Повышение эффективности экструдирования биомассы с помощью автоматического управления технологическим процессом производства масла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание объекта управления

1.1 Анализ существующего процесса экструзии

1.2 Характеристика пресса-экструдера

1.3 Постановка задачи автоматизации

2. Выбор схемы и технических средств автоматизации

2.1 Анализ и выбор схемы автоматизации

2.2 Выбор технических средств автоматизации

3. Синтез системы автоматического управления процессом экструдирования материалов растительного происхождения

3.1 Расчет контура тока

3.2 Расчет контура скорости

3.3 Расчет контура мощности

3.4 Выбор электродвигателя

3.5 Выбор элементов силовой части привода

3.6 Расчет статической характеристики системы

3.7 Расчет динамических параметров системы

3.8 Разработка датчика мощности

3.9 Построение переходных процессов

3.10 Разработка программы управления прессом

4. Экономическая часть

5. Безопасность и экологичность проекта

5.1 Анализ опасных факторов

5.2 Создание оптимальных условий труда

5.2.1 Оздоровление воздушной среды

5.2.2 Расчет вентиляции

5.2.3 Электробезопасность

5.2.4 Защита от шума и вибрации

5.3 Расчет ширины рабочих проходов

Заключение

Список используемых источников

Приложение А. Исходный текст программы "САР пресса"



Введение

Автоматизация проектирования технологий и управления производственными процессами - один из основных путей интенсификаций производства, повышения его эффективности и качества продукции.

В настоящее время под термином "автоматизация" понимается применение и внедрение автоматических устройств, приводящие к освобождению человека от непосредственного участия в технологических процессах. Теоретическую и практическую базу автоматизации составляет целая область знаний - автоматика. Этим же словом обозначается определенная совокупность механизмов и устройств, действующих автоматически.

В современной автоматизации слились достижения различных областей знаний - математики и электроники, физики и химии, кибернетики и бионики. Влияние автоматизации распространяется даже на область философии и психологии.

Огромный скачок в развитии автоматического управления был совершен, когда в системы автоматического регулирования стали, включатся быстродействующие электронные вычислительные машины. Развитие вычислительной техники сделало возможным создание больших автоматических систем управления сложными производственными процессами и целыми отраслями промышленности.

В настоящее время автоматизация имеет решающее значение, важнейшими целями, которых является снижение трудоемкости производства, улучшение качества изделий, созданий условий труда, сберегающих физические и интеллектуальные силы человека при выполнении различных процессов. А также полное исключение условий вредно влияющих на здоровье. С увеличением надежности электронных комплексов и автоматических систем функции контроля человека начинают сокращаться. Однако еще во многих технических устройствах функции управления и контроля остаются за человеком. Именно человек решает, когда и как следует изменить поведение устройства, чтобы получить желаемый результат. Однако, увеличение мощности и быстродействия машин и механизмов, повышение требований к точности различных процессов и появление новых, более сложных технологических процессов приводит к тому, что человек не в состоянии управлять ими с необходимыми скоростью и точностью. Таким образом, в ходе технологического процесса возникает необходимость в исключении человека из операций управления для более совершенного их выполнения. Задача автоматизации тем более важна, что рост масштабов и темпов производства, в усложнении технических устройств и технологических процессов приводит к принципиальной возможности их реализации без автоматического управления.

В современных социально-экономических условиях особое значение приобретает повышение эффективности работы перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса. Важную роль в этом процессе играет повышение качества управления технологическими объектами сложной структуры, в том числе путем применения автоматизации с применением методов математического моделирования при проектировании и эксплуатации оборудования.

Задача автоматизации тем более важна, что рост масштабов и темпов производства, усложнение технических устройств и технологических процессов часто приводит к принципиальной невозможности их решения без автоматического управления. Автоматизация и электрификация всех отраслей народного хозяйства проводит к облегчению труда рабочих, к уничтожению существенного различия между трудом умственным и трудом физическим, к дальнейшему повышению материального благосостоянию российских людей.

