Автоматизированная система управления производством газовых счетчиков

Рисунок 4.11 - Широковещательная ретрансляция данных из управляющего контроллера объектам АСУ

4 двухканальный адресный повторитель состояния контактов (рисунок 4.9). Модем-координатор (входы "сухой контакт") адресно ретранслирует состояния контактов ведущего устройства (Master) всем объектам АСУ (1...32 Slave), включенным в рассылку (настраиваемый список маршрутизаторов в сети, которым ретранслируются состояния контактов). Ведомые объекты подключены к выходам "открытый коллектор" модемов-маршрутизаторов.

Рисунок 4.12 - Двухканальный адресный повторитель состояния контактов

4.8 Программная среда CODESYS

CodeSys - один самых развитых и полнофункциональных инструментов для программирования логических контроллеров на языках стандарта МЭК. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) - устройства, автоматизирующие работу промышленных и бытовых приборов или производственных комплексов. ПЛК на физическом уровне являются устройствами, имеющими несколько дискретных и аналоговых входов и выходов, тогда как логика их работы закладывается программно в микрокомпьютерном ядре.

Название CodeSys является сокращением от «Controller Development System». Программный комплекс производится и распространяется немецкой фирмой 3S-Smart Software Solutions.

Несколько сот производителей устройств выпускают устройства автоматики с поддержкой программного интерфейса CoDeSys.

Для программирования доступны все стандартные МЭК языки: IL (Instruction List) ? ассемблеро-подобный язык, ST (Structured Text) ? Pascal-подобный язык, LD (Ladder Diagram) ? язык релейных схем, FBD (Function Block Diagram) ? язык функциональных блоков, SFC (Sequential Function Chart) ? язык диаграмм состояний. Возможности зависят от контроллера, обычно это где-то 20, 50, 250 мс, 1, 2, 3, 4, 5 с. Естественно, это не гарантирует выполнение кода именно за такой промежуток времени, нельзя большие программы пихать в цикл 20 мс, к началу следующего цикла предыдущий должен быть завершён.

Языки программирования. По идее программируются ПЛК на языках, определённых стандартом МЭК61131:

1 IL (Instruction List) -- низкоуровневый ассемблероподобный язык.

Рисунок 4.13 - Внешний вид языка IL

2 LD (Ladder Diagram) -- графический язык, представляет собой программную реализацию электрических схем на базе электромагнитных реле. Придумано в лохматые года для тех асушников, которые больше электрики, чем программисты.

Рисунок 4.14 - Внешний вид языка LD

IL и LD легко конвертируются друг в друга, кажется, всеми средами программирования. Они не очень читабельны, и потому неудобны для разработки, но в ситуациях, когда внутренней памяти контролера немного, приходится писать на них.

3 ST (Structured Text) -- текстовый паскалеподобный язык. По-моему, из всех пяти самый удобный.

Рисунок 4.15 - Внешний вид языка ST

4 FBD (Function Block Diagram) -- своего рода графический язык, «блоксхемоподобный». Программа составляется из функциональных блоков, которые представляют собой подпрограммы, написанные на каком-либо из языков стандарта МЭК61131. У каждого ФБ есть входы и выходы, которые соединяются со входами и выходами других ФБ. Кому-то, возможно, удобнее делать так, чем писать всё на том же ST.

Рисунок 4.16 - Внешний вид языка FBD

5 SFC (Sequential Function Chart) -- графический высокоуровневый язык. Создан на базе математического аппарата сетей Петри. Описывает последовательность состояний и условий переходов.

Рисунок 4.17 - Внешний вид языка SFC

В качестве расширения стандарта МЭК в CoDeSys реализована поддержка объектно-ориентированного программирования, а также язык CFC (Continuous Function Chart), являющийся модифицированным.

Описание готового проекта хранится в одном единственном файле. Компилятор CoDeSys генерирует на основе проекта исполняемый машинный код, обеспечивая максимально возможное быстродействие прикладных программ. Поддерживаются различные процессоры известных марок. CoDeSys работает на всех 32х разрядных Windows. CoDeSys и контроллер взаимодействуют через промежуточное приложение Gateway-сервер. Он может работать как локально, так и удаленно через TCP/IP. Контроллеры подключаются к Gateway-серверу по протоколам RS232, TCP/IP или CAN.

