Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

управление цинкование программный автоматический

Важную роль в решении задачи по повышению срока службы металлопродукции играют защитные покрытия, использование которых позволяет увеличить стойкость и долговечность стальных изделий.

Из металлических покрытий в мировой практике наиболее широко применяют цинковые. Физико-химические свойства цинка, относительная простота технологии и оборудования для нанесения цинковых покрытий позволяет успешно применять их для защиты металлоизделий от коррозии.

Толщина защитного цинкового покрытия выбирается в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации. Анализ условий применения различных металлоизделий показывает, что защитное (антикоррозионное) покрытие для этих условий должно обладать не только повышенной коррозионной стойкостью, но быть также устойчивым к абразивному износу и иметь высокую степень сцепления с поверхностью защищаемого изделия. Термодиффузионные цинковые покрытия позволяют защищать от коррозии детали из любых марок стали, в том числе высокопрочных, и чугуна без изменения свойств основного металла, детали сложной конфигурации с отверстиями, детали в сборе, сварные и резьбовые.

Проектирование автоматизированной линии для термодиффузионного цинкования позволит увеличить безопасность на объекте и существенно повысить производительность. Уход от ручного труда является одной из основных задач автоматизации. Главными критериями в данном случае являются производительность, безопасность труда и экономическая целесообразность.

В ходе данного проекта будет спроектирована система автоматизированного управления линией для термодиффузионного цинкования, позволяющая практически полностью уйти от ручного труда и существенно повысить производительность.

1. Обоснование автоматизации линии для термодиффузионного цинкования

1.1 Анализ технологического процесса термодиффузионного цинкования

Защита металлов от коррозии обеспечивает долговременное функционирование различных деталей, конструкций и сооружений. Около 10% выпускаемых годового выпуска стали и стальных изделий ежегодно теряют свои технические характеристики из-за коррозии, что оценивается десятками миллиардов долларов. Один из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии - покрытие цинком[1].

История термодиффузионной методики цинкования насчитывает более ста лет, однако, это опыт был незаслуженно забыт в угоду более прогрессивным в свое время видам антикоррозионной обработки металлов. Названный по фамилии своего английского изобретателя шерардизацией, метод термодиффузионного цинкования вернулся в широкое обращение немногим более двадцати лет назад.

Компанией «Дистек» разработан, запатентован и находит широкое применение новый экологически чистый технологический процесс термодиффузионного цинкования, предназначенный для надежной защиты от коррозии различных деталей из стали и чугуна, работающих на открытом воздухе, в промышленности и морской атмосфере и требующих толщины покрытия свыше 15 мкм.

Термодиффузионные цинковые покрытия позволяют защищать от коррозии детали из любых марок стали, в том числе высокопрочных, и чугуна без изменения свойств основного металла, детали сложной конфигурации с отверстиями, детали в сборе, сварные и резьбовые

Важной отличительной особенностью технологии является использование специальной насыщающей смеси, которая позволяет существенно снизить энергетические затраты и уровень запыленности на рабочем месте.

Кроме того, повышается стабильность параметров покрытия: толщина, однородность, шероховатость. Одновременно снижается расход насыщающих материалов, длительность подготовительных операций и операции отделения деталей от остатков смеси.

Для получения качественного антикоррозионного покрытия все технологические этапы имеют одинаково важное значение и являются равными составляющими технологического процесса. Следует отметить, что технология нанесения покрытия не делает исключения ни для одного вида деталей, которые по своим размерам, весу и конфигурации входят в технологический контейнер оборудования.

В результате нагревания, а температура в данном случае может колебаться от 290 до 450 градусов, парообразные атомы цинка становятся частью атомной решетки обрабатываемого металла, образуя в поверхностном слое железа сложную сплавную фазовую структуру. Параметры операции зависят в первую очередь от того, какая марка стали оцинковывается, а весь процесс происходит во вращающейся закрытой реторте, где находятся цинкуемые детали и куда подается цинкосодержащая порошковая смесь.

На протяжении всего процесса цинкования, контейнер находится во вращающемся состоянии и останавливается только перед непосредственной выемкой контейнера из печи.

После цинкования детали промываются для удаления с их поверхности остатков насыщающей смеси и затем пассивируются в фосфатном растворе. Фосфатирование существенно повышает коррозионную стойкость покрытия и улучшает его внешний вид. Возможен вариант фосфатирования при совмещении его с вибровыглаживанием. Такой вид обработки дает дополнительные повышение коррозионной стойкости и улучшение декоративных свойств. Необходимо отметить, что фосфатное пассивирование, в отличие от обычно применяемого хроматного, экологически безвредно, прежде всего потому, что исключает применение шестивалентного хрома.

При этом технология предусматривает оборотное движение растворов, что исключает вредные стоки.

К преимуществам процесса можно отнести:

1. высокий уровень стойкости антикоррозионного покрытия, который эквивалентен полутора тысячам часов выдержки в соляном тумане;

2. точное соответствие покрытия профилю обрабатываемой детали, вплоть до мелкой и точной резьбы, маркировки, тонкого рельефа;

3. твердость антикоррозионного слоя, превышающая другие способы оцинкования, в совокупности с прекрасной стойкостью к абразивному износу;

4. минимальное, практически нулевое попадание водорода в покрытие. Так называемая «водородная хрупкость» таковому покрытию не страшна;

5. невысокую температуру процесса, что позволяет обрабатывать пружины и прочие закаленные детали;

6. возможность использования данной технологии в процессе обработки пористых изделий, элементов уже собранных узлов и полученных по порошковой методике;

7. высокую степень адгезии во время последующего лакирования, покрытия резиной или пластиком;

8. минимальные затраты на предварительную подготовку, которая допускает даже небольшие пятна смазки, смазывающе-охлаждающей жидкости и местную коррозию;

9. возможность варьирования толщины цинкового покрытия от пяти до ста микрон, а при необходимости и больше;

10. отсутствие склеивания деталей. Это один из самых негативных моментов, имеющих место в горячем цинке и в гальванике;

11. отсутствие каких-либо наплывов цинка в местах углублений или соединений;

12. экологическая чистота процесса.