Производственный механизмы, без которых нельзя в настоящее время представить себе ни одной фабрики, ни одного завода, равно как механизированного транспорта и передового сельского хозяйства, прошли длинный путь своего развития, прежде чем приняли вид современных машин, где гений и труд человека нашли свое материальное воплощение.

Современное машинное устройство или, как его называют иначе, производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных деталей, отдельных машин и аппаратов, выполняющих различные функции. Все они в совокупности совершают работу, направленную на обеспечение определенного производственного процесса. Необходимо хорошо знать назначение отдельных элементов, так как без этого невозможно проектировать и создать машину, а также невозможно правильно обслуживать ее в эксплуатации.

Одними из самых энергоемких технологических объектов пищевой промышленности являются одношнековые прессующие механизмы, которые в последнее время стали активно использоваться при экструдировании материалов растительного происхождения (биополимеров). Особенностью прессов-экструдеров является сложность и разнообразие процессов обработки биополимеров.

Вместе с тем, существующие теории процесса экструдирования не позволяют прогнозировать его технико-экономические характеристики и качество вырабатываемого продукта. В связи с этим, важной представляется задача оптимизации конструкций экструдеров, режимов процесса экструдирования с целью ресурсосбережения и обеспечения необходимого качества полуфабриката.

Таким образом, необходимость создания эффективных систем управления технологическими объектами сложной структуры в пищевой промышленности и недостаточная разработанность теории процесса экструдирования делают данную работу актуальной.

1. Описание объекта управления

1.1 Анализ существующего процесса экструзии

В первую очередь, чтобы начать переработку семян подсолнечника, необходимо сделать их лабораторный анализ.

Основными показателями являются масличность и влажность семян. От этих показателей зависит количество и качество выхода масла. После проведённого лабораторного анализа производится расчёт выхода масла при данном объёме семян подсолнечника.

До пресса семечки проходят ещё несколько важных стадий обработки, наиболее главная из которых, увлажнение и предварительный подогрев мятки до 60-70 град. Далее, пройдя через нижний желоб жаровни, мятка достигает температуры 105 градусов и лопасти шнека-мешалки жаровни подают нагретую мятку через лючок в пресс.

В шнековых механизмах прессуемый материал движется по различным полостям с изменяющейся конфигурацией. Ввиду сложности этих пространств, при исследовании их обычно заменяют более простыми, например: в систему нескольких пар параллельных плоскостей, между которыми движется прессуемый материал и для которого при этом сохраняется свойство непрерывности объемной производительности в шнековом механизме. Модель процесса экструзии маслосодержащего сырья отличается от модели экструзии растительного сырья, изменением расхода экструдируемого материала по длине шнека, вызванным оттоком жидкой фазы из рабочего пространства прессующего механизма.

На технологический процесс большое влияние оказывает материал, который подвергается экструзии, в основном это биополимеры. Реологические свойства материала характеризуются коэффициентом консистенции материала и индексом течения, определяющим отклонение свойств данного материала от свойств ньютоновской жидкости.

На данный процесс, также оказывает влияние влажность прессуемого материала, угловая скорость шнека, набор его конструктивных параметров: внешний и внутренний диаметры шнека, шаг и осевая толщина винтовой лопасти шнека, длина шнека, число заходов шнека, коэффициент формы канала шнека, внутренний диаметр шнекового корпуса, диаметр компрессионной шайбы, величина зазора компрессионного затвора и его протяженность, диаметр и длина фильеры, число фильер и, как следствие этих факторов, - температура, создаваемая в экструдере, которая влияет на качество конечного продукта и степень его готовности.

Теория процесса экструдирования изучена и в последнее время в [4,5,7,8] получены следующие результаты:

1. Создана математическая модель процесса экструдирования материалов растительного происхождения с учетом особенностей режима теплого экструдирования, а также в условиях отжима жидкой фазы из прессуемого материала.

2. На основе экспериментальных исследований процесса экструдирования идентифицированы внешние величины математической модели.

3. На основе расчета оптимального режима процесса экструдирования разработан алгоритм управления одношнековым экструдером.