Комплекс CoDeSys распространяется без лицензии и может быть установлен на нескольких рабочих местах.

Программный продукт CoDeSys широко применяется при программировании контроллеров, производимых различными фирмами. Среди наиболее известных:

1 контроллер «ОВЕН ПЛК 100»; группа предприятий «ВяткаСтройДеталь» в Кирове изготавливает и устанавливает оборудование для производства плит из пенопласта; первая автоматизированная блок-форма с пультом управления на базе ОВЕН ПЛК 100 установлена в г. Альметьевске в Татарстане; контроллер ОВЕН ПЛК100 установлен с 2 модулями расширения; программа для ПЛК была создана в CoDeSys на языках SFC и CFC; контроллер осуществляет анализ входных сигналов от различных датчиков, затем формирует выходной сигнал на управление пневмораспределителями и магнитными пускателями; визуализацию и человеко-машинный интерфейс обеспечивает панель «ОВЕН ИП320»;

2 модульный ПЛК Moeller XC100-FC; Enercon GmbH, крупнейший в Германии производитель ветряных электростанций, в системе управления генераторов использует ПЛК XC100-FC, программируемый в среде CoDeSys; ПЛК XC100-FC контролирует параметры сети и состояние аккумуляторов источника резервного питания, управляет процессом кондиционирования воздуха, включая нагрев и охлаждение, контролирует работу световых сигналов;

3 мобильный ПЛК SMA «Enduro»; установлен в контейнерных кранах Liebherr, управляет движением стрелы крана и консоли с кабиной оператора; одновременно управляет приводами и электроавтоматикой;

4 контроллер Berghof Dialog Controller DC1005; для транспортировки при покраске кузовов автомобилей компания EISENMANN разработала программируемые челноки «Vario-Shuttle», позволяющие задавать оптимальные траектории входа и выхода кузовов из ванн, а также решать проблему образования пузырьков и подтеков на поверхностях при нанесении грунта; каждый челнок программируется индивидуально; для диагностики и подстройки каждый челнок оснащен дисплеем, интегрированным с управляющим контроллером; все действия запрограммированы при помощи инструмента CoDeSys;

5 система Wago I/O; поддерживает все стандартные типы полевых шин; система включает базовый контроллер и набор модулей ввода-вывода; дискретные модули ввода-вывода работают с сигналами от 5 до 250 В и могут иметь функцию диагностики; аналоговые модули поддерживают все стандартные виды сигналов: 0(4) -20мА, 0-10В, ±10В, термопары, термометры сопротивления.

Также видоизмененный CoDeSys, известный под названием GX9100 и FX Builder, используется для программирования логики контроллеров Johnson Ctrls, соответственно, семейств DX и FX. Языком программирования является видоизмененный FBD.[ http://armo-training.ru/courses/cds-201.html]



Рисунок 4.1 - Программируемый логический контроллер

Логика работы ПЛК110 определяется потребителем в процессе программирования контроллера. Программирование осуществляется с помощью программного обеспечения CODESYS При этом поддерживаются все языки программирования, указанные в МЭК 61131-3.

Контроллер ПЛК110 в нашем случае использован как:

1 специализированное устройство управления выделенным локализованным объектом;

2 устройство мониторинга локализованного объекта в составе комплексной информационной сети;

3 специализированное устройство управления и мониторинга группой локализованных объектов в составе комплексной информационной сети.



5. Разработка электрической принципиальной схемы блока управления

логический контроллер счетчик блок

На основе функциональной схемы автоматизированной системы управления производством газовых счетчиков разрабатываем электрическую принципиальную схему блока управления главного щита управления.

К главному щиту управления подключены исполнительные силовые щиты, и от него происходит управление всеми основными процессами системы автоматизированной системы управления производством газовых счетчиков.

Питание схемы происходит из сети 220В через G1 и G2 блоки питания БП60Б-Д4-24 и БП04-Д2-24. Напрямую от сети 220В питается АА10 ПЛК 110-220-30.P и АА20 ТРМ210. QF1 и QF2- автоматы защиты.

