной функциональной схеме условно показан пресс литья низа обуви в виде экструдера, загрузочного бункера с гранулятором, холодильной установки и пресс-форм. Функциональная схема показана на рисунке 3.1.

При включении питания на пульте управления задаются исходные параметры, т.е. задаются температуры для трех зон экструдера и температура пресс-форм (на нагрев и охлаждение), уровень материала в загрузочном бункере, давление в пресс-форме, координаты для устройства позиционирования. Устройство управления формирует задающие воздействия для регуляторов температуры 2и, 2ж, 3м, 3н, 3п. Также задаются постоянные времени технологического процесса, скорость вращения вала двигателя и параметры для регуляторов 1и, 1к, 5д.

В таблице 3.1 показаны наименования устройств функциональной схеме.

Таблица 3.1 - Наименование устройств функциональной схемы

Обозначение	Наименование
1	2
	Первичный преобразователь (чувствительный элемент) для измерения температуры
	Первичный преобразователь положения
	Первичный преобразователь уровня (датчик уровня в загрузочном бункере)
	Первичный преобразователь давления
	Первичный преобразователь частоты вращения шнека
	Вторичный преобразователь аналогового сигнала с датчиков температуры
	Вторичный преобразователь аналогового сигнала с датчиков положения
	Вторичный преобразователь аналогового сигнала с датчика уровня
	Вторичный преобразователь аналогового сигнала с датчика давления
	Вторичный преобразователь аналогового сигнала с датчика частоты вращения шнека
	Продолжение таблицы 3.1
1	2
	Устройства, регулирующие работу исполнительных механизмов по контуру температуры (дискретное управление)
	Устройства, регулирующие работу исполнительных механизмов по контуру положения пресс-формы (дискретное управление)
	Устройства, регулирующие работу исполнительных механизмов по контуру давления (дискретное управление)
	Устройства, регулирующие работу исполнительных механизмов по контуру частоты вращения шнека (дискретное управление)
	Управляющее устройство по контурам регулирования температуры, которое выполняет функции индикации, автоматического регулирования, регистрации и сигнализации
	Управляющее устройство по контуру регулирования температуры, которое выполняет функции индикации, включения-отключения, регистрации и сигнализации
	Управляющее устройство по контуру регулирования положения, которое выполняет функции индикации, включения-отключения и сигнализации
	Управляющее устройство по контуру контроля уровня, которое выполняет функции индикации, регистрации и сигнализации
	Управляющее устройство по контуру контроля давления, которое выполняет функции индикации и сигнализации, включения-отключения
	Управляющее устройство по контуру регулирования частоты вращения, которое выполняет функции включения-отключения и сигнализации
	Пульт управления

Во время работы происходит постоянный опрос датчиков температуры экструдера и пресс-форм (2а, 3а, 3б, 3в). При отклонении температуры от заданной устройство управления формирует сигнал управления, который поступает регуляторы. При этом регулятор обеспечивает непрерывное управление. Датчик давления 5а позволяет контролировать необходимое давление на выходе экструдера. Датчики положения необходимы для контроля смыкания пресс-форм.

Функциональный элемент 7 - ручной задатчик, т.о. реализуется возможность вручную задавать технологические параметры.

Выводы. Разработанная функциональная схема является необходимой частью рабочего проекта автоматизации, и дальнейшее проектирование должно опираться на созданную структуру. В процессе выбора технических средств автоматизации, реализации проекта могут возникнуть изменения, которые необходимо отразить на функциональной схеме.



Рисунок 3.1 - Функциональная схема автоматизации

4. Расчет и выбор технических средств

4.1 Выбор средств измерения технологических переменных

При автоматизации любого технологического процесса для получения информации об объекте управления используют измерительные преобразователи. Практически любой процесс может быть охарактеризован количественно и это возможно благодаря использованию датчиков совместно с различными измерительными схемами.

Технологический объект - пресс для литья низа обуви - имеет несколько потоков информации, которую необходимо измерить, преобразовать в унифицированный сигнал и передать на устройство управления.