4. Данные об оптимальных режимах экструдирования растительных материалов и конструктивных параметрах экструдера;

Решение систем уравнений, [8] описывающих процесс экструдирования при движении материала в канале шнека, полости утечек и фильерах матрицы, позволило определить напряженное состояние прессуемого материала, которое является внутренней характеристикой системы данного технологического объекта. Это дало возможность сформировать комплекс параметров эффекта процесса экструдирования.

В [5] выделены три группы параметров эффекта технологического объекта: параметры эффекта, характеризующие масштабы технологического процесса; параметры эффекта, определяющие ресурсосберегающее ведение процесса и параметры эффекта, обеспечивающие необходимое качество получаемого продукта.

К первой группе относятся производительность и мощность сил полезного сопротивления. Ко второй группе - нагрузка на рабочие органы, коэффициент полезного действия процесса, определяемый отношением энергии, затраченной на превращение полуфабриката в готовый продукт в данной машине, к энергии, подведенной к обрабатываемому продукту рабочими органами. К третьей относятся - относительная производительность прессующего механизма, величина среднего сдвига и путь смешения.

В результате вычислительного эксперимента были определены оптимальные значения относительной влажности прессуемого материала и угловой скорости вращения шнека, обеспечивающие эффективность процесса экструдирования (рисунок 1.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Оптимальная область параметров эффекта



1.2 Характеристика пресса-экструдера

Необходимо отметить, что до пресса расположена задвижка ручной регулировка подачи семян в приёмный бункер пресса.

Пресс шнековый МАПП-113 предназначен, согласно [18] для переработки подсолнечных семян, с целью получения растительных масел. Также он может быть использован для переработки семян на жмых для кормовых целей.

Пресс может работать как самостоятельный агрегат, так и в составе технологических линий.

Пресс шнековый состоит из следующих частей: фундаментной плиты, привода, набора шнекового вала с конусным механизмом и зеерным цилиндром. Основной частью пресса является шнековый вал.

Принцип работы: в результате снижения свободного объёма витков, при уменьшении шага и увеличении тела витка от начала к концу шнекового вала, материал подвергается сжатию, при этом отжатая гуща, через зазоры в зеерном цилиндре вытекает и собирается в корыте. Отжатый масличный материал (жмых) на выходе из зеерного цилиндра встречается с устройством, регулирующем величину кольцевого зазора и тем самым противодавление во всём шнековом тракте пресса. Нагрузка двигателя контролируется по амперметру. Величина давления в камере и соответственно степень отжима масла из семян регулируются изменением кольцевого зазора, вращением регулировочного конуса.

Привод предназначен для передачи крутящего момента от двигателя через редуктор на шнековый вал, а с помощью цепной передачи на вал питателя.

Затем масло из пресса по рукаву поступает в гущеловку, где масло очищается от крупных частиц. Очищенное от крупных частиц масло перекачивается в резервуар через обратный клапан. Жмых из пресса по трубе подается вентилятором в бункер.

Таблица 1.1 - Техническая характеристика пресса

Параметры	Величина
Производительность, при переработке подсолнечных семян, т/час	0,54
Максимальная частота вращения шнека питателя, об/мин	62
Максимальная частота вращения шнекового вала, об/мин	12
Зазоры между зеерными пластинами, мм: Зеер 1 Зеер 2 Зеер 3 Зеер 4	0,35 0,35 0,25 0,20
Электродвигатель: Мощность, кВт Частота вращения вала, об/мин	4А 160 70 1000
Редуктор: Момент, кгс. м Передаточное число	Ц 2У-250-40-12ХУ 3 400 40
Габариты, мм Длина Ширина Высота	2300 1340 1380
Масса, кг	1480
Количество осыпи проходящей через зеера, %	10

Недостатки действующей системы

1. Нет автоматического контроля за технологическим процессом, и как следствие потеря качества.

2. Регулировка в приёмных бункерах ведётся заслонками, положение которых регулируется вручную.

3. Изменение скорости вращения шнека пресса осуществляется механическим путём.

1.3 Постановка задачи автоматизации

С учётом состояния процесса экструдирования на практике и результатов исследований:

Целью работы является: повышение эффективности процесса экструдирования материалов растительного происхождения, с помощью автоматического регулирования технологическим процессом производства масла.