АА1 Модуль скоростного ввода аналоговых сигналов МВ110-24-8АС питается от блока питания G1. К входам АА1 подключены датчики температуры АА2-АА5 с выходным сигналом 4…20mА и поплавковые датчики уровня жидкости АА6-АА9 так же с выходным сигналом 4…20mА. Через выходы RS-485 соединён с общей сетью и передаёт сигналы с датчиков в сеть RS-485.

AA11 автоматический преобразователь интерфейсов АС4, на вход приходят сигналы из сети RS-485 преобразовывает в сигнал передаваемый по USB, и передаёт их к персональному компьютеру АА12, а также в обратном порядке.

АА13 модуль аналогового вывода МУ110-224.6У. Питается от блока питания G1. На схеме производит подключение клапана с электромеханическими приводами. АА14-АА19 электроприводы для регулирующих шаровых клапанов так же питаются от блока питания G1. AA13 на выходах подключен к ПК и ПЛК через сеть RS-485.

АА20 измеритель ПИД-регулятор для управления задвижками и трёхходовыми клапанами (терморегулятор) ТРМ210. Питается на прямую от сети 220В, имеет выходы RS-485 которыми подключен к сети. АА20 на входах подключен к датчикам температуры АА21, АА22 с выходным сигналом 4…20 mA, которые питаются от блока питания G2. На выходе подключен к АА23 электроприводу открытия/закрытия шаровых клапанов, и регулируется с подключением силовых семисторов VS1, VS2/

И главный элемент управления АА10 программируемый логический контроллер с 30-ью дискретными выходами/входами (МДВВ) выполняющий функции микроконтроллера, связан со всеми модулями по сети RS-485. Имеет 2 пары выходов RS-485 (А/В) с которыми связан с ПК и всеми модулями системы. Происходит принятие данных с компьютера, их обработка и выдача управляющих сигналов к модулям.



6. Разработка алгоритма работы системы

6.1 Разработка алгоритма работы производством газовых счетчиков

Алгоритм работы САУ производством газовых счетчиков построен по технологическому процессу всего производственного процесса при выполнении всех операций. Процесс в автоматическом режиме будет запущен только при исправности и работе всех этапов комплекса - работы конвейера, тоннеля подготовки поверхности, печи сушки, печи полимеризации.

Начало алгоритма происходит с включения питания всего комплекса. Включением всех этапов, загрузкой и функционирования панели оператора. Все данные о работоспособности загружаются на панель оператора где выводятся все запросы (на схеме изображены ромбами). К этим запросом можно возвращаться из панели оператора и регулировать тот или иной процесс. Конец алгоритма осуществлён после полного функционирования комплекса.

Первым этапом производится запрос на запуск асинхронного двигателя конвейера, пока конвейер не будет запущен, работа не начнётся. После запуска конвейера включается смазка его направляющих, для плавной работы механических составляющих. Далее следует запрос об изменении скорости. Если необходимо изменить скорость (да) то произойдёт переход на следующий запрос «увеличение скорости?». Если необходимо повысить скорость (да) - то подаётся высокий уровень сигнала на дискретный выход 1 ПЛК, если необходимо понизить скорость то на запрос «увеличение скорости?» приходит (нет) - то подаётся высокий уровень сигнала на дискретный выход 2 ПЛК. Происходит переход к запросу «заданная скорость установлена?» и пока не будет на него ответа (да) возвращаемся к циклу запроса об увеличении/уменьшению скорости. Таким образом происходит регулировка скорости движения конвейера. После установки скорости на конвейере переходим ко второму этапу.

Второй этап начинается с «Пуска прессов». После запуска происходит включение прессов и запуск механизма ультразвуковой сварки. В зависимости от того какой газовый счётчик будет изготавливаться, будет происходить определённый подбор координат сварки. После этого цикла происходит переход к третьему этапу

Третий этап начинается с запроса на «Нанести герметик?». После подтверждения запуска (да) герметик подается на боковые панели распределительного блока. Затем включается камера сушки, происходят внутрисистемные запросы на регулирование температуры. Запрос «Температура соответствует заданной?» если (да), то поддерживать данный температурный режим и переходить к следующему этапу. Если на запрос приходит ответ (нет), то происходят следующие процессы «увеличение температуры» либо «запуск вентиляторов охлаждения», до тех пор, пока температура не будет соответствовать заданной и тогда при её поддержании переход к четвертому этапу.