Канал температуры в трех зонах разогрева и канал температуры пресс-формы. Обогрев экструдера осуществляется воротниковыми ТЭНами. Температуру гранулята в зонах разогрева целесообразно измерять погружными термоэлектрическими преобразователями, а температуру пресс-формы - контактным способом.

К датчику измерения температуры предъявлены следующие требования:

- унифицированный токовый выход, мА 4... 20;

- диапазон измерения, °С 0... 180;

- класс точности должен, % 5;

Для измерения температуры используем термопреобразователь фирмы Метран с унифицированным выходным сигналом [22]. Этот датчик предназначен для измерения температуры жидких и газообразных, нейтральных и агрессивных сред, по отношению к которым датчик является коррозионостойким. При контактной установке позволяет измерять температуру поверхностей, что можно использовать в канале измерения температуры пресс-формы.

В таблице 4.1 приведены технические характеристики термопреобразователя, обозначаемого при заказе: Метран 276-09-Exd-100-0.25-Н10-(0..300) - 4-20 mA.

Таблица 4.1 - Технические характеристики датчика Метран 276-09

Параметр	Значение
Исполнение термопреобразователя	ТСПУ
Диапазон измерения, °С	0..300
Выходной сигнал, mА	4-20
Предел допускаемой основной погрешности, %	0.25
Зависимость выходного сигнала от температуры	линейная
Материал защитной арматуры	12Х18Н10Т
Напряжение питания, В	18-42
Потребляемая мощность, Вт	0.9
Длина монтажной части, мм	100
Масса, кг	0.4

На рисунке 4.1 приведены габаритные и присоединительные размеры датчика и гильзы защитной ЮНКЖ.015.20-14 (материал - сталь 12Х18Н10Т, длина монтажной части - 100 мм):

Рисунок 4.1 - Датчик Метран 276-09 и гильза защитная ЮНКЖ.015.20-14

Схема внешних электрических подключений датчика температуры показана на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема внешних электрических подключений датчика Метран 276-09

Датчик положения необходим для контроля положения пресс-формы. Выберем магнито-индуктивные датчики линейных перемещений ряда РIM фирмы Turk [21]. Датчики выдают сигналы тока или напряжения (4...20 мА, 0...10 В), пропорциональные положению магнитного задатчика позиции. Датчики очень компактны и нечувствительны к небольшим боковым смещения задатчика позиции. Несмотря на это они обеспечивают очень точное значение позиции при воспроизводимости 0,5% от измеряемой величины. Температурный дрейф не превышает 0,09%. В результате этот ряд датчиков заполняет разрыв между чисто дискретным позиционированием и высокоточными измерительными системами.

На рисунке 4.3 изображены габаритные и присоединительные размеры магнито-индуктивного датчика положения, обозначаемого - PIM30P-Q20L60-UU5-H1141.



Рисунок 4.3 - Магнито-индуктивный датчик PIM30P

В таблице 4.2 приведены технические характеристики магнито-индуктивного датчика положения.

Таблица 4.2 - Технические характеристики магнито-индуктивного датчика PIM30P

Параметр	Значение
1	2
Идентификационный номер	1659874
Длина L, мм	60
Измерительный диапазон, мм	30
Напряжение питания, В	15-30
Диапазон рабочих температур, °С	0-120
Мертвая зона L3, мм	5
Продолжение таблицы 4.2
1	2
Мертвая зона L4, мм	25
Токовый выход, mА	4-20
Частота измерений, Гц	80
Вид защиты	IP67

Схема внешних электрических подключений датчика положения показана на рисунке 4.4.



