Проект АСУТП закачки и транспортирования концентрированной серной кислоты

В процессе закачки оператор (если включен ручной режим) и контроллер (если включен ручной режим) должен управлять клапаном подаче сжатого воздуха. Для этого можно использовать нормально замкнутый клапан с электромагнитным приводом. В этом случае необходимо будет подавать сигнал на катушку - соленоид, которая будет открывать клапан.

Сигнал с ультразвуковых датчиков - аналоговый, поэтому необходимо установка устройства аналогового ввода. Лучшим решением в данной ситуации представляется следующие: размещение сетевого блока аналоговых входов в непосредственной близости от датчиков. Данное решение позволит не удлинять провода, идущие от датчиков (стандартной длины проводов может не хватить) Место соединения проводов является слабым местом системы, кто же данный клеммник необходимо было бы размещать в отдельной распределительной коробке. В случае если мы воспользуемся сетевым блоком аналоговых входов, длина проводов даже уменьшится, что позволить сократить помехи.

К сигналам датчиков, характеризующих состояние объекта можно отнести следующие:

- сигнал верхнего уровня емкости хранения 1

- сигнал верхнего уровня емкости хранения 2

-аналоговый сигнал с ультразвукового датчика уровня, установленного в емкости 1

- аналоговый сигнал с ультразвукового датчика уровня, установленного в емкости 2

- сигнал с датчика, установленного в трубопроводе наполнения первой емкости хранения кислоты

- сигнал с датчика, установленного в трубопроводе наполнения первой емкости хранения кислоты

К управляющим сигналам относятся:

- сигнал открытия клапана подачи сжатого воздуха в цистерну

На пульте управления должны быть следующие элементы:

- переключатель режима ручной/автоматический

-пуск/стоповая запуска/остановки процесса закачки

- переключатель управления клапаном подачи сжатого воздуха в цистерну.

-сигнальная лампа «Емкость 1. Верхний уровень»

-сигнальная лампа «Емкость 2. Верхний уровень»

- сигнальная лампа «Закачка включена»

-устройство звукового оповещения

-сигнальная лампа «Авария»

-кнопка отключения тревоги.

-графический дисплей для отображения точного объема кислоты находящегося в емкостях хранения.

2.1.3 Разработка подсистемы передачи серной кислоты

Для нормальной работы ферментеров необходимо бесперебойное обеспечение их серной кислотой. В ферментеры кислота подается из буферной емкости. Передача кислоты со склада в здание основного производства происходит путем её вытеснения из транспортной емкости сжатым воздухом.

Для контроля уровня в буферной емкости необходима установка как минимум трех штыревых датчиков уровня. Нижний уровень буферной емкости - критическая ситуация, при этом ставится под угрозу своевременное обеспечение кислотой ферментеров, что может привести к гибели дрожжевых микроорганизмов. В связи с этим процесс передачи кислоты необходимо возобновлять, когда кислота достигнет среднего уровня, и прекращать, когда достигнет верхнего.

Уровень в транспортной емкости контролируется двумя датчиками уровня (верхний и нижний уровень). Для наполнения транспортной емкость необходимо произвести следующие операции: открыть клапан наполнения, открыть клапан сброса давления. Таким образом, кислота сможет беспрепятственно самотеком перетечь из емкости хранения в транспортную емкость. После того как транспортная емкость будет наполнена, необходимо закрыть клапан наполнения и клапан сброса давления, после этого можно отрывать клапан нагнетания давления в транспортную емкость. Под действием избыточного давления кислота начнет перемещаться в буферную емкость.

В автоматическом режиме контроллер, управляя клапанами, поддерживает необходимый уровень в буферной емкости. В ручном режиме оператор может выполнять переключение клапанов самостоятельно. Контроллер же в этом случае должен следить за действиями оператора, и давать аварийный сигнал в случае возникновения нештатной ситуации. Например, если оператор одновременно открыл клапан нагнетания давления и клапан сброса давления.

Для наполнения транспортной емкости и для нагнетания давления выбираем нормально закрытые клапан. Так как большую часть времени клапан сброса должен быть открыт, а закрыт только во время передачи кислоты, выбираем нормально открытый клапан.

Все вышеперечисленные клапаны оснащены пневмоприводом. Соответственно для каждого из них необходимо наличие пневмораспределителя. Привод пневмораспределителя - катушка соленоид. Все клапаны должны быть оснащены датчиками обратной связи, для контроля их положения и времени переключения.

К сигналам датчиков, характеризующих состояние объекта можно отнести следующие:

- датчик нижнего уровня буферной емкости

- датчик среднего уровня буферной емкости

- датчик верхнего уровня буферной емкости

- датчик нижнего уровня транспортной емкости

- датчик верхнего уровня транспортной емкости

-датчики положения клапана наполнения транспортной емкости

-датчики положения клапана нагнетания давления в транспортную емкость

-датчики положения клапана сброса давления из транспортной емкости

К управляющим сигналам относятся:

- сигнал открытия клапана наполнения транспортной емкости

-сигнал открытия клапана нагнетания давления в транспортную емкость

-сигнал открытия клапана сброса давления из транспортной емкости

На пульте управления должны быть следующие элементы:

- переключатель режима ручной/автоматический

-пуск/стоповая запуска/остановки процесса транспортирования

- переключатель управления клапаном наполнения транспортной емкости

-переключатель управления клапаном нагнетания давления в транспортную емкость

-переключатель управления клапаном сброса давления из транспортной емкости

-Сигнальная лампа «Транспортная емкость. Верхний уровень»

-Сигнальная лампа «Транспортная емкость. Нижний уровень»

-Сигнальная лампа «Буферная емкость. Верхний уровень»

-Сигнальная лампа «Буферная емкость. Средний уровень»

-Сигнальная лампа «Буферная емкость. Нижний уровень»

-Сигнальная лампа «Процесс транспортирования запущен»

-Сигнальная лампа положения клапана наполнения транспортной емкости

-Сигнальная лампа положения клапана нагнетания давления в транспортную емкость

-Сигнальная лампа положения клапана сброса давления из транспортной емкости

-устройство звукового оповещения

-сигнальная лампа «Авария»

-кнопка отключения тревоги.

На основании вышесказанного была разработана структурная схема, функциональная схема автоматизации (см. графическую часть), а так же разработаны пульты управления. Внешний вид пультов управления представлен в графической части.