Четвёртый начинается с «Стадии крепления корпусов». Производится крепление крышки к корпусу с помощью давления и высокой температуры по шву, так же крепится счетный механизм.

Последний этап -- это контроль герметичности. Газовый счетчик погружают в камеру с жидкостью и с помощью датчиков контроля идет проверка герметичности, на запрос «герметичность счётчика в норме» идет принятие решения куда он пойдет на сбыт или в брак.

Система полностью готова к технологическому процессу.



Рисунок 6.1 - Алгоритм работы автоматизированной системой производством газовых счетчиков

6.2 Описание основных функциональных алгоритмов в системе

Помимо алгоритма всего комплекса в общем, мы подробно рассмотрим алгоритмы управления отдельными единицами, которые также построены на главном щите (ГЩУ) управления, который управляет всеми этапами. Это алгоритмы для работы оператора ПУ по запуску и остановке системы.

6.2.1 Алгоритм запуска системы

Оператор для включения линии поворачивает ручку рубильника питания в положение ВКЛ. зажигается лампочка «сеть», что свидетельствует о наличии питания на вводе щита управления линией. Далее оператор на панели термоконтроллера устанавливает необходимую температуру в камере, нажимает кнопку «Пуск» камеры. Запускаются вентиляторы перемешивания, вентилятор воздушной завесы и выброса. При необходимости вентилятор выброса оператор может принудительно выключить и включить в необходимые моменты работы линии. При отсутствии сигналов аварии оператор поворачивает тумблер «Нагрев» в положение «включен» тем самым включая в работу теплонагреватели.

6.2.2 Алгоритм автоматического старта камеры для предварительного нагрева в начале смены

По желанию оператор может выбрать режим автоматического запуска камеры в соответствии с режимом заданным в недельном таймере, переведя камеру из режима ручного пуска в режим автоматического пуска. В этом режиме камера в выбранное оператором время запустит вентиляцию и включит нагрев теплонагревателей. Для каждого дня недели время можно указывать индивидуально.

При штатном включении нагрева на панели щита загорается лампа «Нагрев камеры», при любых аварийных или нештатных ситуациях, сигнал авария идущий с выходов нагревателей, отображается на панели щита, и включается аварийная сирена. При достижении заданной на терморегуляторе температуры нагреватели начинают по сигналам терморегулятора снижать/увеличивать мощность, тем самым удерживая температуру в заданном значении. По окончании работы оператор поворачивает тумблер «Нагрев» в положение «Выключен» тем самым выключая нагреватели. Нажав кнопку «Стоп» оператор может принудительно выключить вентиляторы камеры.

6.2.3 Алгоритм автоматического остановки системы по завершении рабочей смены

При необходимости автоматического завершения работы системы оператор может нажать кнопку «Автоматический стоп», что позволит в автоматическом режиме отключить нагрев камер, отключить пресса и отключить режим нанесения герметика , отключить движение конвейера после достижения последнего изделия зоны выгрузки.



6.2.4 Алгоритм управления движением и смазкой механизированного конвейера

Для запуска работы конвейера оператор нажимает на кнопку «Питание привода конвейера» «Включить» тем самым запитывая цепи управления движением и работой механизированного конвейера. Для включения движения механизированного конвейера оператор нажимает соответственно для пуска в прямом направлении «Пуск прямо» для пуска в обратном направлении «Пуск реверс», для остановки движения цепи конвейера «Стоп». Для регулирования скорости цепи конвейера оператор поворачивает рукоятку регулировки скорости движения цепи конвейера, расположенную под экраном оператора, по часовой стрелке, для увеличения скорости движения цепи и против часовой стрелки для уменьшения скорости движения цепи. Индикация скорости конвейера отображается на панели оператора в м/мин. Для включения или отключения станции смазки цепи конвейера оператор поворачивает тумблер «Станция смазки» в положение «Вкл» или «Выкл». При отсутствии масла в резервуаре станции смазки на панели щита загорается сигнальная лампа «Нет масла».