Возможные пути повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции:

- регулирование угловой скорости шнека,

- регулирование загрузки пресса.

Для решения перечисленных недостатков маслопресса необходимо изменить механическую и силовую часть объекта.

В качестве управляющих параметров технологического процесса экструдирования принимаем влажность материала, угловую скорость шнека и загрузку. Эффективность процесса экструдирования удобно оценивать при помощи комплекса параметров эффекта, которые рассматриваются в качестве выходных параметров системы. Возмущением в данной системе управления будем считать изменение реологических свойств материала в процессе экструдирования, которое определяется его исходной влажностью.

2. Выбор схемы и технических средств автоматизации

2.1 Анализ и выбор схемы автоматизации

Первый, наиболее очевидный недостаток объекта управления - постоянная скорость вращения шнека пресса. Требуемый технологический диапазон регулирования и стабилизации частоты вращения скорости шнека с изменяемой значительной нагрузкой по [4,5,7,8], равный 2.0-5.0, сложно обеспечить механическим путём или посредством регулирования частоты вращения используемого асинхронного двигателя.

При автоматизации логично использовать схему с электрической регулировкой частоты вращения двигателя. Поэтому в качестве приводного устройства выберем двигатель постоянного тока. Это обусловлено тем, что регулировать частоту Д.П. Т. гораздо легче, чем двигателя переменного тока. Двигатель запитываем через тиристорный привод. А частоту вращения двигателя будем регулировать системой импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя. Кроме того, при таком решении, легко добиться стабильности работы привода, которая характеризуется перепадом частоты вращения при изменении нагрузки, напряжении питающей сети, температуры окружающего воздуха и тому подобных.

Второй недостаток объекта управления - это ручная регулировка подачи семян в приёмные бункера. Это приводит к тому, что отсутствует возможность автоматической регулировки загрузки маслопресса, что может привести к перегрузке пресса и потере производительности. В качестве силовых элементов задвижек наиболее удобны гидроцилиндры, но их применение в пищеперерабатывающем комплексе ограничено тем, что в случае появления течи в гидросистеме существует возможность попадания гидравлической жидкости в продукты. Поэтому, мне кажется наиболее логичным применение электромеханических приводов. В качестве приводного механизма в данном проекте предлагается асинхронный электродвигатель с ходовым винтом. Изменение направления вращения двигателя, то есть открывания и закрывания бункера, производится переключением фаз. Датчиком обратной связи положения задвижки является ползунковый реостат с ползунком, жестко связанным с заслонкой бункера. Цепь управления переключением фаз можно организовать нескольким способами, в зависимости от применяемой элементной базы. Задающим датчиком положения заслонки является датчик потребляемого тока электродвигателем пресса.

Управление маслопрессом в данном случае можно решить с помощью простейших РIC-контроллеров, простейших оптронов, которые способны управлять контакторами, оптосимисторами и обеспечить гальваническую развязку.

С учётом качества управления в реальном масштабе времени, а также возможности автоматизации всего масляничного комплекса в целом, представляется целесообразным следующее решение.

В начальный момент времени оператор вводит в ПЭВМ полученные лабораторным путём значения масличности семян, влажности семян, влажность ядра в семенах, масличность жмыха, влажность жмыха, фактический выход жмыха. Процессор производит расчёт примерного выхода масла по заложенным расчётным формулам и получает значения объёма загрузки семечек в маслопресс; частоту вращения двигателя маслопресса и выдаёт их на контроллер промышленного исполнения.

Контроллер выдаёт необходимые управляющие воздействия и принимает значения текущих выходных параметров по каналам обратной связи.

Через модуль цифро-аналогового вывода контроллер выдает аналоговый сигнал задания скорости вращения шнека, далее работает система управления двигателем.