В силу своих преимуществ термодиффузионная методика цинкования используется при обработке метизов, труб, арматуры для электропроводящих линий и трубопроводов, ограждений дорог и мостов, деталей автомобильной и мебельной промышленности.

1.2 Характеристика узлов и агрегатов линии

В состав линии для термодиффузионного цинкования входят печи «Дистек-125», кран-штабелер мостовой электрический опорный, дозатор сыпучих продуктов, дозатор малогабаритных изделий, весы напольные. Компоновка оборудования представлена в графической части проекта.

Установка для термодиффузионного цинкования Дистек-125 предназначена для формирования в поверхностном слое изделий из черных металлов антикоррозийного цинк-железного покрытия в результате насыщения цинком поверхности деталей в порошковой среде[2].

Установка позволяет наносить антикоррозийное цинковое покрытие на мелкие и средние детали любой конфигурации из стали и чугуна. Покрытие в точности сохраняет рельеф обрабатываемой поверхности, что очень важно для деталей имеющих резьбу, пазы, шлицы и т.д.

Установка рассчитана для работы при температуре окружающего воздуха от 10°С до 35°С и относительной влажности до 80% при температуре 25°С. Основные технические данные приведены в таблице 1.1. Внешний вид показан на рисунке 1.1.

Таблица 1.1 - Основные технические данные установки Дистек-125

Диапазон рабочих температур,°С	200-450
Размер рабочего пространства, мм	4
Диаметр глубина	400 930
Масса загрузки, кг	160
Потребляемая мощность, кВт, не более	20
Габаритные размеры установки с подставкой (шир/выс/глуб), мм	1600/2500/1900
Масса установки, кг	500

Рисунок 1.1 - Внешний вид печи Дистек-125

Кран штабелёр - это средство для транспортировки грузов, оборудованное механизмом для подъёма, штабелирования (хранения и перевозки грузов с установкой их друг на друга) или перемещения интермодальных транспортных единиц (то есть грузов, приспособленных для перевозки различными видами транспорта). Непосредственно участвует в процессе загрузки и разгрузки печей.

Мостовой кран-штабелер представляет собой крановый мост, по которому перемещается грузовая тележка с закрепленной на ней поворотной вертикальной колонной по которой вертикально перемещается грузоподъемник, имеющий специальный захват груза.

Мостовой кран-штабелер перемещается по рельсовым крановым путям, установленным на конструкциях зданий.

Мостовые краны-штабелеры обслуживают большие площади складов, на которых размещены в несколько рядов стеллажи. Мостовые краны-штабелеры являются универсальными погрузочно-разгрузочными машинами и могут перерабатывать самые различные виды грузов, для чего наряду с вилочными захватами могут применяться различные специальные грузовые захваты, кантователи.

На заводе изготавливается широкая гамма опорных и подвесных кранов-штабелеров различной грузоподъёмности, высоты подъёма и длин пролёта моста. Мосты кранов с пролётом до 8 метров выпускаются из двутавровых балок. Краны с пролётом моста более 9 метров выпускаются с мостом в виде пространственной фермы.

Краны-штабелеры оснащены частоторегулируемыми приводами, что позволяет устанавливать любую скорость передвижения, плавный пуск и торможение, возможность идеального позиционирования, в качестве подъемного механизма используется таль, а не лебедка, электрооборудование оснащено ШР-разъемами, что упрощает процесс установки и монтажа.

Технические характеристики приведены в таблице 1.2. Внешний вид показан на рисунке 1.2.

Таблица 1.2 - Основные технические данные крана штабелера

Грузоподъемность, т	0,5
Пролет моста, м	16,5
Высота подъема груза, м	6
Скорость передвижения моста, м/с	0,25
Скорость подъема груза, м/с	0,13
Скорость передвижения тележки, м/с	0,09
Скорость поворота колонны, об/мин	9

Рисунок 1.2 - Внешний вид крана штабелера мостового



Дозатор шнековый порционный, модель ДШП. Дозатор шнековый используется для дозирования небольших порций сыпучих и плохосыпучих материалов в смеситель, другую емкость или на ленточный конвейер. Шнековый дозатор часто применяется в строительной или пищевой промышленности при выполнении небольших добавок в каждый замес[3].

В данном проекте порционный дозатор необходим для дозирования определенных порций цинкосодержащей смеси. Точность измерений влияет как на экономическую составляющую, так и на качество и глубину наносимого покрытия.

Установка:

Дозатор шнековый устанавливается на стойке над смесителем или отводящим конвейером. С каждым отвесом агрегат выполняет автоматическую подстройку для адаптации к меняющимся условиям и увеличения точности дозирования. Технические параметры дозатора приведены в таблице 1.3. Дозатор комплектуется терминалом Т-9. Технические параметры терминала приведены в таблице 1.4. Внешний вид показан на рисунке 1.3.

