Разработка и расчет схемы автоматизированного электропривода прессовой секции бумагоделательной машины от индивидуального преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

25 с., 9 рис., 3 табл., 4 прил., 10 источников.

бумагоделательная машина, прессовая часть, электропривод, средства автоматизации, scada-система

Объектом исследования является электропривод прессовой секции бумагоделательной машины от индивидуального преобразователя.

В курсовом проекте рассматривается технологический процесс прессовой части бумагоделательной машины, производится выбор и расчет АЭП, подбор комплекса технических и программных средств автоматизации. Разработана схема человеко-машинного интерфейса, иллюстрирующая с помощью SCADA-системы Trace Mode процесс работы АЭП.



Список сокращений

В работе используются следующие сокращения:

БДМ - бумагоделательная машина;

ДПТ - двигатель постоянного тока;

ТП - тиристорный преобразователь;

ТП - Д - тиристорный преобразователь - двигатель;

ДС - датчик скорости;

ДТ - датчик тока;

АЭП - автоматизированный электропривод;

ТОР - токоограничивающий реактор;

ПСА - программные средства автоматизации;

СА - средства автоматизации;

HMI - (Human machine interface) человеко-машинный интерфейс.



Содержание

• Введение
• 1. Описание объекта автоматизации
• 1.1 Задание на курсовое проектирование
• 1.2 Описание объекта управления
• 2. Требования к элементам автоматизации
• 3. Выбор элементов автоматизации
• 3.1 Выбор системы электропривода для прессовой секции бумагоделательной машины
• 3.1.1 Расчет и выбор АЭП в системе ТП-Д
• 3.1.2 Выбор тиристорного преобразователя
• 3.1.3 Выбор трансформатора2
• 3.2.Выбор средств автоматизации
• 3.2.1 Выбор технических средств автоматизации
• 3.2.2 Выбор промышленной шины
• 3.2.2 Выбор контроллера
• 3.2.3 Выбор SCADA-системы
• 4. Уровень математического описания
• 4.1 Расчет динамики системы
• 4.2 Синтез контура регулирования тока
• 4.3 Синтез контура регулирования скорости
• 4.4 Моделирование разработанной системы в среде MatLab
• 5. Описание HMI интерфейса
• Заключение
• Библиографический список


Введение

Процесс изготовления бумаги очень сложен, и не последнее место по значимости в бумагоделательной машине занимает прессовая часть. Она обеспечивает высокую сухость бумаги, а также повышаются прочностные свойства и прозрачность, снижаются пористость и впитывающая способность бумаги.

Курсовой проект посвящен разработке и расчету схемы автоматизированного электропривода прессовой секции бумагоделательной машины, что является актуальной проблемой.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Исследование объекта автоматизации, а именно технологического процесс прессования БДМ.

2. Формирование требований к выбору оборудования.

3. Выбор необходимого оборудования - подобрать и рассчитать АЭП, комплекс технических и программных средств автоматизации.



1. Описание объекта автоматизации

1.1 Задание на курсовое проектирование

Спроектировать систему автоматизированного электропривода секции бумагоделательной машины с питанием секционного двигателя от индивидуального преобразователя. Данные для проектирования представленные в таблице 1.1

Таблица 1.1

Данные для проектирования

Наименование секции	Пресс
Ширина секции	4.7
Верхняя рабочая скорость VВ, (м/мин)	600
Диапазон регулирования скорости D	3
Количество валов (цилиндров)	2
Диаметр вала (цилиндра) d, (м)	1
Пределы ручного регулирования относительной скорости секции от среднего значения DP, %	5
Приведенный к валу двигателя момент инерции JПР (кг/м2)	640

SCADA-система: TRACE MODE

Расчет динамики секционного электропривода производится при возмущающем воздействии - изменении момента сопротивления на валу двигателя при следующих условиях:

1. Точность поддержания скорости приводного двигателя секции во всем рабочем диапазоне не ниже ±0,2% при изменении момента нагрузки в статике от среднего значения на каландрах на 20%.

2. За максимальный момент нагрузки M_max принять момент, соответствующий мощности P_max по статистическим данным.