Сигналы с штыревых датчиков уровня получаем следующим образом: на емкость подается «ноль» а затем снимется с замкнувшего датчика для преобразования «ноля» в электрический сигнал высокого уровня используются специальные преобразователи.

2.1.4 Выбор и описание выбранного оборудования

Промышленностью выпускается большое количество различных средств автоматизации, имеющие различную производительность, параметры работы, сервисные функции и т.д. Как правило, производительности данных устройств достаточно для решения широкого класса задач управления.

Однако при выборе оборудования основное внимание должно уделяться не только возможности его работы в условиях агрессивной среды склада серной, но и возможности решения поставленных задач.

В качестве системы управления процессами закачки и транспортирования серной кислоты будем использовать промышленные контроллеры серии CJ1M. Контроллеры данной серии представляет собой компактный контроллер с модульной структурой. Модульное построение данного контроллера позволяет устанавливать только те модули, которые необходимы для решения данной задачи управления.

Использование контроллерами серии CJ1M открытых промышленных протоколов позволяет подключать в общую локальную сеть и другие устройства (преобразователи частоты, регуляторы температуры, сетевые блоки ввода/вывода) и не требуют согласования сетевых протоколов между ними.

На основе структуры системы управления промышленный контроллер должен иметь следующие сигналы:

1) Дискретные входы

- опрос датчиков уровня в емкостях;

- опрос датчиков положения клапанов.

- опрос кнопок пульта управления

2) Дискретные выходы:

- управления клапанами;

- управление индикацией пульта управления

- управления звуковой сигнализацией.

Промышленный контроллер должен иметь в своём составе 29 дискретных входов и 8 дискретных выходов. Для ввода дискретной информации в контроллер будем использовать два блока 16 входных дискретных сигналов. Для выдачи контроллером дискретных управляющих воздействий на исполнительные механизмы будем использовать модуль дискретных выходов. В нашем случае не требуется высокой частоты коммутации выходных сигналов, поэтому выбираем блок релейных выходов. Это позволит также управлять катушками соленоидами без использования дополнительных реле.

Для взаимодействия контроллера с сетевыми блоками входов/выходов будем использовать специальный блок связи.

Разъём программирования, расположенный на модуле контроллера, имеет интерфейс RS-232 и не позволяет организовать передачу данных на большое расстояние. Для взаимодействия промышленных контроллеров между собой и с ЭВМ верхнего уровня или сенсорным терминалом был выбран промышленный интерфейс RS-485. Т.о. для связи контроллеров через сеть требуется преобразователь интерфейсов RS-485/RS-232, который должны устанавливаться рядом с контроллером.

Питание контроллера и всех датчиков осуществляется постоянным напряжением 24В. В качестве блока питания выбран компактный импульсный блок питания S8VS-06024.

Для организации второго шкафа управления, который находится в операторской необходима установка блоков сетевых входов/выходов. К блоку выходов планируется подключение кнопок пульта управления. Блок выходов будет отвечать за индикацию на пульте управления. Кроме пульта управления на лицевой панели шкафа находится сенсорный терминал. Связь контроллера и терминала осуществляется посредством промышленного интерфейса RS-485.

Как уже было сказано - ключевым элементом системы управления является контроллер фирмы OMRON СJ1M.

Контроллеры CJ1 предназначены для высокоскоростных задач, требующих высокой точности, надежности и многофункциональности. Широкий набор стандартных модулей ввода/вывода (8,16, 32 и 64 точки) и незаурядный набор специальных модулей (аналоговые, температурные, сетевые, модули позиционирования и мн. др) позволит наиболее оптимально решить задачи автоматизации, как локальных объектов, так и распределенных систем. CJ1 поддерживает наиболее распространенные сети и позволяет обрабатывать данные с панелей оператора, температурных контроллеров, частотных регуляторов и других устройств. При использовании Ethernet или ControllerLink можно передавать большие потоки информации на верхний уровень и в другие сети. Использование протокола MACRO позволит обеспечить связь с 32 устройствами на каждый порт. Наличие PC Card (флэш карты) обеспечивает хранение больших объемов информации любого типа и возможность удобной обработки записанных данных. Поддержка FINS протокола обеспечит прозрачную связь с узлами разного уровня, находящимися в многоуровневой сети.

Возможности:

-Компактный (высота 90 мм, глубина 65 мм)

-Высокоскоростной, 0,08 мкс - базовая инструкция

-Структурное программирование

-Время исполнения типовой программы -1мс

-До 1280 точек ввода/вывода

-Широкий набор модулей

-Ethernet: E-mail, FTP

-ControllerLink, DeviceNet, Compobus/S, Profibus DP

Модули контроллера, основные характеристики:

Модуль центрального процессора:

-Тип построения - модульный

-Макс. количество точек цифрового ввода/вывода - 320 - 2560

-Время выполнения (битовые команды) - 0,10 - 0,02 мкс

-Память программ - 10000 - 120000 шагов

-Память данных - 32000 - 256000 слов

Карта памяти CompactFlash - До 64 Мбайт

-Номинальное напряжение питания - 24B

-Потребляемая мощность - 25Вт

-Тип внутреннего ПО - многозадачная (до 32 задач), поддержка вычислений с плавающей запятой

-Рабочая температура окружающей среды - 0 до 50°C

-Среда программирования - CX ONE и CX Programmer

Модуль дискретных входов:

-Номинальное напряжение питания - 24B

-Количество входных сигналов на одном блоке - 16 входов

-Входной ток - 7мА

Модуль дискретных выходов:

-Номинальное напряжение питания - 24В/250B

-Количество выходных сигналов на одном блоке - 16 выходов

-Выходной ток - 2А

-тип - релейные выхода

Рисунок 2.2 - Модуль центрального процессора

Рисунок 2.3 - Модули дискретных выходов

Модуль аналоговых входов:

· Номинальное напряжение питания - 24B

· Количество входных сигналов на одном блоке - 8 входов

· Входной ток - 4-20мА

Модуль связи:

Связь между отдельными ПЛК или между ПЛК и вышестоящей информационной системой может быть организована по последовательному интерфейсу, по сети Ethernet или по простой и удобной сети Controller Link. Omron поддерживает две основные сети полевого уровня: DeviceNet и PROFIBUS-DP. Для высокоскоростного обмена данными ввода/вывода на полевом уровне компания Omron предлагает собственную сеть CompoBus/S, отличающуюся непревзойденной простотой монтажа и настройки. Используя сети на базе последовательного интерфейса или CAN, полностью открытые для конфигурирования, можно самостоятельно внедрять разнообразные внутрифирменные протоколы.