Таблица 1.3 - Основные технические данные дозатора ДШП

Вместительность стандартного бункера, л	200
Вес порции, кг	1 … 50
Цена проверочного деления, г	50 … 200
Класс точности по ГОСТ 10223-97	0,2
Максимальная погрешность, % от измеряемой массы	0,2
Рабочий температурный диапазон,°С	0 … +40

Таблица 1.4 - Основные технические данные терминала Т-9

Температурный диапазон,°С	-20…+40
Степень защиты от пыли и влаги	IP66
Материал корпуса	Металл (силумин)
Тип клавиатуры	Пленочная
Тип индикатора	Светодиодный
Высота цифр, мм	25
Напряжение питания, В	220
Работа от аккумулятора, ч (опция)	25
Габаритные размеры ДхШхВ, мм	200х70 х120
Масса/масса с аккумулятором, кг	3,0/3,8
Комплектация RS-485	+

Дозатор весовой серии АД-900 предназначен для дозирования щебня и песка заданными дозами с удельным весом до 1600 кг/м3 и влажностью до 7%. Щебень возможно дозировать двух и четырех фракций. Поэтому этот тип дозатора подходит для выполнения задач по дозированию балласта. Принцип действия дозатора основан на преобразовании силы веса дозируемого материала, находящегося в грузоприемном устройстве, с помощью тензометрических датчиков в электрический сигнал, пропорциональный массе груза.

Рисунок 1.3 - Внешний вид дозатора ДШП

Сигнал от тензодатчиков подается в электронный весоизмерительный прибор, который преобразует его в цифровой код и после преобразования результаты взвешивания передает на цифровое табло прибора. Подача материала в грузоприемное устройство дозатора осуществляется одним из питающих устройств. Дозатор весовой серии АД-900 дискретного действия, стационарный, тензометрический. Состоит из грузоприемного устройства, устройства питающего (две секторные заслонки), узлов встройки с тензодатчиками, рамы, электронного весоизмерительного прибора. Задание величины дозы производится программированием электронного весоизмерительного прибора с использованием его клавиатуры. Количество отвесов и пропущенный вес нарастающим итогом учитываются в памяти прибора. Текущий вес дозы и погрешность дозирования определяются на табло устройства преобразовательного. Информация о работе дозатора может передаваться в компьютер по интерфейсу RS-485. Основные технические данные дозатора АД-900 приведены в таблице 1.5. Внешний вид показан на рисунке 1.4.

Весы ВП 600 предназначены для взвешивания тележек и других грузов в любых, даже самых тяжелых условиях эксплуатации - в химической, военной, пищеперерабатывающей промышленности (в том числе в холодильниках и цехах термообработки), в сельском хозяйстве, на производстве, складах, вокзалах, в районах крайнего севера, на открытых площадках.

Подходят для использования в местах с большим грузооборотом. В данном случае весы отлично подходят для нормирования вес заготовок. Весы оснащены терминалом Т-9 со встроенным интерфейсом RS-485, что позволяет подключать оборудование к управляющим органам и вести мониторинг удаленно. Технические характеристики приведены в таблице 1.6. Внешний вид показан на рисунке 1.5.

Таблица 1.5 - Основные технические данные дозатора АД-900

Дозатор марки АД-900-	4Щ
Пределы дозирования, кг	30-400
Цикл дозирования, сек	60
Вместимость стандартного бункера, л	300
Электропитание электродвигателя	380В, 50Гц
Электропитание цепей управления	220В, 50Гц
Потребляемая мощность, кВА	0,1
Давление сжатого воздуха, МПа	0,5±0,1
Расход воздуха, м3/ч	0,4±0,04
Габариты, мм	1690х1720х2360
Масса, кг	630

Рисунок 1.4 - Дозатор АД-900. Внешний вид

Рисунок 1.5 - Весы ВП 600. Внешний вид

Таблица 1.6 - Основные технические характеристики весов ВП600

Параметры датчиков	Стандарт
Материал	Сталь с защитным покрытием (легированная сталь)
Класс пылевлагозащиты	IP67 (допускается кратковременное затопление)
Рабочий температурный диапазон,°С	от -20 до +65
Предел взвешивания	600 кг
Дискретность	до 300 кг-100 г., свыше-200 г.
Размер платформы, см	150х100



1.3 Анализ путей автоматизации линии для термодиффузионного цинкования

В базовой конфигурации линия для термодиффузионного цинкования предполагает ручную либо полуавтоматическую загрузку насыщающей смеси, балласта и заготовок. Такой способ управления приводит к появлению ошибок, вызванных так называемым «человеческим фактором», а также он малоэффективен из-за долгой настройки оборудования. Кроме этого, стоит также отметить небезопасные для рабочих условия труда, которые сопровождают процесс термодиффузионной обработки.

Автоматизация линии в части дозирования, загрузки и разгрузки устройств обеспечивает удаленное управление всеми используемыми агрегатами, а так же увеличивает производительность.

В данном проекте предлагается автоматизировать процесс загрузки и разгрузки посредством использования крана штабелера, дабы максимально исключить человеческий фактор из этих операций.

Так же предлагается автоматизировать дозирование насыщающей цинкосодержащей смеси, что бы увести рабочего из рабочей запыленной зоны и увеличить точность дозировки, что несомненно приводит к увеличению качества цинкового слоя, его глубины, и так же положительно влияет на экономические показатели.

1.4 Анализ компоновок линии для термодиффузионного цинкования

Компания Дистек предлагает несколько вариантов компоновок линии для термодиффузионного цинкования[4].

Первая включает в себя 1 печь, ванны для промывки и пассивирования и туннельную сушилку. Планировка линии показана на рисунке 1.6

Второй вариант компоновки включает в себя 3 печи «Дистек-125», ванны для пассивирования и промывки изделий и тоннельную сушилку. Планировка линии показана на рисунке 1.7. Третий вариант помимо прочего включает в себя вибратор для автоматизированного отделения остатков цинкового порошка и балласта от оцинкованных изделий.

Разрабатываемый вариант компоновки выгодно отличается от прочих автоматизированными процессами дозирования насыщающей смеси и процессами загрузки и разгрузки изделий.