3. Бумагоделательные машины оборудованы подшипниками качения. Вентиляция секционных электродвигателей принудительная.

4. Вид выпускаемой бумаги - газетная.

1.2 Описание объекта управления

Обычный мокрый пресс (см. Приложение 1) состоит из двух массивных прессовых валов и сукна, движущегося по сукноведущим валикам через прессовые валы вместе с бумагой. Нижний, покрытый резиной, прессовый вал лежит своими подшипниками на неподвижных опорах. Верхний, гранитный, вал располагается над первым в подвижных рычагах и может перемещаться относительно нижнего вала и прижиматься к нему при помощи присадочного устройства. [7]

Под нижний прессовый вал подвешивается корыто из оцинкованного железа или нержавеющей стали для отвода воды, стекающей с пресса. Нижний прессовый вал приводится в движение от привода, а верхний вал, как и сукно, вращается от нижнего за счет трения. Сукно в свою очередь приводит в движение все сукноведущие валики, а иногда и вальцовую сукномойку.

Привод БДМ - неотъемлемая ее часть. Он весьма существенно влияет на работу машины и на качество выпускаемой продукции. [7]

Рис. 1.2.1 Многодвигательный привод

Большинство современных машин имеет многодвигательный привод (Рис.1.2.1). Каждая приводная секция имеет свой индивидуальный электродвигатель. Между электродвигателем и приводным валом бумагоделательной машины установлен цилиндрический редуктор - одноступенчатый для быстроходных машин и двухступенчатый для тихоходных машин.

Схема представлена в [7] и приведена в Приложении 1



2. Требования к элементам автоматизации

К приводу бумагоделательной машины предъявляются определенные требования:

1. Привод должен обеспечить возможность плавного регулирования в широких пределах скорости бумагоделательной машины в зависимости от вида и веса 1 м² вырабатываемой бумаги.

2. Привод должен поддерживать постоянную установленную скорость машины. Только в этом случае будет обеспечено сохранение заданного веса 1 м² бумаги, зависящего от количества подаваемого на машину волокна и скорости машины. Современные приводы позволяют поддерживать постоянную скорость машины (отклонения не превышают 0,5-1%) и вырабатывать бумагу весом 1 м² с допусками, установленными стандартом.

3. Привод должен позволять регулировать в небольших пределах скорости отдельных секций и сохранять установленное соотношение этих скоростей. [7]

Вывод: Изучив технологический процесс можно заметить, что основным элементом в данном процессе является ЭП. Проанализировав предъявленные требования, необходимо правильно выбрать систему ЭП и рассчитать ее параметры. Выбор системы дан в п. 3.1.

автоматизация прессовый бумагоделательный программный



3. Выбор элементов автоматизации

3.1 Выбор системы электропривода для прессовой секции бумагоделательной машины

На основании задания к курсовому проекту (п.1.1) и требований к электроприводу для расчёта выбрана система ТП-Д вследствие простоты и точности управления, ввиду жестких механических характеристик, получаемых при его использовании. Кроме того привод данной системы прост в расчете и использовании.

3.1.1 Расчет и выбор АЭП в системе ТП-Д

Расчет мощности и выбор исполнительного электродвигателя

Мощность, необходимая для приведения во вращение секции с заданной скоростью, определяется по формулам [2]:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(1) (2)

где f_max, f_норм - соответственно максимальное и нормальное удельные усилия секции. Для прессов (оба вала): f_max=1760 Н/м, f_норм=1370 Н/м.

D = V_РВ/V_РН (3)

V_РН = V_РВ/D = 600/3 = 200 [м/мин]

(4)

(5)

Выбор двигателя производим по данным: U_Н=440(В), Р_Н>P_max.

Данные выбранного двигателя в таблице 3.1.1

Таблица 3.1.1

Данные двигателя[1]

Тип двигателя	PH (кВт)	UH (В)	nН/nmax (об/мин)	КПД %	J (кг*м2)
Д814	100	440	550/1700	91	10,25

Рассчитаем номинальную скорость:

(6)

Подберем редуктор, согласно рассчитанному передаточному числу:

(7)

Ближайшее передаточное отношение редуктора 2.81. Выбираем редуктор РЦI-15ОА горизонтальный, цилиндрический одноступенчатый.