Рисунок 4.4 - Схема электрических подключений датчика PIM30P

В качестве датчика давления используем пневмодатчик, осуществляющий преобразование пневмосигнала в электрический, сигнализирующий об окончании процесса впрыска расплава в прессформы. Принцип действия данного пневмодатчика (Рисунок 4.5) основан на срабатывании выключателя 1 после поступления воздуха под давлением в зону 2, расположенную перед мембраной 3. Во время подачи термоэластопласта в пресс-форму 4 в нее по пневмошлангу 5 через отверстие в пресс-форме подается воздух под давлением, который далее из пресс-формы отводится по специальным каналам. Воздух в это время в зону 2 не поступает, так как мембрана находится в прижатом состоянии (изображена пунктиром) под действием пружин 6. Как только отверстие в прессформе перекрывается термоэластопластом, воздух начинает воздействовать на мембрану, пружины сжимаются, и срабатывает выключатель 1; отключается электродвигатель, и подача расплава в пресс-форму прекращается. При этом одновременно подается сигнал на устройство управления, информирующий об окончании процесса заливки расплава в пресс-форму.

Рисунок. 4.5 - Датчик давления

Характеристики данного датчика представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Технические характеристики пневмодатчика давления

Параметр	Значение
Номинальное напряжение контактов, В	220
Номинальный ток контактов, А	10
Максимальная допустимая частота включений в час	1200
Механическая износостойкость, млн. циклов ВО	не менее 20
Коммутационная износостойкость контактов реле, млн. циклов ВО: - в режиме нормальных коммутаций; - в режиме редких коммутаций.	не менее 1,0 1,6
Присоединение внешних проводов к катушкам и контактам реле	Переднее
Климатическое исполнение реле	УЗ, ТЗ и УХЛ4 по ГОСТ 19150-69
Степень защиты	IP00
НТД	ТУ 16-647.043-86

Частота вращения электропривода агрегата составляет не более 1000 об/мин, поэтому в качестве датчика, сигнализирующего о вращении электропривода агрегата, выберем индуктивный датчик фирмы Turck: universal 5850 [21].

Характеристики данного датчика приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Технические характеристики датчика Turck 5850

Параметр	Значение
Идентификационный номер	5850
Напряжение питания, В	постоянное, от 10 до 30
Максмиальная частота, об/мин	6000
Дистанция измерения, мм	20
Диапазон рабочих температур, ?С	-25…90
Исполнение	IP65
Выходной сигнал, mA	4…20

Монтажные параметры данного датчика частоты вращения представлены на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Датчика частоты вращения Turck 5850

Схема внешних электрических подключений датчика частоты вращения показана на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 - Схема внешних электрических подключений датчика частоты вращения Turck 5850

Для контроля наличия гранулята в бункере будем использовать оптический датчик Q50BVI фирмы Turck, который позиционируется как отражательный тестер для контроля расстояния до объекта с аналоговым выходом [21]. Выбор данного датчика выполняем исходя из температурного диапазона работы данного датчика, точности измерения и параметров выходного сигнала.

Габаритные размеры оптического датчика уровня Q50BVI показаны на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 - Габаритные размеры датчика уровня Q50BVI

Технические характеристики оптического датчика уровня Q50BVI приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Технические характеристики датчика Q50BVI

Параметр	Значение
Длина волны излучения, нм	685
Размер светового пятна, мм	max 20
Напряжение питания, В	15 - 30 DC
Потребляемый ток, мА	70
Защита	от переполюсовки, к.з., превышения напряжения
Токовый выход, мА	4...20
Выход по напряжению, В	0...10
Корпус	пластик ABS
Степень зашиты	IP67
Рабочая температура, °С	-10...55
Расстояние переключения, мм	100...300

Схема подключения датчика Q50BVI показана на рисунке 4.9.



Рисунок 4.9 - Схема подключения датчика Q50BVI

4.2 Выбор и расчет регуляторов

В качестве регуляторов температуры необходимо применять регулятор, реализующий один из типовых законов регулирования (ПИ, ПД, ПИД).

Передаточная функция объекта управления (тепловой зоны) имеет вид: см. формулу 1.14.