7. Технико-экономическое обоснование автоматизированной системы управления производством газовых счетчиков

7.1 Характеристика автоматизированной системы управления производством газовых счетчиков

За последние годы широкое распространение получили ультразвуковые газовые счетчики

Работа ультразвукового расходомера, основанного на частотно-импульсном методе, аналогична работе частотного расходомера действие, которого основано на методе ядерного магнитного резонанса. Каждый излучатель посылает импульс ультразвуковых колебаний в момент прихода предыдущего импульса на соответствующий приемник. Преимуществом частотно-импульсных расходомеров является независимость результатов измерений от скорости распространения ультразвука, если оба канала имеют одинаковые базы Автоматизированная система управления производством ультразвуковых газовых счетчиков производится на «ММЗ им. С.И. Вавилова - управляющая компания холдинга «БелОМО». Оно занимало лидирующее положение в оптической отрасли СССР и решало задачи по созданию и производству изделий специального назначения и гражданской тематики в том числе газовых счетчиков и прицелов.

Высокая производительность, и автоматизация управления обусловили широкое применение счетчиков газа в народном хозяйсте

При решении задачи рационального выбора типа производства, обеспечивающего наибольший технический и экономический эффект, необходимо учитывать следующие факторы: свойства, цену, качество легкость применения

Промышленная автоматизация уменьшает численность обслуживающего персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и повышает безопасность производства. Выполнять свою работу настолько качественно, как промышленная автоматика, человек вряд ли смог бы физически.

Автоматизация незаменима там, где имеются сложный технологический процесс, утомляемость рабочих, опасность для рабочих, повышенное давление и температура.

Высокий уровень производительности достигается благодаря тому, что в производстве сегодня используются технические средства автоматизации. Они обеспечивают автоматическое получение, передачу, преобразование, сравнение и использование информации в целях контроля и управления производственными процессами.

7.2 Расчет затрат на проектирование автоматизированной системы управления

Для определения капитальных вложений необходимо рассчитать себестоимость и отпускную цену нового изделия.

Расчет затраты на заработную плату представлен в таблице 7.1.

Месячная тарифная ставка I разряда установлена в размере 42 руб.

Таблица 7.1 - Расчет основной заработной платы исполнителей [19]

Исполнитель	Количество исполнителей	Трудоемкость, дни.	ЗП в день, руб.	ЗП за рабочие дни, руб.
1. Ведущий инженер	1	21	60	1260
2. Инженер-конструктор	1	21	50	1050
3. Техник-проектировщик	1	21	40	840
Всего, основная заработная плата	3150

Расчет затрат проектной документации представлен в таблице 7.2.



Таблица 7.2 - Расчет затрат на разработку проектной документации [19]

Наименование статьи затрат	Условное обозначение	Значение, руб.	Примечание
1. Основная заработная плата научно-технического персонала	Зо	3150	См. таблицу 7.1
2 Дополнительная зарплата	Зд	315	, Нд=10%
3. Отчисления на социальные нужды и обязательное страхование	Рсоц	1198.9	, НСОЦ - ставка отчислений в фонд социальной защиты и обязательное страхование, 34,6%
Итого затраты на разработку проектной документации	Сп	4663.9

7.3 Расчет затрат авторизированной системы управления

В эту статью включаются затраты на приобретение необходимых для производства продукции готовых покупных комплектующих изделий (радиоэлементы, микросхемы и пр.).

Затраты на оборудование представлены в таблице 7.3.

Таблица 7.3 - Расчет затрат на оборудование [19]

№	Наименование оборудования	Общая стоимость, руб.
1	Контроллер	633.7
2	Вспомогательные приборы	723.9
3	Датчики	60.7
	Итого с учетом транспортно-заготовительных затрат	1418.3

Затраты на материалы представлены в таблице 7.4.



Таблица 7.4 - Расчет затрат на материалы [19]

№	Наименование материалов	Общая стоимость, руб.
1	Крепежные элементы	11
2	Материалы для теплоизоляции	260
3	Расходные материалы для монтажа	95
	Итого с транспортно-заготовительными расходами	366

Расчет заработной платы на монтаж автоматизированной системы управления представлен в таблице 7.5.