Через модуль цифрового вывода, контроллер выдает цифровой сигнал на включение двигателя положения задвижки, определив направление её перемещения и запитывая одну из катушек магнитных пускателей. Двигатель начинает вращаться в зависимости от выбранного направления. В тоже время, он принимает через модуль цифрового ввода, сигнал включения двигателя положения задвижки. Задвижка перемещается, изменяется количество поступающей мятки в пресс, что приводит к изменению потребляемого тока электродвигателем пресса. Аналоговое значение тока с датчика, через модуль аналого-цифрового ввода оцифровывается и поступает в контроллер. Далее он подаётся на ПЭВМ. Получив сигнал о достижении заданного уровня, ПЭВМ прекращает вырабатывать сигнал, коммутирующий приводной двигатель, и привод отключается. С учётом изложенного блок схему можно представить в следующем виде (рисунок 2.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 - Блок схема: блок 1 - модуль аналогового ввода/вывода; блок 2 - модуль цифрового вывода; блок 3-модуль цифрового ввода; блоки К 1 и К 2 - цепь управления задвижкой бункера

2.2 Выбор технических средств автоматизации

Для подбора ПЛК (программируемого логического контроллера) необходимо определить общее количество дискретных и аналоговых входов/выходов. После анализа схемы автоматизации делаем следующие выводы:

- два дискретных выхода с нагрузочной способностью не менее 24В 0.5А, для управления магнитными пускателями, включающими электродвигатель заслонки подачи мятки;

- два дискретных входа, для контроля включения магнитных пускателей (концевой контакт);

- два аналоговых входа: один - для контроля положения заслонки подачи мятки, другой - для контроля тока электродвигателя пресса;

- один аналоговый выход для задания скорости вращения шнека пресса.

В качестве ПЛК применяем контроллер на базе платформы Premium немецкой группы компаний Schneider Electric. Базовым компонентом ПЛК Premium являются шасси TSX RKY. Данный элемент выполняет механическую и электрическую функции: служит основанием для установки всех блоков контроллера и связывает эти блоки между собой: цепями питания, шинами данных и служебных сигналов [12].

Шасси соединяются между собой с помощью удлинительных кабелей bus X. Длина этого кабеля может достигать 100 метров, что позволит разнести компоненты контроллера и во многих случаях не прибегать к применению дополнительных устройств, обеспечивающих длинный канал связи. Шасси, находящиеся на концах линии должны оснащаться концевыми терминаторами TSX TLYEX. При использовании сопроцессоров РСХ 57 терминатор линии поставляется с сопроцессором.

Каждое шасси для обращений к нему имеет свой адрес. Адрес 0 имеет шасси, в которое установлен процессор. Данное шасси может занимать любое место на линии. Остальные адреса (1-7) назначаются всем другим расширяемым шасси ПЛК.

При установке блоков ПЛК строго соблюдается следующее правило - шасси с адресом 0 оснащается обязательно модулями процессора (место 00) и блока питания (место PS) (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Порядок установки блоков ПЛК

Для данного технологического процесса окончательный выбор количества, марки шасси, типа процессорного модуля и блока питания произведем после подбора всех необходимых модулей (дискретных, аналоговых).

В рассматриваемых технологических процессах важную роль играет точное задание частоты вращения шнека. От этого зависят качественные показатели процесса экструдирования.

Кроме задания частоты вращения шнека, необходим информационный контроль загрузки пресса по потребляемому току электродвигателем и контроль положения заслонки подачи мятки. Эти информационные сигналы аналоговые, поэтому необходимо преобразовать их в цифровую форму, а сигнал задания частоты вращения шнека, наоборот преобразовать из цифровой - в аналоговую форму.

Для этого применим модуль аналогового ввода TSX AEY 414 [14]. Этот модуль выгодно отличается от аналогичных своей универсальностью входов. Поэтому, даже при замене датчиков на другой тип, практически можно не волноваться за совместимость его выходного сигнала с TSX AEY 414. Один модуль TSX AEY 414 оснащен четырьмя аналоговыми входами. Каждый вход изолирован. Соединение датчиков с модулем осуществляется с помощью съемной винтовой клеммной колодки. Данный способ соединения характеризуется быстротой монтажа.