Рисунок 2.3 - Модуль связи

Блок сетевых выходных сигналов:

Протокол CompoBus/S - это разработка фирмы OMRON. Сеть представляет собой двух или четырех - проводную линию с ответвлениями и терминалами ввода/вывода. Время опроса 32 узлов происходит менее 0.5 сек. Compobus/S позволяет работать с аналоговыми синалами. Широкий набор терминалов позволяет построить распределенную систему управления локальными участками за минимальное время с максимальной эффективностью. Мастер модули Compobus/S имеются в ряду модулей всех типов контроллеров OMRON.

-скорость передачи данных до 750 кбод

-расстояние коммуникационного обмена до 500 м

-Время опроса узлов сети до 0.5 мс

-Широкий набор терминалов ввода/вывода

-Терминалы связи с датчиками

-Номинальное напряжение питания - 24B

-Количество выходных сигналов на одном блоке - 16 выходов

-Выходной ток - 0.5А

Блок питания

Система питания разделена на две части. Разделение обосновано различными требованиями по вольтажу. Часть оборудования требует по входу 220В, другая 24В В связи с этим схему введен дополнительный источник питания OMRON S8VS-06024 .

Многие факторы говорят в пользу выбора источника питания S82K вместо использования традиционных трансформаторных источников питания для установки в шкафах управления. Основными причинами этого являются небольшой вес, компактная конструкция и удобная установка. Кроме того, импульсные источники питания имеют стабильное выходное напряжение, на которое не влияют перепады входного напряжения и нагрузки. Источники питания S8VS-06024 имеют защиту от перегрузки, срабатывающую при максимальной нагрузке 105 % и от короткого замыкания.

Преимущества:

-Лёгкий источник питания в пластиковом корпусе

-Защита от перегрузки с автоматическим сбросом при снижении нагрузки

-Защита от короткого замыкания

-Высокий КПД (84 %)

-Рабочее напряжение 85...264 В переменного тока

Рисунок 2.4 - Источника питания

Для ввода и отображения информации был использован терминал фирмы OMRON NT-3S.

Рисунок 2.5 - Сенсорный терминал NT-3S

NT3S - это недорогой программируемый терминал с сенсорным дисплеем, с помощью которого вы можете снабдить свою производственную установку современным человеко-машинным интерфейсом. При своих небольших размерах NT3S поддерживает создание многоязычных экранов и оснащен двумя последовательными мультипротокольными портами.

-Порт RS422/485 - адаптер интерфейсов не требуется

-Возможность использования в проекте до 9 языков

-Функция "рецептов" и сигнализации тревог

-Подключается к большинству имеющихся на рынке ПЛК и инверторов

-Простое программное обеспечение, предоставляемое бесплатно

В состав системы питания входят автоматические выключатели ВА 47-29 фирмы IEK. Автоматические выключатели ВА 47-29 -- современное поколение аппаратов, предназначенных для защиты электрических цепей от перегрузок и токов короткого замыкания (сверхтоков), а также для осуществления оперативного управления участками электрических цепей. Выключатели выпускаются с защитными характеристиками B, С, D. Все изделия соответствуют ГОСТ Р 50345-99 и изготавливаются по ТУ 2000 АГИЕ.641.235.003.

Преимущества:

-Пластины из серебряного композита на подвижных и неподвижных контактах

-Насечки на контактных зажимах, исключающие перегрев и оплавление проводов в местах присоединения

-Широкий диапазон рабочих температур от -40° до +50°С

-Работают в любом положении относительно вертикали

-Варианты исполнения на девятнадцать номинальных токов и три защитные характеристики (В, С и D)

-Срок службы не менее 15 лет

Рисунок 2.6 -Автоматический выключатель ВА 47-29

Пневмооборудование.

Для управления пневмоклапанами были выбраны пневмораспределители MFH-3-1/4 фирмы FESTO.

Распределители серии Tiger Classic от Festo были проверены миллионы раз, прочны и надежны, даже и в неблагоприятных условиях эксплуатации. Это распределитель для множества приложений, имеющий обширные возможности.

-расходG1/4: 800 л/мин

-напряжения12 ... 48 В DC

24 ... 240 В AC/50 ... 60 Гц

Особенности

-прочные седельного типа для всех 3/2- и 5/2-распределителей

-соединение с трубной резьбой G1/8, G1/4, G1/2 и G3/4

-оптимальное время переключения благодаря запатентованным U-кольцу и сервоуправлению

-блочный монтаж для 2...6 мест распределителей с помощью полых винтов на монтажных P-планках или PRS-плитах

-различные уровни давления для отдельных распределителей с помощью полых винтов резьбовых соединений

-защита от взрыва

Рисунок 2.7 - Общий вид распределителя

Ультразвуковой датчик уровня

* Идеален для определения уровней заполнения жидкостей, сыпучих веществ, прозрачных сред ...

* Информация о расстоянии практически не зависит от свойств поверхности

* Аналоговый токовый выход, 1 коммутационный выход

* ПО для конфигурации датчиков и коммутационных/аналоговых выходов

* Возможность синхронизации до 10 устройств через вход SYNC

* Раздельная настройка начала и конца диапазона переключения (Q1) при помощи потенциометра и ПК

Технические характеристики:

Ультразвуковые характеристики VRTU...-1710-6000...