Как можно видеть из планировок линий, процесс загрузки, разгрузки, дозирования насыщающей смеси должен выполняться вручную. Так же для мониторинга процесса оператор должен находиться непосредственно в рабочей зоне.

В данном дипломном проекте разрабатывается система управления позволяющая избежать этого.

Рисунок 1.6 Варианты планировки линии для термодиффузионного цинкования. Вариант 1



1) Печь Дистек 125,

2) Опрокидыватель,

3) Вибратор VM 200,

4) Тоннельная сушилка,

5) Короб готовой продукции,

6) Корзина технологическая,

7) Емкости для хранения пассивационного раствора.

Рисунок 1.7 Варианты планировки линии для термодиффузионного цинкования. Вариант 2

1.5 Функционально-стоимостной анализ базового варианта

Структурная модель (СМ) - это упорядоченное представление элементов объекта и отношений между ними, дающее представление о составе материальных составляющих объекта, их основных взаимосвязях и уровнях иерархии. Для построения СМ рекомендуется использовать методику логической цепочки (FAST) [5].

СМ базового варианта линии для термодиффузионного цинкования представлена на рисунке 1.8.



Рисунок 1.8 - Структурная модель базового варианта линии для термодиффузионного цинкования

Функциональная модель (ФМ) - это логико-графическое изображение состава и взаимосвязей функций объекта, получаемое с помощью их формулировки и установления порядка подчинения.

ФМ также должна строиться на основе техники систематизированного анализа функций (FAST).

При этом необходимо руководствоваться следующими правилами:

- линии критического пути ФМ должны соответствовать тем функциям, которые должны быть выполнены обязательно для реализации главной функции изделия;

- соответствие выделяемой функции как частным целям данной составляющей объекта, так и общим целям, ради которых создается объект;

- четкая определенность специфики действий, обуславливающих содержание выделяемой функции;

- соблюдение строгой согласованности целей и задач, определивших выделение данной функции, с действиями, составляющими ее содержание;

- функции верхнего уровня должны являться отражением целей для функций нижестоящего уровня;

- сигналом к завершению построения ФМ должна являться невозможность дальнейшей дифференциации функций без перехода от функций к предметной форме их исполнения.

ФМ базового варианта линии для термодиффузионного цинкования представлена на рисунке 1.9.

ФСМ объекта пригодна для выявления ненужных функций и элементов в объекте (бесполезных и вредных); определения функциональной достаточности и полезности материальных элементов объекта; распределения затрат по функциям; оценки качества исполнения функций; выявления дефектных функциональных зон в объекте; определения уровня функционально-структурной организации изделия. Построение ФСМ осуществляется путем суперпозиции ФМ и СМ объекта.

ФСМ базового варианта линии для термодиффузионного цинкования представлена в таблице 1.7.

Оценка значимости функции ведется последовательно по уровням ФМ (сверху вниз), начиная с первого. Для главной и второстепенной, т.е. для внешних функций объекта, при оценке их значимости исходным является распределение требований потребителей (показателей качества, параметров, свойств) по значимости (важности).

Рисунок 1.9 - Функциональная модель базового варианта линии для термодиффузионного цинкования

Нормирующим условием для функции является следующее:

(1)

где r_ij - значимость j^ой функции, принадлежащей данному i^ому уровню ФМ;

j=1,2,…, n; (2)

n - количество функций, расположенных на одном уровне ФМ и относящихся к общему узлу вышестоящего уровня.

Для внутренних функций определение значимости ведется, исходя из их роли в обеспечении функций вышестоящего уровня.

Учитывая многоступенчатую структуру ФМ, наряду с оценкой значимости функций по отношению к ближайшей вышестоящей, определяется показатель относительной важности функции любого i-го уровня R_ij по отношению к изделию в целом:

(3)

где G - количество уровней ФМ.

В случае если одна функция участвует одновременно в обеспечении нескольких функций верхнего уровня ФМ, ее значимость определяется для каждой из них отдельно, а относительная важность функции для объекта в целом рассчитывается как сумма значений R_ij по каждой ветви ФМ (от i^го уровня до первого), проходящей через эту функцию.

Обобщенный (комплексный) показатель качества варианта исполнения функций оценивается по формуле:

(4)

где _n - значимость n^го потребительского свойства;

P_nv - степень удовлетворения n^го свойства в v^ом варианте;

m - количество свойств.

Важным элементом качества исполнения функций является функциональная организованность изделий, которая определяется следующими показателями:

показатель актуализации функций, определяется коэффициентом актуализации:

(5)

где F_П - необходимые функции;

F_об - общее количество действительных функций;

показатель сосредоточения функций, определяется коэффициентом сосредоточения:

(6)

где F_осн - количество основных функций;

F_об - общее количество функций;

показатель совместимости функций, определяется коэффициентом совместимости:



(7)

где F_с - функции согласования;

F_об - общее количество функций.

показатель гибкости функций, определяется коэффициентом гибкости:

(8)

где F_р - количество потенциальных функций;

F_П - количество необходимых функций.

Учитывая формулы (5) - (8), выражение качества выполнения функций будет иметь вид:

(9)

Функционально необходимые затраты - минимально возможные затраты на реализацию комплекса функций объекта при соблюдении заданных требований потребителей (параметров качества) в условиях производства и применения (эксплуатации), организационно-технический уровень которых соответствует уровню сложности спроектированного объекта.

Абсолютная стоимость реализации функций S_абс определяется по формуле:

(10)



где S_изг - затраты, связанные с изготовлением (приобретением) материального носителя (-ей) функции. В состав этих затрат входят: затраты на проектирование, изготовление (модернизацию), пуско-наладочные работы, обучение персонала.