Функции модуля TSXAEY 414:

- выбор диапазона входа для каждого канала;

- просмотр входных каналов мультиплексированием и сбор значений;

- аналого-цифровое преобразование (16 бит) входных значений;

- контроль превышение входного значения;

- линеаризация в случае датчиков сопротивления;

- линеаризация и внешняя или внутренняя компенсация холодных спаев, в случае применения термопар;

- преобразование входных измерений в пользовательский формат: коэффициент перекалибровки, линеаризация и т.д.;

- определение ошибок связи датчиков для термопар.

При использовании программного обеспечения оператор сам выбирает диапазон каждого входа. Для любого выбранного диапазона модулем контролируется превышение диапазона. Если измеренное значение находится вне диапазона (± 105 %), формируется бит ошибки, который может быть считан программой.

С помощью программного обеспечения можно обеспечить фильтрацию сигнала по каждому входу. Цифровой коэффициент фильтрации может принимать значение от 0 до 6.

Модуль TSX AEY 414 может выдавать информацию об уровне сигнала в следующих единицах:

- стандартные цифровые значения 0...10000 или -10000...+10000;

- десятые доли градуса по Цельсию или Фаренгейту;

- пользовательский формат: выбор верхнего и нижнего пределов в цифровой форме от -30000 до +30000.

Модуль через каждые пять циклов выполняет внутреннюю диагностику или тест системы измерения. Если обнаруживается неисправность, модуль выставляет слово состояния с кодом неисправности на общую шину, и прекращает функционировать. Сброс ошибки осуществляется путем выключения питания модуля.

Время считывания и преобразования составляет 550мс. Максимальное выдерживаемое перенапряжение или перегрузка соответственно на входе составляет ±30В или ±25мА. экструзия биомасса автоматизация управление

Для комплектации ПЛК нам потребуется один модуль TSXAEY 414.

Для управления магнитными пускателями ПМЛ 2,5-1112 понадобится модуль дискретных выходов. Исходя из типа магнитных пускателей, нагрузочная способность выхода должна быть не менее 24В 0,5А. Необходимо предусмотреть контроль срабатывания пускателей. Это позволит выявить технические неисправности на ранней стадии и избежать аварийных ситуаций. Для контроля срабатывания силовых контактов на пускателе необходим модуль с дискретными входами.

Исходя из вышеперечисленных требований, выбираем модуль ПЛК TSX DМY 28FK [13]. Данный модуль обладает 12 изолированными выходами 24 В 0,5 А и 16 изолированными входами. Время срабатывания выхода модуля - 0,6 мс. На выходе модуля для защиты исполнительного устройства имеется обратный диод. Также модуль имеет электронную защиту от перегрузок и короткого замыкания с временем срабатывания 15 мс.

Для каждой группы, состоящей из 4 входов возможна индивидуальная настройка аналогового или цифрового фильтра. Аналоговый фильтр - 0,1 мс для фильтрации помех линии, цифровой - с дискретностью приращения 0,5 мс. Для исключения ложных срабатываний входов, обусловленных помехами на линии до датчика и дребезгом контактов, каждый вход конфигурируем на цифровую фильтрацию длительностью 2,5 мс.

На фронтальной поверхности модуля расположены светодиоды индикации и диагностики. Модуль обладает аварийным режимом выходов, то есть при переходе приложения в режим Stop можно запрограммировать выходы модуля на определенное состояние или зафиксировать текущие значения. Модули ПЛК семейства Premium обладают функцией "горячей замены". То есть, извлекать и устанавливать модули, можно не выключая сам ПЛК. Датчики и исполнительные устройства подсоединяются к модулю TSX DMY 28FK с помощью съемной винтовой клеммной колодки, что позволяет выполнить быстро монтаж, без применения сложных монтажных инструментов. Нам необходим один модуль TSX DMY 28FK.

На рисунке 2.3 приведена упрощенная схема входного и выходного каскада модуля дискретных сигналов TSX DMY 28FK.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.3 - Схема входного и выходного каскада TSX DМY 28FK

После выбора всех исполнительных модулей, приступаем к формированию шасси ПЛК и размещению модулей на шасси.