Рабочий радиус 600 ... 6000 мм

Ультразвуковая частота 80 кГц

Угол раствора 6 °

Разрешение > 1 мм

Абс. погрешность ± 1,5 % от конечного значения диап. измерения

Рисунок 2.8 - Ультразвуковой датчик уровня

Повторяемость ± 9 мм

Гистерезис 60 мм

Временные характеристики

Частота включения (мин.) 1 Гц

Время срабатывания (макс.) 400 мс

Задержка перед готовностью к работе 280 мс

Электрические характеристики

Рабочее напряжение U_B 20 ... 30 В DC(вкл. ± 10% остаточной пульсации)

Остат. пульсация ± 10 % от U_B

Ток холостого хода < 60 мА

Выходы транзистор PNP,

1 аналоговый выход

Выходной ток (PNP/аналоговый) 300 мА/4 ... 20 мА

Аналоговый выход R_L 0 ... 300 Ом

Характеристика возрастающая

Настройка диапазона включения потенциометр 270 °

Индикация

Желтый светодиод выход подключен

Желтый светодиод, мигающий ошибка настройки

Механические характеристики

Корпус металл/CuZn

Вес 380 г

Рабочие характеристики

Температура окр. среды (работа/хранение) 25 "С ... +70 "С/-40 °С ... +85 °С

Схема защиты ¹⁾ 1,2,3

Степень защиты VDE III

Степень защиты IP 65

Применимые стандарты IEC 60947-5-2

Место установки любое

1) 1 - защита от короткого замыкания и перегрузки, 2 - нет защиты от неверной полярности, 3 - индукционная защита и защита от разрыва провода

Запорная арматура

В данном проекте используются мембранные клапана с пневмоприводом. Так же есть расширение для установки блока концевых выключателей. При работе с концентрированной серной кислотой неприменимы шаровые краны, поэтому были выбраны мембранные клапана. Фирма FIP специализируется на производстве трубопроводов и запорной арматуры с высокой коррозийной стойкостью. Есть несколько серий: ПВХ, ХПВХ, ПП и др. Трубопровод - состоит из полимерного трубопровода из материала ХПВХ, стойкого к агрессивным средам.



Рисунок 2.9 - Нормально закрытый мембранный клапан

Рисунок 2.10 - Нормально открытый мембранный клапан

Рисунок 2.11 - Блок датчиков положения клапана

2.2 Информационное и программное обеспечение системы управления

2.2.1 Разработка алгоритмов закачки и транспортирования серной кислоты

Алгоритм закачки кислоты

Автоматический режим:

Процесс автоматической закачки серной кислоты из цистерны начинается при нажатии на кнопку “Пуск” на пульте управления, при этом на пульте загорается индикатор, сигнализирующий о включении процесса закачки серной кислоты, и индикатор, сигнализирующий о включении клапана нагнетания давления.

После подачи сжатого воздуха система управления ждёт сигнал появления серной кислоты в одном из трубопроводов. Если за контрольное время этого сигнала не поступает, то процесс закачки автоматически прекращается. При этом на пульте управления гаснет индикатор включении клапана нагнетания давления, начинает мигать индикатор включения процесса закачки и сигнализироваться аварийное состояние.

При появлении сигнала наличия серной кислоты в одном из трубопроводов система управления проверяет наличие сигнала верхнего уровня той ёмкости, в которую осуществляется закачка кислоты. При отсутствии сигнала с датчика верхнего уровня в ёмкости процесс закачки будет продолжаться до его отключения оператором или возникновении критической ошибки.

Отключение процесса закачки осуществляется нажатием на кнопку “Стоп” на пульте управления. При этом гаснет индикатор, сигнализирующий о включении процесса закачки. Сигнализация аварийного состояния не включается.

Аварийные состояния, при которых осуществляется аварийное отключение:

1. Появление сигнала верхнего уровня в ёмкости, в которую осуществляется закачка.

2. Появление сигнала о наличии серной кислоты в обоих трубопроводах.

3. Отсутствие сигнала о наличии кислоты в трубопроводе за контрольное время.

4. Переключение на ручной режим работы.

Примечание:

1. Пропадание сигнала о наличии серной кислоты в трубопроводе может возникнуть при опустошении цистерны, из которой осуществляется закачка. При этом через контрольное время оператору будет выдана ошибка наполнения ёмкости и процесс автоматически остановится.

2. Определение наличия кислоты в трубопроводах осуществляется 4 электродами. Не рекомендуется прикасаться к трубам передачи серной кислоты во время процесса закачки, это может привести к ложному срабатыванию датчика и возникновению аварийной ситуации.

При аварийном отключении на пульте управления гаснет индикатор включении клапана нагнетания давления, начинает мигать индикатор включения процесса закачки и сигнализироваться аварийное состояние.

Ручной режим:

В ручном режиме процессом закачки управляет оператор, ориентируясь на лампы индикации расположенные на пульте. Система управления контролирует действия оператора, и в случае неверного управления сигнализирует об ошибке, но не отключает сам процесс закачки.

Для запуска процесса закачки в ручном режиме необходимо:

1. Перевести переключатель режима работы в положение “Ручной”

2. Перевести переключатель нагнетание давления в цистерне в положение “ВКЛ”.

Для отключения процесса перевести переключатель нагнетание давления в цистерне в положение “ВЫКЛ”

Примечание: процесс закачки серной кислоты из цистерны осуществляется при давлении порядка 3..4 атм.

Процесс транспортировки кислоты:

Процесс транспортирования серной кислоты состоит из 3 этапов:

1. Наполнение транспортной ёмкости серной кислотой

2. Ожидание сигнала среднего уровня буферной ёмкости.

3. Передача серной кислоты из транспортной в буферную ёмкость.

Примечание: процесс передачи серной кислоты осуществляется при давлении порядка 3..4 атм.

Автоматический режим:

Процесс автоматического транспортирования серной кислоты начинается при нажатии на кнопку “Пуск” на пульте управления, при этом на пульте загорается индикатор, сигнализирующий о включении процесса транспортирования.

При включении процесса транспортирования проверяется сигнал верхнего уровня транспортной ёмкости, при его отсутствии запускается процесс наполнения. Наполнение транспортной ёмкости осуществляется перетеканием при выравнивании давлений транспортной и рабочей ёмкостями.

При запуске процесса наполнения открывается клапан наполнения транспортной ёмкости, о чём сигнализирует сигнальная лампа на пульте управления. При этом система управления контролирует время появления сигналов с датчика нижнего и верхнего уровней. При отсутствии этих сигналов за контрольное время происходит аварийное отключение процесса транспортирования и индикация аварийного состояния.

При наполнении транспортной ёмкости до верхнего уровня устанавливается флаг готовности транспортной ёмкости к передаче кислоты в буферную ёмкость, после чего система управления переходит в режим ожидания сигнала с датчика среднего уровня буферной ёмкости.