После выбора редуктора уточняем величину средней верхней и нижней скорости двигателя:

(8)

(9)

Выбранный двигатель проверяем на пусковые усилия и перегрузки. Условием трогания с места является М_пуск>М_тр. Из-за выдавливания смазки момент трогания М_тр в секции БМ больше рабочего: М_тр=k_тр·М_норм, где k_тр=1,6 (для пресса), М_норм - нормальный электромагнитный момент двигателя, соответствующий мощности Р_норм. [2]

М_норм = P_норм/щ_вв=64.4/20=3.22(кН·м) (10)

М_тр = 1.6·3.22=5.15 (кН·м) (11)

Найдем значение М_пуск:

М_пуск = KФ·I_пуск (12)

I_Н=P_Н /U_Н·з_Н=100/440·0,91=274(A) (13)

R_Я=0.5· U_Н (1- з_Н)/I_Н=0.5·440·0.09/274=0.07 (Ом) (14)

КФ=(U_Н - I_Н·R_Я)/ щ_Н =(440-274·0.07)/57.56=7.31 (В·с) (15)

М_пуск = KФ·I_пуск = KФ·5I_Н =7.31·5·274=10.01 (кН·м)

М_тр = 5.15 (кН·м)

М_{пуск.пр.}= М_пуск·1.6=10.01·1.6=16.02 (кН·м)

М_{пуск.пр.}= 16.02(кН·м)>M_тр=5.15 (кН·м)

Выбранный двигатель по пусковым усилиям и перегрузкам проходит.

3.1.2 Выбор тиристорного преобразователя

Тип вентильного преобразователя, от которого будет питаться и посредством которого будет управляться двигатель, выбирается в зависимости от того, каким является двигатель - постоянного или переменного тока. Преобразователь для питания двигателя постоянного тока рекомендуется выбирать по номинальному току и напряжению двигателя. [1]

Условия выбора тиристорного преобразователя U_H>440 B, I_H>274 А

В таблице 3.1.2 представлены параметры выбранного тиристорного преобразователя.

Таблица 3.1.2

Данные тиристорного преобразователя [3]

Марка тиристоров	SH (кВА)	Uпит.сети кВ	Uвыпр (В)	Iмах (А)	КПД, %	Коэффициент мощности
АТР-800/ /460-2С	368	0.38	460	800	92	0.83



3.1.3 Выбор трансформатора

При выборе двигателя постоянного тока серии Д на 440 В используется бестрансформаторная схема включения преобразователя при напряжении питающей сети 380 В. В этом случае в анодную цепь преобразователя вместо трансформатора включается ТОР. [1]

Выбор и расчет параметров ТОР производить не будем, так как на динамику системы этот элемент не влияет.

Вывод: согласно исходным данным был выбран привод системы ТП-Д, двигатель прошел по пусковым усилиям и нагрузкам, что говорит о правильности расчета и выбора.

3.2 Выбор средств автоматизации

В процессе рассмотрения современного рынка промышленных СА можно заметить, что на данный момент одно из лидирующее положение по объёму продаж и ассортименту продукции занимает корпорация SIEMENS, а если точнее, то её департамент автоматизации и приводов (Automation and Drives [A&D]), выпускающий более 100 тысяч наименований приборов, устройств и компонентов под общим названием SIMATIC. Продукция SIMATIC охватывает широкий спектр задач на всех уровнях автоматизации, что позволяет без труда подобрать комплекс необходимых СА, совместимых между собой. [5]

Продукция SIMATIC удовлетворяет и остальным критериям выбора СА для нашей системы: она сравнительно недорога и довольно популярна среди пользователей. Поэтому вполне целесообразно остановить свой выбор именно на этом производителе.