S_экспл - эксплуатационные затраты;

S_тр - затраты, связанные с трудоемкостью реализации функции;

S_эн - энергозатраты на реализацию функции;

S_проч - прочие затраты на реализацию функции (отвод земли, изыскания, плата за загрязнение и пр.).

Определение относительной стоимости реализации функций

Относительная стоимость реализации функций S_отнF определяется по формуле:

(11)

где S_абс - суммарная абсолютная стоимость функционирования объекта, определяется путем суммирования значений абсолютных стоимостей реализации функций.

S_абсFij - абсолютная стоимость реализации j^ой функции i^го уровня ФМ

Обозначения, принятые в таблице:

r - значимость функции;

R - относительная важность функции;

Q - качество исполнения функции;

S_абс - абсолютая стоимость реализации функции;

S_отн - относительная стоимость реализации функции.



Таблица 1.7 - Функционально-стоимостная модель базового варианта линии для термодиффузионного цинкования.

Индекс ф-ции	Наименование ф-ции	Материальный носитель ф-ции	r	R	Q	Sабс	Sотн
f1.1	Синхронизация управляющих сигналов	РКС	0.25	0.14	0.315	15000	0.075
f1.2	Запуск и остановка системы управления	кнопки	0.15	0.04	0.09	500	0.0125
f1.3	Контроль параметров	датчики	0.2	0.36	0.175	5000	0.263
f1.3.1	Контроль температуры	реле температуры	0.1	0.15	0.18	3000	0.08
f1.3.2	Контроль времени работы	реле времени	0.025	0.1	0.1	2500	0.094
f2.3.3	Контроль скорости вращения	Датчик вращения	0.075	0.11	0.08	1500	0.087
f2.1	Вращение\наклон печи	электродвигатели	0.15	0.23	0.17	8000	0.433
f2.2	Обеспечение рабочей температуры	нагреватель	0.25	0.31	0.26	5000	0.217
F1	Контроль параметров технологического процесса и реализация алгоритмов управления	F1= f1.1+f1.2+f1.3	0.6	0.54	0.58	20500	0.35
F2	Технологическое оборудование	F2=f2.1+f2.2	0.4	0.46	0.42	33500	0.65
	Sабс=1184000	Sотн=1

На основании данных таблицы 1.7 строим функционально-стоимостную диаграмму (ФСД) и диаграмму качества исполнения функций (КИФ) базового варианта линии для термодиффузионного цинкования. Они имеют целью выявления зон диспропорции, т.е. зон избыточной затратности реализации функции, а также определение зон функциональной недостаточности (низкого качества исполнения функций).

Диаграммы построены с учетом выявленных в базовом варианте зон диспропорций, т.е. избыточной затратности реализации функций, а так же определенных зон функциональной недостаточности (низкого качества исполнения функций).

Данные диаграммы представлены на листе 11 графической части проекта.

1.6 Разработка технического задания на проект

Проектируемая система управления предназначена для автоматизации процесса термодиффузионного цинкования. Управление включает в себя получение информации о ходе процесса при помощи датчиков, а так же генерирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы[6].

Основанием для разработки служит задание кафедры автоматизации производственных процессов Курганского государственного университета утвержденное приказом по университету, на разработку дипломного проекта на тему «Проект системы управления линией для термодиффузионного цинкования на основе печи «Дистек-125»».

Целью данного проекта является разработка системы управления линией для термодиффузионного цинкования, которая позволит повысить производительность труда, повысит безопасность и максимально исключит человеческий фактор.

Источниками разработки являются учебная, справочная и техническая документация, указанные в соответствующем разделе, а так же материалы затрагивающие данную тематику, полученные из сети Internet, специализированных журналов.

Работа линии осуществляется в автоматическом режиме. Контроллер синхронизирует работу исполнительных механизмов транспортной системы, дозаторов и печей и передает информацию на сенсорную панель оператора.

Система управления должна нормально функционировать в условиях умеренного климата. Все оборудование должно иметь соответствующее исполнение и соответствующую маркировку.

Система должна удовлетворять требованиям надежности компонентов, обеспечивать надежность связи между элементами системы.

Разработка дипломного проекта должна осуществляться в сроки, предусмотренные заданием на дипломное проектирование.

Разработку дипломного проекта можно разбить на этапы:

- выбор темы дипломного проекта;

- анализ базового варианта линии для термодиффузионного цинкования;

- разработка структурной схемы системы;

- выбор устройств управления;

- выбор технических решений и оборудования проектируемой системы;

- разработка электрической схемы соединений;

- разработка управляющей программы;

- экономический расчет;

- оформление листов графической части и сведение описаний в расчетно-пояснительную записку.



2. Проектирование, конструирование и моделирование технических средств

2.1 Системный анализ проектируемой системы управления

В базовом варианте процессы загрузки и разгрузки печей для термодиффузионного цинкование автоматизирован не был, то есть загрузка производилась вручную. Это является опасным трудом с точки зрения безопасности рабочих на производстве. Так же дозирование насыщающей смеси производилось вручную, что могло сказаться на качестве конечного продукта, и на безопасности рабочего.

В проектируемом варианте процесс дозирования насыщающей смеси и балластной добавки осуществляется специализированым оборудованием - дозаторами. Процесс загрузки, выгрузки изделий, перемещения тар осуществляется посредством штабелера. Управление этим оборудованием осуществляется программируемым логическим контроллером. Такой способ позволяет устранить человеческий фактор, приводящий к ошибкам, а также повысить производительность участка.

Регуляторы температуры, установленные в печах, устарели, их замена на более современный многоконтурный терморегулятор позволяет исключить ошибки настройки в подсистеме регулирования температуры и обеспечивает более оптимальный выход на заданную температуру без перерегулирования.