При отсутствии сигнала среднего уровня в буферной ёмкости и установленном флаге готовности к передаче запускается процесс передачи из транспортной в буферную ёмкость. Для осуществления процесса передачи производится закрытие клапана сброса давления и последующее открытие клапана нагнетания давления. Процесс открытия и закрытия клапанов сигнализируется на пульте управления соответствующими лампами. После открытия клапана нагнетания давления система управления контролирует сигналы с датчиков верхнего и нижнего уровня. Если они не изменяются в течение контрольного времени, происходит аварийное отключение процесса транспортирования.

При опорожнении транспортной ёмкости до нижнего уровня происходит включение таймера на вытеснение оставшейся в ёмкости серной кислоты, по истечении, которого процесс транспортирования считается завершённым.

При окончании процесса транспортирования происходит закрытие клапана нагнетания давления, после чего через время, задаваемое таймером, открывается клапан сброса давления. При полном открытии клапана сброса давления сбрасывается флаг готовности транспортной ёмкости к передаче, запускается процесс наполнения транспортной ёмкости. Цикл работы повторяется.

Отключение процесса транспортирования осуществляется нажатием на кнопку “Стоп” на пульте управления. При этом гаснет индикатор, сигнализирующий о включении процесса транспортирования. Сигнализация аварийного состояния не включается.

Аварийные состояния, при которых осуществляется аварийное отключение:

1. Клапан не переключился за контрольное время.

2. Переключение на ручной режим работы.

3. Отсутствие изменения сигналов с датчиков верхнего и нижнего уровней за контрольное время при наполнении и опорожнении ёмкости.

При аварийном отключении на пульте управления гаснут индикатор включения клапанов нагнетания давления, сброса давления, наполнения, начинает мигать индикатор включения процесса транспортирования и сигнализироваться аварийное состояние.

При появлении сигналов с датчиков верхнего или нижнего уровня транспортной ёмкости на пульте управления сигнализируется аварийная ситуация. Процесс транспортирования при этом автоматически не останавливается и не запускается.

Ручной режим:

В ручном режиме процессом транспортирования управляет оператор, ориентируясь на лампы индикации расположенные на пульте. Система управления контролирует действия оператора, и в случае неверного управления сигнализирует об ошибке, но не отключает сам процесс транспортирования.

Управление процессом транспортирования осуществляется тремя переключателями:

1. Наполнение транспортной ёмкости

2. Сброс давления в транспортной ёмкости

3. Нагнетание давления в транспортной ёмкости

Сигнализация аварийного состояния:

Для упрощения поиска неисправностей в системе управления предусмотрена функция архивирования ошибок. В памяти контроллера сохраняется последние 10 кодов ошибок.

При возникновении аварийной ситуации при работе оборудования склада на пульте управления начинает звучать прерывистый звуковой сигнал и мигать кнопка авария. Аварийное состояние будет сигнализироваться до его отключения. Отключение аварийной ситуации осуществляется кратковременным нажатием на кнопку “Авария”.

При возникновении нештатной ситуации также осуществляется отключение процесса закачки в емкость и процесса транспортирования кислоты, если это необходимо. При этом начинает мигать индикатор включения того процесса, который был автоматически отключен. Для повторного запуска процесса необходимо нажать на кнопку “Пуск” для отключения индикации - кнопку “Стоп”.

Блок схема программы управления представлена в графической части.

2.2.2 Разработка программы управления закачкой и транспортированием серной кислоты

В качестве устройства управления данном дипломном проекте выбран программируемый контроллер CJ1M-CPU11.

Программирование контроллера осуществляется на несколько модифицированном языке релейно-контактных схем, в основу которого кроме элементов релейно-контактных схем вводятся дополнительные функциональные блоки, позволяющие организовывать ветвление прикладной программы, и обмен данными по каналу связи. Также программирование может осуществляться на языке ассемблер, модифицированном для данного контроллера.

Программирование контроллера осуществляется в программной среде CX-Programmer. Это проблемно-ориентированное программное обеспечение позволяет упростить программирование путем разбиения проектов на модули, выполняющие циклические задачи и задачи прерывания.

Управляющая программа - это алгоритм управления, реализованный операторами одного из языков программирования.

Ассемблер контроллера серии CJ1M включает в себя 327 команд, разделённых в зависимости от назначения на 32 группы. Описание команд в технической документации на контроллер приводится на английском языке, поэтому в приложении к записке приводятся только те команды, которые используются для описания программы управления процессами закачки и транспортирования кислоты.

Входные и выходные сигналы имеют следующие адреса:

Модуль дискретных входов 1:

Транспортная емкость верхний уровеньCIO0000.00

Транспортная емкость нижний уровеньCIO0000.01

Емкость 1 верхний уровеньCIO0000.02

Емкость 2 верхний уровеньCIO0000.03

Буферная емкость верхний уровеньCIO0000.04

Буферная емкость средний уровеньCIO0000.05

Буферная емкость нижний уровень CIO0000.06

Клапан сброса давления закрытCIO0000.07

Клапан сброса давления открыт CIO0000.08

Клапан нагнетания давления закрыт CIO0000.09

Клапан нагнетания давления открытCIO0000.10

Клапан наполнения транспортной емкости закрытCIO0000.11

Клапан наполнения транспортной емкости открыт CIO0000.12

Сброс ошибкиCIO0000.13

Модуль дискретных входов 2 (пульт управления):

Включен автоматический режим CIO0001.00

Закачка. ПускCIO0001.01

Закачка. Стоп CIO0001.02

Транспортирование. ПускCIO0001.03

Транспортирование. СтопCIO0001.04

Нагнетание в цистерну (переключатель)CIO0001.06

Нагнетание в транспортную емкость (переключатель)CIO0001.07

Сброс давления (переключатель)CIO0001.08

Нагнетание в цистерну (переключатель)CIO0001.12

Нагнетание в цистерну (переключатель)CIO0001.13

Модуль дискретных выходов:

Нагнетание давления в цистернуCIO0002.00

Нагнетание давления в транспортную емкостьCIO0002.01

Сброс давления из транспортной емкостиCIO0002.02

Наполнение транспортной емкостиCIO0002.03

Лампа «Закачка включена»CIO0002.04

Лампа «Транспортирование включено»CIO0002.05

ЗуммерCIO0002.06

Лампа «Авария»CIO0002.07

Сетевой модуль дискретных входов:

Закачка из цистерны. СтопCIO2004.00

Транспортирование. СтопCIO2004.01

Сброс ошибкиCIO2004.02

Сетевой модуль дискретных выходов:

Лампа «Закачка из цистерны включена»CIO2000.00

Лампа «Транспортирование включено»CIO2000.01

Лампа «Автоматический режим включен»CIO2000.02

Лампа «Емкость 1. Верхний уровень»CIO2000.03

Лампа «Емкость 2. Верхний уровень»CIO2000.04

Лампа «Буферная емкость. Верхний уровень»CIO2000.05

Лампа «Буферная емкость. Нижний уровень»CIO2000.06

ЗуммерCIO2000.07

Лампа «Авария»CIO2000.08

Сетевой модуль аналоговых входов:

Датчик уровня 1Н0250

Датчик уровня 1Н0300

Фрагмент программы управления представлен в графической части проекта.