3.2.1 Выбор технических средств автоматизации

Рис. 3.2.1 Структурная схема АСУТП

По схеме, представленной на рис. 3.2.1, видно, что необходимо выбрать следующие ТСА:

1. Промышленная шина

2. ПЛК

3.2.2 Выбор промышленной шины

Различные стандарты промышленных сетей сегодня незначительно отличаются между собой по функциональности и совместимости с другими ТСА, поэтому выбор промышленной шины не так принципиален. Главное требование, предъявляемое к выбираемому стандарту - поддержка его контроллером. Поскольку семейство контроллеров SIMATIC поддерживает большинство существующих стандартов промышленных сетей, то выбирается стандарт промышленных сетей Industrial Ethernet.

3.2.2 Выбор контроллера

Критерием выбора ПЛК внутри линейки контроллеров SIMATIC является его производительность: она должна быть достаточной для управления конкретным ТП. Для объектов средней и повышенной сложности применяются ПЛК S7-200/300. В данном случае достаточно контроллера средней производительности, такого, как SIMATIC S7-200.

Для программирования и управления ПЛК S7-200/300 SIMATIC предлагает программный пакет STEP 7.

Для структурного (блочного) программирования STEP 7 предоставляет языки программирования, соответствующие DIN EN 6.1131-3. К ним относятся:

1. LAD (ladder logic или ladder diagram) - контактный план; представление, схожее с диаграммами релейной логики; многоступенчатая схема.

2. FBD (function block diagram) - диаграмма функциональных блоков или функциональный план.

3. STL (statement list) - список операторов или список мнемоник; ассемблероподобный язык.

4. SCL - паскалеподобный язык высокого уровня, который является дополнительным и может не входить в стандартную поставку.

Различные методы представления позволяют каждому пользователю выбрать подходяще описание функции управления. Такая широкая адаптируемость в представлении решаемой задачи управления значительно упрощает работу со STEP 7. [6]

3.2.3 Выбор SCADA-системы

Для разработки ПО человеко-машинного интерфейса выбрана, согласно заданию, SCADA-система TRACE MODE 6, являющаяся товарным знаком компании AdAstra Research Group.

Данная SCADA-система полностью совместима с контроллерами фирмы SIEMENS, кроме того широко используется на отечественном рынке автоматизации.

Вывод: на основе анализа современного рынка технических и программных средства автоматизации, а так же согласно заданию на курсовой проект, были выбраны :

· ПЛК SIMATIC S7-200

· Промышленная шина Industrial Ethernet

· SCADA-система TRACE MODE 6



4. Уровень математического описания

4.1 Расчет динамики системы

Рис 4.1.1 Структурная схема ТП-Д

Синтез системы регулирования скорости ТП-Д [3].

Исходные данные:

ТП:

Г_Р = 460 (И)ж Ш_ьфч = 800 (Ф)ж а =50 (Гц)ж ь = 6

ДС:

K_ТГ = 0.02(В/об/мин); R_ТГ = 10 (Ом); L_ТГ = 0.03 (Гн); n_H = 550 (об/мин)

ДТ:

I_ДТ = 600 (А); U_Ш = 75 (мВ); К_УДТ = 100 (о.е.)

Расчет передаточных функций системы:

ТП:

(16)

(17)

ДТ:

ДС:

4.2 Синтез контура регулирования тока

Рис 4.2.1 Структурная схема контура регулирования тока якоря

Контур регулирования тока якоря будем настраивать на ТО, так как настройка на этот оптимум даёт более быстродействующую отработку воздействия сигналов, что необходимо для внутреннего контура в двухконтурной системе регулирования.

Параметрическая декомпозиция объекта управления

T_МС = 0.005 (c)

1. Задание критерия качества в виде желаемой передаточной функции разомкнутого контура (настройка замкнутого контура на ТО):

(25)

2. Синтез структуры и параметров регулятора

4.3 Синтез контура регулирования скорости

Контур регулирования скорости будем настраивать на СО так, как обеспечивает астатизм САУ (теоретически нулевую статическую ошибку регулирования выходной координаты).