Общее количество модулей - 4, с учётом модулей блока питания и процессора, поэтому выбираем вариант простого шасси TSX RKY 6, на котором можно установить несколько модулей, с учётом дальнейшего расширения системы.

Над шасси ПЛК установим модуль вентилятора TSX FAN D2P для охлаждения, поскольку при температуре от 25 до 60 °С применение вентилятора позволит увеличить среднее время безотказной работы [12].

Для питания шасси выбираем блок питания TSX PSY 2600M, входное напряжение - переменное 100...240В, общая потребляемая мощность - 26Вт. Блок питания занимает место PS на шасси TSX RKY 6 [12]. Модуль блока питания имеет разъем под батарею, которая обеспечивает питание внутренней памяти процессора для сохранения данных, при отключении ПЛК. При нажатии кнопки "Reset", расположенной на лицевой панели модуля питания происходит отключение питания, при отпускании - включение питания. Эта кнопка служит для горячей перезагрузки приложения.

В качестве управляющего, учитывая относительную простоту системы, можно применить самый простой процессорный модуль серии TSX P57-102М [12]. Он устанавливается на шасси на нулевое место. Но, с учётом того, что расчёты и основное управление, с определением и заданием режимов, будет выполнять ПЭВМ верхнего уровня целесообразней выбрать сопроцессор Т PCX 57-1012М, который является простейшей 16-битовой ISA платой в формате ПК, работающим в среде Windows 95\98 или Windows NT [12]. Невзирая на то, что физически сопроцессор PCX 57 расположен в ПК, логически он занимает такое же место, что и модуль процессора, поэтому первый слот шасси с адресом 0 должен оставаться свободным.

Подсоединение ПЛК к ПК позволяет оптимизировать эффективность приложений, для которых необходимо улучшение функций связи, управления или контроля [12]. Сопроцессор обеспечивает полное управление ПЛК, состоящего из модулей ввода - вывода, аналогичных процессорам Premium, причем эти модули могут распределяться по одному или нескольким шасси, подсоединенным к шине bus X.

Сопроцессор имеет защищенную внутреннюю память RAM, в которую можно полностью загрузить приложение, и при необходимости расширить с помощью PCMCIA платы памяти.

Разработка приложения для ПЛК осуществляется в среде Windows 95\98 или Windows NT при помощи программы PL7 Junior\Pro [12]. Структура программы может быть многозадачной: главная задача, быстрая задача и обработка событий. Программа может быть изменена на этапе выполнения (режим реального времени).

Для работы с сопроцессором Т PCX 57-1012М ПК должен иметь два последовательных свободных слота на шине ISA. Команда ПК "Ctrl+Alt+Del" не оказывает никакого влияния на сопроцессор. Выключение и повторное включение ПК приводит к горячему перезапуску приложения, выполняемого сопроцессором.

Подключение шасси TSX RKY 6 к сопроцессору выполним согласно рисунка 2.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.4 - Подключение сопроцессора к шасси

Сопроцессор Т PCX 57 1012М имеет оперативную память емкостью 32 тысячи слов. Время выполнения одной логической инструкции составляет 0,58 мкс, цифровой - 0,87 икс, операции с плавающей точкой - 88 мкс. Максимальное количество шасси, которое поддерживает данный сопроцессор - 4, количество модулей на всех шасси - не более 32.

Кроме разъема bus X, сопроцессор имеет разъем для расширения памяти (PCMCIA-плата, тип I), разъем для платы связи (PCMCIA), порт терминала (mini-Din) для протокола Uni-Telway или символьного режима, вилочный соединитель (SUB-D) для связи по шине Fipio.

В качестве управляющего компьютера применим промышленный ПК. Основной особенностью промышленного компьютера является возможность работы в сложных условиях промышленного производства: высокая или низкая температура, вибрация, запыленность и другие факторы, приводящие к преждевременному выходу оборудования из строя. К примеру, рабочий температурный диапазон вычислительной техники, поставляемой американской компанией IBM составляет -40+70 °С. Как правило вычислительная способность данных компьютеров ниже своих офисных собратьев. Но это и не требуется от них. Надежность, развитые средства коммуникации и открытая архитектура - основные особенности промышленных компьютеров.