2.2.3 Разработка программы визуализации процесса закачки и транспортирования серной кислоты

Для решения задачи визуализации различных технологических процессов фирма “OMRON” поставляет программное обеспечение CX-Supervisor, которое представляет собой SCADA систему и позволяет достаточно быстро разрабатывать управляющую программу верхнего уровня.

Использование современных средств автоматизации и программного обеспечения одного производителя (фирмы “OMRON”) позволяет достаточно легко согласовывать эти компоненты системы управления между собой, не задумываясь об ох совместимости.

Программа CX-Supervisor представляет собой среду разработки программы верхнего уровня. Разработка управляющей программы включает в себя два этапа: на первом этапе создаются изображения линии, и картинки, изменение которых будет отображаться как анимация подвижных частей. Также на первом этапе наносятся объекты управления и отображения информации и создаются сообщения, которые будут выводиться оператору. На втором этапе создания программы верхнего уровня все объекты, отображаемые на экране, связываются с дискретными или аналоговыми входами/выходами контроллера управления складом серной кислоты. Связывание объектов осуществляется при помощи стандартных событий, которые уже написаны разработчиком SCADA системы.

Использование стандартных объектов позволяет организовать как дискетное управление объектом через различные кнопки и переключатели, так и аналоговое управление, например задание значения температуры или через перемещение ползунка регулятора. Также стандартные объекты позволяют выводить дискретную информацию в виде лампочек, или появляющихся картинок, и аналоговую - в виде гистограмм, графиков, или стрелочного прибора.

Программа CX-Supervisor позволяет также организовать страничную структуру программы верхнего уровня. Использование страничной структуры системы управления позволяет разделить выводимые на экране параметры.

Для склада серной кислоты можно предложить следующее деление на страницы:

- Страница визуализации процесса закачки

- Страница визуализации процесса транспортирования

- Страница журнала ошибок

Для процессов транспортирования и закачки серной кислоты не характерно регулирование большого числа параметров, поэтому разработанную программу визуализации следует рассматривать как дополнительную опцию. Кроме того разработанных устройств человеко-машинного интерфейса вполне хватает для получения полной информации о состоянии объекта и для управления объектом. В перспективе данная программа может быть встроена в общую систему участка/цеха/завода.

Программа визуализации представлена в графической части проекта.

3. Эксплуатационная документация

3.1 Инструкция по эксплуатации

Назначение

Склад предназначен для приёма, хранения и последующей передачи концентрированной серной кислоты (Н₂SO₄). На предприятие кислота поступает в ж/д емкости, закачка из которой производится в емкости хранения. В случае необходимости кислота поступает в транспортную и буферную емкости, откуда происходит раздача непосредственно потребителям. Данная система хранения и передачи кислоты может применяться на различных производствах, в том числе в пищевой и химической промышленности

Состав

Данный склад серной кислоты состоит из следующих основных элементов:

1)Две емкости объемом 40 м³

Эти емкости предназначены для длительного хранения кислоты. Непосредственно в них производится разгрузка кислоты из ж/д цистерны. Одна из емкостей исполняет роль основного хранилища кислоты, вторая является резервной.

2)Транспортная емкость 0,4 м³

Транспортная емкость предназначена для накопления и передачи определенного объема кислоты. Заполнение происходит путем перетекания кислоты из емкостей хранения. Для передачи кислоты в емкость нагнетается избыточное давление воздуха.

3) Буферная емкость.

Данная емкость располагается в непосредственной близости от потребителей, и в случае необходимости из неё производится раздача кислоты.

4) Система трубопроводов кислоты.

Данная система предназначена для транспортировки кислоты между всеми емкостями склада.

5) Запорная арматура

Предназначена для распределения потоков кислоты. Включает в себя запорные, трехходовые клапаны, с ручным и пневматическим приводом.

6) Пневматический трубопровод и распределители.

Пневматическая система обеспечивает нагнетание давления в емкостях, а также управление запорной арматурой с пневматическим приводом.

7) Датчики уровня

Благодаря датчикам уровня система управления получает информацию об уровне кислоты в емкостях.

8) Система управления

Предназначена непосредственно для управления складом. Включает в себя шкафы электроавтоматики, пульты управления, видеотерминал, электромагнитные катушки-соленоиды.

Режимы работы.

Процессы закачки и транспортирования кислоты имеют два режима работы - автоматический и ручной. Полуавтоматический режим не предусмотрен.

Закачка кислоты.

Перед запуском процесса закачки кислоты из цистерны необходимо провести комплекс подготовительных мероприятий:

1) Подсоединить рукав передачи серной кислоты к одному из трубопроводов, через который будет осуществляться процесс закачки кислоты в ёмкость.

2) Подсоединить рукав подачи сжатого воздуха в цистерну.

3) Проверить состояние запорной арматуры и при необходимости произвести его изменение.

Автоматический режим:

Для запуска процесса закачки в автоматическом режиме необходимо перевести переключатель режима в положение «Автомат» и нажать кнопку запуска процесса закачки.

Процесс будет продолжаться до тех пор пока кислота в наполняемой емкости не достигнет верхнего уровня, после чего процесс остановится. Останов процесса может быть вызван нештатной ситуацией (см. раздел Нештатные ситуации)

Для остановки процесса необходимо на жать на кнопку «Стоп»

Ручной режим:

Для запуска процесса закачки в ручном режиме необходимо перевести переключатель режима в положение «Ручной», и при помощи переключателя «Цистерна. Нагнетание давления» включить подачу сжатого воздуха в транспортную емкость. При достижении верхнего уровня наполняемой емкости, будет подан сигнал.