1. Параметрическая декомпозиция объекта управления

T_МС = 0.009 (c)

2. Задание критерия качества в виде желаемой передаточной функции разомкнутого контура (настройка замкнутого контура на СО):

(31)

3. Синтез структуры и параметров регулятора

Рис. 4.3.1 Структурная схема контура регулирования скорости двигателя

Структурную схема ОУ представлена в Приложении 2



4.4 Моделирование разработанной системы в среде MatLab

Рис. 4.4.1 Структурная схема автоматизированного электропривода в MatLab

Схема автоматизированного электропривода в MatLab аналогична схеме, представленной на рис. 4.3.1 , это говорит о том, что средства моделирования среды MatLab позволяют создавать схемы идентичные требуемым и анализировать их работу. Промоделированная схема также приведена в приложении (см. Приложение 3).

После моделирования системы, проводим следующие воздействия:

1. Реакция системы на управляющее воздействие

Рис. 4.4.2 Переходный процесс при управляющем воздействии

По графику переходного процесса, рис. 4.4.2 определим перерегулирование и время первого согласования.

Перерегулирование составляет 0 %,

Время первого согласования составляет 6,52 сек.

2. Реакция системы на наброс нагрузки на 20% I_C

Рис. 4.4.3 Переходный процесс при набросе нагрузки

По графику переходного процесса, рис. 4.4.3 определим перерегулирование и время первого согласования.

Перерегулирование составляет 0%,

Время первого согласования составляет 5,6 сек

3. Реакция системы на сброс нагрузки на 20% I_C

Рис. 4.4.4 Переходный процесс при сбросе нагрузки

По графику переходного процесса, рис. 4.4.4 определим перерегулирование и время первого согласования.

Перерегулирование составляет 0%

Время первого согласования составляет 5,6 сек

Вывод: по результатам проведенного моделирования в среде MatLab и согласно методике синтеза систем регулирования ТП-Д [3] проектируемая система удовлетворяет всем поставленным требованиям.



5. Описание HMI интерфейса

После выбора СА можно переходить к созданию человеко-машинного интерфейса операторской станции в SCADA-системе TRACE MODE 6 (на основании задания).

Схема HMI приведена в Приложении 4

Вывод: Данная схема отражает основные параметры ТП и дает возможность регулирования некоторых из них, в зависимости от требований заказчика, человеко-машинный интерфейс может быть более глубоким, т.е. может отражать параметры вспомогательного оборудования.



Заключение

В курсовом проекте был спроектирован электропривод для секции бумагоделательной машины в соответствии с технологией и требованиями, предъявляемыми к электроприводу. Рассчитана силовая часть - тиристорный преобразователь, двигатель и система управления. Проведён анализ динамических режимов выбранного электропривода и построены переходные процессы. Подобран комплекс технических средств автоматизации. Автоматизации работы электропривода секции пресса бумагоделательной машины была выполнена в SCADA-системе TRACE MODE 6, разработана и сымитирована система управления.

Основные выводы приведены по каждой из глав курсового проекта.



Библиографический список

1. Теория электромеханических систем. Задания на курсовой проект и методические указания по его выполнению для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств» дневной и заочной форм обучения. Пермь 2008.

2. Автоматизация типовых технологических процессов и промышленных установок. Методические указания и учебные задания по курсовому проектированию для студентов заочного отделения специальности «Электропривод и автоматизация промышленных установок». Пермь 1983.

3. Система управления электроприводами. Конспект лекций для студентов вечерне-заочного образования ПГТУ. Разработчик д.т.н., профессор кафедры МСА Казанцев В.П. - Пермь, 2003.

4. Комплексные тиристорные электроприводы. Справочник, под ред. Перельмутера В.М., 1988.

5. СА /2008. Каталог продукции Siemens A&D.

6. Бергер Г. Автоматизация с помощью STEP 7: LAD и FBD. Издание 2-е переработанное, 2001.

7. Иванов С.Н.Технология бумаги. Изд. 3-е. - М.: Школа Бумаги, 2006.

8. Трусов А.В., Петроченков А.Б. Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами. - Пермь, 2007.

9. Шестаков В.М. Системы электропривода бумагоделательного производства. - М.: Лесная промышленность, 1989

10. Оборудование целлюлозно-бумажного производства. Бумагоделательные машины, В.А. Чичаев, М.Л. Глезин, В.А. Екимова. - М.: Лесная промышленность, 1981.

Размещено на Allbest.ru