Исходя из передаточной функции объекта регулирования, можно сказать, что необходим регулятор с ПД или ПИД законом регулирования для уменьшения инерционности системы (т.к. необходима дифференциальная составляющая для уменьшения инерционности). Лучше использовать регулятор с ПИД законом регулирования, т.к. он обеспечивает лучшую точность за счет появления апериодической составляющей.

Использование отдельного регулятора не требуется, т.к. функции регулирования по всем каналам может выполнять промышленный контроллер посредством разработанной программы.

4.3 Расчет и выбор исполнительных механизмов

Исполнительный механизм являются оконечным устройством, взаимодействующим непосредственно с объектом управления. Они являются преобразователем электрической энергии непосредственно в механическое движение, тепловую энергию и др.

Выбор исполнительных механизмов основан на определении условий эксплуатации, технических параметров, предъявляемых к ним.

Источником движения в механизме привода шнека является асинхронный двигатель K106L06. Данный двигатель является встроенным в литьевую машину, его параметры взяты из паспорта [1].

Технические характеристики данного двигателя представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 - Технические характеристики электродвигателя K106L06

Параметр	Значение
Тип	K106L06
Напряжение питания, В	380/220 (Y/A)
Частота питающей сети, Гц	50
Номинальный/пусковой ток, А	22/38
Потребляемая мощность, кВт	9.5
Номинальная частота вращения, об/мин	925
Масса, кг	145

Двигатель системы охлаждения - 4СОА4-12 - имеет характеристики, представленные в таблице 4.7. Также его параметры взяты из паспорта [1].

Таблица 4.7 - Технические характеристики электродвигателя 4СОА412

Параметр	Значение
Тип	4СОА4-12
Напряжение питания, В	380-440/220-254 (Y/A)
Частота питающей сети, Гц	50
Номинальный/пусковой ток, А	0.33/0.57
Потребляемая мощность, Вт	120
Номинальная частота вращения, об/мин	925
Исполнение	Solf

Смыкание пресс-формы и движение выталкивателя осуществляется пневматической системой, управляющий сигнал на пневмореле которой будет поступать с микроконтроллера.

В качестве запорной арматуры для управления пресс-формами и для системы выталкивания готового изделия будем использовать электромагнитные (соленоидные) клапаны запорные проходного прямого действия КЭО 50/1,0/2-6/123 (нормально закрытые) и КЭО 50/1,0/2-6/124 (нормально открытые) фирмы «Технопроект» [25].

Выбор данного исполнительного механизма произведен на основании допустимого давления среды, которое составляет 6 атм. (0,6МПа), и условий его работы.

Приведем технические характеристики сегментного клапана в таблице 4.8.

Таблица 4.8 - Технические характеристики клапана КЭО 50/1,0/2-6

Параметр	Значение
Рабочее давление, МПа	0,1-1,0
Тип среды	газ, жидкость
Температура среды, °С	до 150
Степень защиты	IP54
Посадочный диаметр, мм	50
Напряжение питания привода, В	220
Частота сети, Гц	50
Командный сигнал, В	0...5 DC

Выбираем электромагнитные (соленоидные) клапаны запорные проходного прямого действия с посадочным диаметром D_y=50 мм. Габаритные размеры изображены на рисунке 4.10, где L=235 мм, В=Т05 мм, Н=175 мм, Н1=44,5 мм.



Рисунок 4.10 - Электромагнитный клапан КЭО 50/1,0/2-6

К исполнительным механизмам следует отнести термоэлектрические нагреватели воротникового типа. Существующие ТЭНы имеют каркасную конструкцию, обеспечивающую более равномерное распределение тепловой энергии [1]. Чертеж воротниковых ТЭНов, установленных во всех зонах разогрева показан на рисунках 4.11, 4.12. Параметры 2 ТЭНов первой зоны (начало разогрева): 490 Вт, 95 В, 2 ТЭНов второй зоны (середина разогрева): 490 Вт, 95 В, 2 ТЭНов третьей зоны (сопло): 100 Вт, 190 В.