При необходимости закачки кислоты во вторую ёмкость провести следующие действия:

1) Остановить процесс закачки.

2) Произвести необходимые переключения трубопроводов и запорной арматуры

3) Запустить процесс закачки.

По окончании процесса закачки отключить трубопроводы и перекрыть запорную арматуру.

Примечание:

1) Пропадание сигнала о наличии серной кислоты в трубопроводе может возникнуть при опустошении цистерны, из которой осуществляется закачка. При этом через контрольное время оператору будет выдана ошибка наполнения ёмкости и процесс автоматически остановится.

2) Определение наличия кислоты в трубопроводах осуществляется 4 электродами. Не прикасайтесь к трубам передачи серной кислоты во время процесса закачки, это может привести к ложному срабатыванию датчика и возникновению аварийной ситуации.

При аварийном отключении на пульте управления гаснет индикатор включении клапана нагнетания давления, начинает мигать индикатор включения процесса закачки и сигнализироваться аварийное состояние.

Примечание: Не переключайте режим работы в процессе закачки. Это может привести к нештатной ситуации. Система управления выдаст ошибку.

Транспортирование кислоты

Перед запуском процесса транспортирования кислоты необходимо проверить состояние запорной арматуры и при необходимости произвести его изменение.

Процесс транспортирования серной кислоты состоит из 3 этапов:

1) Наполнение транспортной ёмкости серной кислотой

2) Ожидание сигнала среднего уровня буферной ёмкости.

3) Передача серной кислоты из транспортной в буферную ёмкость.

Автоматический режим:

Для запуска процесса транспортирования в автоматическом режиме необходимо перевести переключатель режима в положение «Автомат» и нажать кнопку запуска процесса транспортирования. После запуска контроллер будет автоматически поддерживать необходимый уровень в буферной емкости.

Для остановки процесса необходимо на жать на кнопку «Стоп»

Ручной режим

Для перевода процесса транспортирования в ручной режим необходимо перевести переключатель режима в положение «Ручной»

В ручном режиме процессом транспортирования управляет оператор, ориентируясь на лампы индикации расположенные на пульте. Система управления контролирует действия оператора, и в случае неверного управления сигнализирует об ошибке, но не отключает сам процесс транспортирования.

Управление процессом транспортирования осуществляется тремя переключателями:

1) Наполнение транспортной ёмкости

2) Сброс давления в транспортной ёмкости

3) Нагнетание давления в транспортной ёмкости

При наполнении транспортной емкости клапан сброс давления и клапан наполнения должны быть открыты, клапан нагнетания - закрыт. При передаче кислоты - наоборот.

Нештатные ситуации

Аварийные состояния, при которых осуществляется аварийное отключение:

1) Появление сигнала верхнего уровня в ёмкости, в которую осуществляется закачка.

2) Появление сигнала о наличии серной кислоты в обоих трубопроводах.

3) Отсутствие сигнала о наличии кислоты в трубопроводе за контрольное время.

4) Переключение на ручной режим работы.

5) Клапан не переключился за контрольное время.

6) Переключение на ручной режим работы.

7) Отсутствие изменения сигналов с датчиков верхнего и нижнего уровней за контрольное время при наполнении и опорожнении ёмкости.

При возникновении нештатной ситуации начинает мигать индикатор включения того процесса, который был автоматически отключен. Зумер подает звуковой сигнал. Для повторного запуска процесса необходимо нажать на кнопку “Пуск” для отключения индикации - кнопку “Стоп”.

Требования безопасности

Процесс хранения и передачи кислоты является очень опасным для здоровья человека и окружающей среды, т.к. кислота является очень агрессивной средой, кроме того, используется высокое давление воздуха, так же представляющее большую опасность. В связи с этим к работе допускаются люди прошедшие обязательный инструктаж по технике безопасности. После чего работник должен сделать соответствующую отметку в специальном журнале.

Техническое обслуживание

Концентрированная серная кислота является очень агрессивной средой, поэтому необходимо проводить осмотр всего оборудования, которое вступает в непосредственный контакт с кислотой (трубопроводная, запорная арматура, датчики уровня). Система управления в техническом обслуживании не нуждается. При необходимости ПЛК можно подключить к ПК для просмотра журнала ошибок.

3.2 Руководство программиста

Программирование контроллера осуществляется на несколько модифицированном языке релейно-контактных схем, в основу которого кроме элементов релейно-контактных схем вводятся дополнительные функциональные блоки, позволяющие организовывать ветвление прикладной программы, и обмен данными по каналу связи. Также программирование может осуществляться на языке ассемблер, модифицированном для данного контроллера.

Программирование контроллера осуществляется в программной среде CX-Programmer. Это проблемно-ориентированное программное обеспечение позволяет упростить программирование путем разбиения проектов на модули, выполняющие циклические задачи и задачи прерывания.

Данное окно (рисунок 3.1) открывается при запуске программы.



Рисунок 3.1 - Окно CX-Programmer

Рассмотрим процесс создания нового проекта. Для создания нового проекта необходимо нажать на кнопку "Новый" (New) (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Создание нового проекта

Откроется окно свойств проекта (рисунок 3.3). В поле Device Name находится имя, присвоенное вами устройству, можно ничего в нем не изменять. В поле Device Type необходимо выбрать контроллер, в нашем случае это CJ1M. Далее необходимо нажать на кнопку Settings возле поля Device Type. Откроется окно конфигурации модуля контроллера (рисунок 3.4).



Рисунок 3.3 - Свойства проекта

Рисунок 3.4 - Окно конфигурации модуля контроллера

В этом окне необходимо выбрать тип модуля контроллера (CPU Type). В нашем случае это CPU11. Больше ничего в этом окне изменять не нужно.

Далее в окне свойств проекта (рисунок 3.3) выбирается тип протокола связи с контроллером.

Далее ОК, что подтверждает создание нового проекта.

Необходимо отметить, что после создания нового проекта становится актуальным использование горячих клавиш, список которых приведен на специальной информационной панели (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Панель информации

Создание программы

Конфигурация модулей контроллера

1) Открыть закладку IO Table в CX-programmer (рисунок 3.6)

Рисунок 3.6. - Дерево проекта

2) Задать первый модуль контроллера, выбрав его из списка (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Выбор модуля

3) Задать конфигурацию остальных модулей.