Эксплуатация выше указанного оборудование предполагает использование устройства управления, которое отсутствует в базовом варианте. Для этой цели предлагается использовать программируемый логический контроллер.

Реализация данных изменений позволит повысить эффективность работы линии термодиффузионной обработки, улучшить условия труда и освободит персонал от малоквалифицированного ручного труда. Кроме этого, значительно повышается безопасность труда, что также является немаловажным фактором.

2.2 Разработка декомпозиционной схемы системы управления линией для термодиффузионного цинкования

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итеративных последовательностях процедур анализа и синтеза.

Итеративный процесс «анализ - синтез» формирует создаваемый объект базируясь на философских диалектических категориях «часть и целое», характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом, затем переходит к анализу - расчленению целого на части и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого[7].

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как «свертка» поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе2.

Потребности и цели создания нового объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формируют общее представление об объекте. При отсутствии аналога создаваемому объекту его анализ на втором этапе осуществляется посредством декомпозиции (разделения) поставленных задач в пространстве, в основном, неметрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к функционированию и общему строению этого объекта. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой предлагается исходить из следующих двух положений.

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения или потребности объекта, определяются основные направления (свойства, признаки), формирующие концепцию его строения в виде множества относительно независимых структурных характеристик Хо, образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, принимается во внимание весьма важное обстоятельство, что проблема создания нового объекта не является полностью неизвестной. Для каждой области (свойства, признака) Xо первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив , выбираемых на основе анализа известных решений.

Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rn={Х}, в котором каждое решение представлено вектором xRn, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = {Х1, …, Хi, …, Хn} (12)

Геометрической интерпретацией Rn является его развертка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц



RB = n (n-1) /2 (13)

Построенная декомпозиционная схема является 12-мерным поисковым пространством R¹²={X}, в котором каждое решение представлено вектором XR¹², являющимся множеством из набора альтернатив X вида

(15)

Посчитаем количество N возможных вариантов решений:

(16)

На этом этапе анализа развертка 12-мерного поискового пространства больше представляет собой «заготовку», которая может более эффективно использоваться на этапе синтеза и решений, когда из N возможных вариантов выбирается наиболее эффективное решение, наилучшим образом отвечающее поставленной цели.

В таблице 2.1 приведена декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры автоматизированной линии термодиффузионной обработки на основе печи Дистек-125.

Заключительный этап выбора и принятия решений после проведения системного анализа задачи создания нового объекта путём её декомпозиции существенно облегчается, но остаётся ещё не простым из-за большого числа комбинаций, являющихся вариантами искомого решения. Задача синтеза состоит в том, чтобы в каждом из n блоков первого уровня X_о декомпозиционной схемы выбрать по одной из m альтернатив X_о^в, набор которых должен сформировать «наилучший» вариант решения.



Рисунок 2.1 - разверта 12-мерного поискового пространства

Развертка 12 - мерного поискового пространства для задачи проектирования автоматического комплекса горячей штамповки представлена ниже:

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m1 m 2 … m n (14)

где m₁ - количество альтернатив реализации первого признака.

Таблица 2.1 - Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры автоматизированной линии термодиффузионной обработки на основе печи Дистек-125

Xо	Первый уровень декомпозиции	Xов	Второй уровень декомпозиции
X1	Устройство управления	X11	На базе микроконтроллера
		X12	На базе ПЛК
		X13	На базе ЭВМ
X2	Метод управления	X21	Централизированное
		X22	Децентрализированное
		X23	Супервизорное
X3	Крышка печи	X31	Съемная вручную
		X32	Автоматическое открытие
		X33	Байонетный затвор
X4	Органы управления	X41	Свои для каждого узла
		X42	Общие с выбором задействованного узла
		X43	Общие для всех узлов
X5	Индикация времени работы и температуры печи	X51	Без индикации
		X52	Выборочно для каждого органа
		X53	Отдельно для каждого органа
X6	Загрузка\разгрузка изделий	X61	Ручная

Далее будет использован метод двухступенчатого ранжирования с присвоением оценок и при необходимости расчетом «весов» для выбираемых элементов, многократно апробированный при создании новых сложных объектов на уровне изобретений.

Предложенный метод предусматривает на первой ступени упорядочения выделение из n - блоков Х декомпозиционной схемы S - блоков, содержащих на уровне альтернатив Х наиболее важные характеристики, которые могут быть отражены в задании на создание объекта. Такие блоки Х обычно в количестве S= 2…4 несут S - целевых условий (по одному условию для каждого блока), представленных альтернативами, реализующими эти блоки.

Тогда остальные g - блоков (g = n - s) будут содержать на уровне альтернатив локальные решения типа условий - ограничения, а множество, формирующее вариант синтезируемого решения X, составят два подмножества Х_S и Х_G

X = {X_S, X_G}, x Rⁿ (17)



Набор условий X_S, выбираемых на второй ступени упорядочения, определяет некоторую S - мерную цель синтеза:

X_S = {X_Si}, i = 1…S; = 1… m (18)

Выбранные локальные целевые условия XSi, как правило, неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и поэтому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью некоторого параметра i, т.е.:

1 2 … S (19)

Значение оценочных параметров i устанавливается с соблюдением дополнительного условия, в качестве которого удобно использовать соотношение

1 + 2 + …+ S = 1 (20)

Для данного проекта набор целевых условий это:

- устройство управления : 1 = 0,25.

- органы управления : 2 = 0,4.

- загрузка\разгрузка изделий : 3 = 0,35.