Таблица 7.5 - Расчет основной заработной платы исполнителей [19]

Исполнитель	Количество исполнителей	Трудоемкость, дни.	Месячная заработная плата, руб.	Основная заработная плата, руб.
1. Начальник участка	1	18	45	810
2. Главный инженер	1	21	50	1050
3. Инженер электромеханик	1	21	43	903
4. Электромонтер	2	12	40	960
5. Слесарь-монтажник	2	9	35	630
Всего, основная заработная плата	4353

Расчет затрат на монтаж сети представлен в таблице 7.6

Таблица 7.6 - Расчет затрат на монтаж сети [19]

Наименование статьи затрат	Условное обозначение	Значение, руб.	Примечание
1. Затраты на оборудование	Зоб	1418.3	Таблица 7.3
2. Затраты на материалы	Зм	366	Таблица 7.4
3. Основная заработная плата,	Зо	4353	Таблица 7.5
4. Дополнительная заработная плата	Зд	435.3	Нд=10%
5. Отчисления на социальные нужды и обязательное страхование	Рсоц	1656.7	, НСОЦ - ставка отчислений в фонд социальной защиты и обязательное страхование, 34,6%
6. Общие затраты	З	8229.3	+Зоб+Зм

Общие затраты на проектные работы и модернизацию представлены в таблице 7.7.

Таблица 7.7 - Затраты на проектные работы и монтаж [19]

Наименование затрат	Сумма, руб.	Примечание
1. Расходы на проектирование	4663.9	Таблица 7.2
2. Расходы на модернизацию	8229.3	Таблица 7.6
Итого затрат	12893.2	З
3. Плановая прибыль	5157.3	,Нре=40%
Итого цена без учёта НДС	18050.5	ЦОПТ=З+ПЕД
Налог на добавленную стоимость (НДС)	3610.1	, Ндс = 20%
Итого цена с учётом НДС	21660.6	ЦОПТ=З+ПЕД+НДС

7.4 Расчет экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы управления

Экономическим эффектом является прирост чистой прибыли и амортизационных отчислений, которые получит предприятие за счёт сокращения затрат на электроэнергию. Прирост чистой прибыли представляет собой экономию эксплуатационных затрат (электроэнергия, затраты на текущий ремонт, затраты на обслуживание), прямых затрат в результате роста производительности труда, материальных затрат. Повышение надежности, долговечности и ремонтопригодности новой техники приводит к сокращению численности обслуживающего персонала, затрат на электроэнергию, ремонт и содержание оборудования, т.е. к уменьшению эксплуатационных издержек. Материальные затраты по данным составили 12000 руб. в год. Прирост чистой прибыли в год составит:

7.5 Расчет показателей эффективности автоматизированной системы управления

При оценке эффективности инвестиционных проектов необходимо осуществить приведение затрат и результатов, полученных в разные периоды времени, к расчетному году, путем умножения затрат и результатов на коэффициент дисконтирования , который определяется следующим образом:

, (7.1)

где EH - 25% требуемая норма дисконта, не ниже ставки рефинансирования

tP - расчетный год, принимается год вложения инвестиций, tP = 1;

t- порядковый номер года, затраты и результаты которого приводятся к расчетному году [19].

Таким образом, коэффициенты дисконтирования составят:

,

Расчет чистого дисконтированного дохода и срока окупаемости представлен в таблице 7.8.

Таблица 7.8 - Расчет экономического эффекта [19]

Наименование показателей	По годам производства, тыс. руб.
	2017	2018	2019	2020
Прирост чистой прибыли	4920	9840	9840	9840
Тоже с учетом фактора времени	4920	7872	6297.6	5018.4
Инвестиции на проектные работы и монтаж	21660.6	_	_	_
Тоже с учетом фактора времени	21660.6	_	_	_
Чистый дисконтированный доход	-16740.6	7872	6297.6	5018.4
ЧДД нарастающим итогом	-16740.6	-8868.6	-2571	2447.4
Коэффициент дисконтирования	1	0.8	0.64	0.51

Как видно, инвестиции на проектные работы и монтаж автоматизированной системы управления окупятся на четвертый год.

Рентабельность инвестиций (RI) определяется по формуле:

(7.2)

Рентабельность инвестиций составит:

Ри= 24108/21660.6Ч100% = 111 %.

В процессе технико-экономического обоснования эффективности внедрения автоматизированной системы управления производством газовых счетчиков были получены следующие результаты:

1 Интегральный экономический эффект от внедрения в производство изделия за три года составил 2447.4 рублей.

2 Инвестиции окупятся на четвертый год.

3 Рентабельность проекта составит 111%.

Размещено на Allbest.ru

...