Ввод нормально разомкнутого контакта

1) Нажать на клавиатуре (С) или выбрать на панели инструментов иконку (рисунок 3.8)



Рисунок 3.8 - Ввод НО контакта

2) Выбрать в поле программирования место для контакта и ввести в появившемся окне номер входа (рисунок 3.9)

Рисунок 3.9 - Ввод номера входа

3) Нажать Enter и ввести комментарии в появившемся окне (рисунок 3.10)

Рисунок 3.10 - Ввод комментария

4) Нажать Enter

Ввод нормально замкнутого контакта

Нажать на клавиатуре ( / ) или выбрать на панели инструментов иконку (рисунок 3.11)

Рисунок 3.11 - Ввод НЗ контакта

Повторить пункты по аналогии предыдущие пункты.

Ввод вертикальных и горизонтальных линий

Ввод линий производится при нажатии клавиши Ctrl и перемещении курсора. Так же можно выбрать соответствующую иконку на панели инструментов (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 - Ввод линий связи

Ввод выходных условий (катушек)

1) Нажать на клавиатуре (О) - включить выход или (Q) - выключить выход. Или выбрать на панели инструментов соответствующую иконку (рисунок 3.13)

Рисунок 3.13 - Ввод катушки

2) Указать место вставки.

3) В появившемся окне ввести номер выхода (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 - Ввод номера выхода

4) Нажать Enter и ввести комментарии (рисунок 3.15).

Рисунок 3.15 - Ввод комментария

5) Нажать Enter.

Ввод инструкций

1) Нажать на клавиатуре (I) или выбрать на панели инструментов соответствующую иконку (рисунок 3.16)

Рисунок 3.16 - Ввод инструкции

2) Выбрать место вставки.

3) Ввести параметры инструкции (рисунок 3.17)

Рисунок 3.17 - Окно ввода параметров инструкции

Для просмотра параметров и списка инструкций необходимо нажать Find Instruction после нажатия кнопки Detail (рисунок 3.18).

4) Нажать Enter.



Рисунок 3.18 - Выбор инструкции

Монитор памяти

Двойным кликом по разделу «Memory», который находится в дереве проекта, вызывается окно монитора памяти. В данном окне в табличном виде представлены все области памяти контроллера.

Слева представлено дерево памяти. Двойным кликом по соответствующему разделу памяти можно вызвать таблицу, в которой подробно представлено содержимое данной области памяти.

СIO - Область памяти входов-выходов

T - Таймеры

C - Счетчики

IR - Индексные регистры

DR - Регистры данных

D - Область оперативной памяти

Онлайн-режим работы и прошивка котроллера.

Для мониторинга и прошивки контроллера необходимо подключится к контроллеру, то есть перевести его в онлайн-режим. Для этого необходимо нажать кнопку «Work online» (Ctrl+W) (рисунок 3.19).



Рисунок 3.19 - Перевод контроллер в режим онлайн

После нажатия на кнопку «Work online» появится окно подтверждения перехода в онлайн-режим. Кроме того программа предложит сразу перейти в режим монитора.

Рисунок 3.20 - Панель управления прошивкой и режимами работы котроллера.

На панели управления прошивкой и режимами работы контроллера находятся кнопки, позволяющие:

-- Выгружать прошивку контроллера на ПК

-- Загружать программу в контроллер

-- Сравнить программу в контроллере с программой открытой в CX-Programmer

-- Вышеперечисленные действия только касательно отдельных задач

-- Переключать контроллер в режимы:

- Режим программирования

- Режим отладки

- Режим монитора

- Режим выполнения программы

После нажатия кнопки «Transfer to PLC», появится окно подтверждения перехода в режим программирования. В следующем окне необходимо выбрать компоненты, которые надо загрузить в ПЛК. После прошивки контроллера появится окно подтверждения перехода в режим монитора.

Журнал ошибок

Для просмотра журнала ошибок необходимо обратится к области памяти Н (энергонезависимая память). В ячейках памяти Н0и Н1 сохраняется код последней ошибки. Н2 - адрес текущего слова в массиве. Сам массив располагается в области памяти Н3 - Н203.

Таблица 3.1 Коды ошибок

№ ошибки	Бит	Причина возникновения
1	00	Превышено время ожидания сигнала с датчика закачки в емкость
2	01	Кислота в 2-х трубопроводах (сигнал с обоих датчиков кислоты в трубопроводе)
3	02	Верхний уровень в ёмкости 1
4	03	Верхний уровень в ёмкости 2
5	04	Произошло переключение режима закачки
6	05	Нет сигнала с датчика уровня
7	06	Превышено время наполнения до верхнего уровня
8	07	Превышено время наполнения до нижнего уровня
9	08	Превышено время опорожнения до верхнего уровня
10	09	Превышено время опорожнения до нижнего уровня
11	10	Превышено время ожидания переключения клапана наполнения (Возможно клапан неисправен)
12	11	Превышено время ожидания переключения клапана сброса давления (Возможно клапан неисправен)
13	12	Превышено время ожидания переключения клапана сброса давления (Возможно клапан неисправен)
14	13	Верхний уровень в буферной ёмкости
15	14	Нижний уровень в буферной ёмкости
16	15	Произошло переключение транспортирования.

4. Технологическое обеспечение производственного процесса

4.1 Разработка маршрутного технологического карты обработки детали «заглушка»

Деталь, технологическую обработку которой нужно провести, изображена на листе графической части дипломного проекта.

Для обработки детали достаточно использовать токарную и сверлильную операции, а так же стандартный набор инструментов и приспособлений. Имеется свободный отвод и подвод режущего и мерительного инструмента к обрабатываемым поверхностям.

При разработке технологического процесса следует руководствоваться следующими принципами:

· при обработке заготовок, полученных литьем, необработанные поверхности можно использовать в качестве баз для первой операции;

· при обработке у заготовок всех поверхностей в качестве технологических баз для первой операции целесообразно использовать поверхности с наименьшими припусками;

· в первую очередь следует обрабатывать те поверхности, которые являются базовыми в дальнейшей обработке;

· далее выполняют обработку тех поверхностей, при снятии стружки с которых в меньшей степени уменьшается жесткость детали;

· в начале технологического процесса следует осуществлять те операции, в которых велика вероятность получения брака из-за дефекта.

Технологический процесс записывается пооперационно, с перечислением всех переходов.