Далее в соответствии с выражением (20) проверяем:

0,25 + 0,35 +0,4 = 1 (21)

В итоге трехмерная цель синтеза:



XS = {} (22)

Любой объект, процесс или проект нетехнической сферы деятельности человека характеризуется структурой и параметрами. Начальное представление о строении объекта несет его структура. С её формирования как облика проекта и начинается синтез. Проведя декомпозицию и выбрав в полученном поисковом пространстве Rn некоторую S - мерную цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать g - мерное «решение - ограничение». [4]

На основе метода ранжирования определяем условия ограничения:

X_G* = {X_Gj}, j = 1,…, g = n - s (23)

где XGj - альтернатива, реализующая j-й блок декомпозиционной схемы и удовлетворяющая всем S целевым условиям множества X_S ={X_Si}.

Если при выборе целевых условий X_Si можно было использовать исходные данные, то при выборе условий ограничения X_Gj такие возможности уменьшились.

Оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима. В этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно формировать паретовское множество альтернатив.

Итак, эффективное решение - ограничение X_G*, в отличие от X_G (23) определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив при «мягкой» конкуренции всех ранее выбранных целевых условий X_Gj. Для решения этой задачи предлагаются следующие шаги:

- Каждой альтернативе X_Gj в блоках X_Gj по каждому условию X_Si присваивается оценка _iG_j, например, по трехступенчатой шкале в виде кодов (оценок): «лучшая альтернатива (решение)» - код 1, «альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равнозначные» - код 2, «в блоке есть лучшая альтернатива» - код 3.

Каждой оценке в соответствие с её кодом присваивается численное значение по правилу:

Таблица 2.2 - соответствие кодов значениям _iG_j

Код	Значение iGj
1	iGj = i,
2	iGj = i / m,
3	iGj = 0,

где mi - количество альтернатив G_j в блоке _iG_j.

В каждом блоке X_Gj выбираются оценки _iG_j с наилучшими численными значениями и соответствующие им альтернативы X_Gj по принципу:

max _iG_j X_G1, …, max _iG_j X_Gg 1,…,S 1,…,S (24)

Формируется в виде множества X* эффективное решение - наилучший вариант.

Для нашего варианта условия ограничения:

(25)

Таблица 2.3 - Результаты присвоения весов оценкам при выборе условий-ограничений

XGj	XGjB	XS1=X12; л1=0,25	XS2=X42; л2=0,4	XS3=X63; л3=0,35
		л1GgB	л2GgB	л3GgB
XG1=X2	[X21]	0,25	0.13	0,12
	X22	0	0,13	0,12
	X23	0	0,13	0,12
XG2=X3	X31	0	0,13	0,12
	[X32]	0,25	0,13	0,12
XG2=X3 XG3=X5	X33	0	0,13	0,12
	X51	0,083	0	0,12

Теперь в каждом блоке выбираются оценки с наибольшими численными значениями и соответствующие им альтернативы. Полученные альтернативы формируют эффективное решение-ограничение.

Альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительна для остальных целей. Принцип оптимальности по Парето далее утверждает, что никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето - оптимальной. Лишь при таком (паретовском) выборе можно увеличить степень удовлетворения некоторых целей, не ущемляя при этом других целей. Таким образом, альтернатива паретовского множества обладает тем свойством, что дальнейшее увеличение степени предпочтения для достижения одних целевых условий возможно только за счет других. Проблема состоит в том чтобы выбрать наилучшие паретовские альтернативы во всех блоках g = n - S. И эта проблема всегда достаточна серьезна, однако сам подход, ведущий к общему выигрышу, уже является практически важным достижением в решении противоречивых интересов в любой сложной ситуации. К тому же можно утверждать, что оптимальность по Парето является категорией нравственной.

Оптимальный по Парето вариант формируется в виде множества:

X* = {X_Si, X_Gj*} (26)

В развернутом виде с указанием всех целевых условий XSi и условий - ограничений ХGj множество (26) запишется так:

X* = {X_Si,…, X_Ss, Х_G1,…, Х_Gg} (27)

Теперь можно сформировать в виде множества эффективное решение - наилучший оптимальный по Парето вариант структуры создаваемого объекта:

X={X₁², X₄², X₆³; X₂¹, X₃², X₅³, X₇⁴, X₈¹, X₉², X₁₀², X₁₁³, X₁₂³} (28)

В соответствии с декомпозиционной схемой и выбранными альтернативными решениями, дадим описание структуры:

Автоматизированная линия термодиффузионной обработки предназначена для:

- последовательной обработки малогабаритных изделий, управляемых оператором при помощи ПЛК;

Автоматизированный комплекс обеспечивает:

- автоматическую загрузку предварительной смеси изделий, балласта и цинкового порошка;

- контроль температуры и времени обработки;

- автоматическое открытие и закрытие крышки реторты;

- погрузку готовых изделий на стационарный накопитель;

- индикацию параметров системы на мониторе оператора;

- безопасность персонала, путём специализированных ограждений.

Общий вид линии для термодиффузионного цинкования приводится на 1 листе графической части.

2.3 Разработка структурной схемы системы управления

Под структурой системы управления понимается совокупность частей системы, на которые она может быть разделена по определённому признаку, а также пути передачи воздействий между ними.

В составе линии для термодиффузионного цинкования можно выделить следующее электрооборудование:

- привод вращения печи;

- привод наклона печи;

- привод автоматической крышки реторты;

- привод поперечного перемещения штабелера;

- привод продольного перемещения штабелера;

- привод вертикального перемещения захватного устройства штабелера;

- привод разворота штабелера;

- система управления линией;

- сенсорная панель оператора;

- дозаторы;

- весы напольные;

- датчики положения и состояния крана штабелера, заслонок печей, печей;

- магнитные пускатели;

- регулятор температуры в печах.

Питание электрических приводов осуществляется от трёхфазной сети. Датчики подключаются к блоку питания 24В.

Регулятор подключен к контроллеру посредством интерфейса RS-485. Также через этот интерфейс с ПЛК связаны дозаторы, сенсорная панель оператора и напольные весы.

Структура системы управления приведена в графической части проекта на листе 2.



2.4 Расчет и выбор основных технических средств системы управления

Выбор измерительных преобразователей

В данном проекте необходимо осуществлять контроль положения крана штабелера, высоту подьема, положение печей, наличие на платформах печей технологических корзин, разворот и положение схвата установленного на кране штабелере.

В качестве датчиков положения было принято использовать индуктивные бесконтактные выключатели.

Индуктивный датчик - бесконтактный датчик, предназначенный для контроля положения объектов из металла (к другим материалам не чувствителен).

Индуктивные датчики широко используются для решения задач АСУ ТП. Выполняются с нормально разомкнутым или нормально замкнутым контактом.

Принцип действия бесконтактного конечного выключателя (ВК) основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферро-магнитного или аморфного материала определенных размеров.

При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Триггер Шмитта преобразует аналоговый сигнал в логический.



Рисунок 2.2 - датчик ВБИ-М12-60С-1111-З. Внешний вид

ВБИ мари Сенсор выпускаются в латунных, никелированных или пластмассовых корпусах различной формы с расстоянием срабатывания от1 до 150 мм. Все производимые предприятием индуктивные бесконтактные выключатели имеют встроенную индикацию состояния выхода, которая позволяет при эксплуатации оперативно проверить срабатывание бесконтактного выключателя. В таблице 2.4 приведены основные технические характеристики датчика ВБИ-М12-60С-1111-З. Основные эксплуатационные характеристики показаны в таблице 2.5 [8].

Таблица 2.4 - Основные технические характеристики датчика ВБИ-М12-60С-1111-З

Принцип действия	Индуктивные бесконтактные выключатели
Исполнение	Типовое исполнение
Условия установки	Утапливаемое исполнение
Номинальное расстояние срабатывания (Sn), мм	2
Реальное расстояние срабатывания (Sr), мм	1,8 - 2,2
Используемое расстояние срабатывания (Su), мм	1,62 - 2,42
Гарантированный интервал срабатывания (Sa), мм	0 - 1,62
Способ подключения	Встроенный кабель со штуцером для крепления защиты кабеля. Длина по умолчанию 2 м. Наружный диаметр штуцера 9 мм.
Диаметр или максимальный размер активной поверхности, мм	12
Вид корпуса	Металлический цилиндр с резьбой



Таблица 2.5 - Основные эксплуатационные характеристики датчика ВБИ-М12-60С-1111-З

Температура окружающей среды для нормального исполнения, С	-45…+80 С
Температура окружающей среды для холодоустойчивого исполнения, С	-55…+80 С
Влажность окружающего воздуха, %	< 90% при +20 С
Стойкость к механическим ударам	a=75g, t=11 мс
Устойчивость к воздействию электромагнитных полей, В/м	3 В/м при 80-1000 МГц, ГОСТ Р 51317.4.3
Устойчивость к импульсным помехам, кВ	1 кВ, ГОСТ Р 51317.4.4
Устойчивость к электростатическим разрядам, кВ	4 кВ, ГОСТ Р 51317.4.2

Для регулирования температуры в печах предлагается использовать восьмиканальный измеритель-регулятор температуры ОВЕН ТРМ138. К восьми входам измерителя регулятора температуры ТРМ138 могут быть подключены датчики температуры разного типа в любой комбинации, что позволяет одновременно измерять и контролировать несколько различных физических величин.

Прибор имеет встроенный двунаправленный интерфейс RS-485 для передачи данных и приема и информации от компьютера и других приборов, оснащенных таким же интерфейсом связи.

Через этот интерфейс прибор может передавать текущее значение измеренных величин, принимать команды на изменение установок и состояния выходных устройств. Кроме того, при помощи специального программного обеспечения ОВЕН может быть изменена конфигурация прибора.

Основные технические характеристики приведены в таблице 2.6.



Таблица 2.6 - основные характеристики ОВЕН ТРМ138

Напряжение питания	90…245 В частотой 47…63 Гц
Количество универсальных входов	1…14
- тока	100 Ом ± 0,1% (при подключении внешнего резистора)
- напряжения	не менее 100 кОм
Предел допустимой основной погрешности измерения входного параметра	±0,25%
- при использовании термопары	±0,5%
Время опроса одного входа	не более 1 с
Напряжение питания активных датчиков	20…28 В постоянного тока
Максимально допустимый ток	150 мА
Количество выходных устройств	8
Тип интерфейса связи с ЭВМ	RS-485
Скорость передачи данных	2.4; 4.8; 9.6; 14.4; 19.6; 28.8; 38.4; 57.6; 115.2 кбит/с
Тип кабеля	экранированная витая пара
Тип и габаритные размеры корпуса	щитовой Щ4, 96?96?145 мм
Степень защиты корпуса	IP54 со стороны передней панели

Выбор программируемого контроллера

В качестве устройства управления в данном дипломном проекте выбран программируемый контроллер Овен ПЛК110. Данный контроллер был выбран после анализа рынка программируемых логических контроллеров, ПЛК110 имеет достаточно для выполнения задач автоматизации данного проекта функциональность при сравнительно низкой стоимости[9].

Контроллер ПЛК110 предназначен для создания систем автоматизированного управления технологическим оборудованием на производстве, в энергетике, на транспорте, в т.ч. железнодорожном, в различных областях промышленности, жилищно-коммунального и сельского хозяйства.