Для управления ПЛК, выбираем промышленный компьютер SIMATIC Box PC 820 европейской компании Siemens.

Компьютер выполнен в полностью металлическом корпусе. Материнская плата имеет 5 слотов расширения: 2хРСI - коротких, 1xPCI/ISA - длинный, 1xISA - короткий, 1xISA - длинный. Процессор PHI с частотой 450 МГц, с КЭШем второго уровня 512 Кбайт.

В стандартной конфигурации компьютер поставляется с 64 Мбайтами оперативной памяти, которая может быть расширена до 768 Мбайт. Оперативная память устанавливается с функцией ЕСС, то есть с кодом коррекции ошибок. Графический контроллер с AGP шиной, видеопамять - 2 Мбайта. Компьютер оснащен жестким диском EIDE UDMA 33, емкостью 4,3 Гбайт. Имеется дисковод, для дискет емкостью 1,44 Мбайт и 24-х скоростной CD-ROM.

На SIMATIC Box PC 820 возможна предустановка операционной системы Windows 98\NT\XP.

Блок питания с автоматическим переключением 120/230В.

Системный блок может выполнять контрольные функции, связанные с работой программного обеспечения. Имеется встроенная функция контролирующая выполнение программ. В случае возникновения ошибки, в зависимости от настройки, автоматически производится перезагрузка или обрабатывается прерывание. По состоянию ошибки возможен также запуск прикладной программы.

Диапазон рабочих температур SIMATIC Box PC 820 от 5 до 45°С.

3. Синтез системы автоматического управления процессом экструдирования материалов растительного происхождения

Для обеспечения требуемых статических и динамических параметров определим требуемую структуру системы.

Поскольку необходимо отслеживать изменяющуюся мощность шнека, то система должна иметь контур мощности.

Так как требуется слежение по скорости вращения шнека, то необходим контур скорости.

Требование ограничения тока якоря при значительной перегрузке вынуждает ввести ещё и контур тока.

Поскольку требований к статической ошибке по скорости не предъявляется, то можно использовать пропорциональный (П) регулятор скорости. Регулятор тока в любом случае - пропорционально-интегральный (ПИ).

Поскольку основным требованием к мощности является ее стабилизация, то необходимо применить пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) - регулятор мощности, если при этом интегральная и дифференциальная части регулятора будут значимы.

Исходя из вышеизложенного, проведём синтез соответствующей системы регулирования - трехконтурной, с внутренними подчинёнными контурами тока и скорости двигателя и с внешним контуром - регулятором мощности.

3.1 Расчет контура тока

Структурная схема контура тока приведена на рисунке 3.1



Рисунок 3.1- Структурная схема контура тока

Регулятор тока организован по пропорционально-интегральному (ПИ) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромагнитную постоянную времени системы Т_э, а также малую постоянную времени контура тока Т_от.

Тогда передаточная функция регулятора тока будет иметь вид:

, (3.1)

где Ж_рт - постоянная времени токового контура;

, (3.2)

где К_рт - пропорциональная часть регулятора тока, определяется по формуле:

, (3.3)

где Т_от - малая постоянная времени токового контура;

Т_от = 2 • Т = 2 • 0.007 = 0.014 с (3.4)

К_от - коэффициент обратной связи по току, определяется по формуле:

К_от = К_дт • К_ш = 60.95 • 1.875•10^-4 = 1.143 • 10^-2, (3.5)

где К_дт - коэффициент усиления датчика тока;

, (3.6)

где К_ш - коэффициент усиления измерительного шунта;

(3.7)

Подставив (3.4) - (3.6) в (3.3), получим:

(3.8)

Подставив (3.8) в (3.2), получим:

(3.9)

Запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

(3.10)

Зададимся емкостью конденсатора С_ост = 1 мкФ. Тогда, согласно уравнения 2 системы (3.10), сопротивление R_ост составит:

кОм (3.11)

Подставив значение С_ост = 1 мкФ в уравнение 3 системы (3.10), найдем, что сопротивление R_зт составит:

кОм (3.12)

Подставив (3.12) в 1 уравнение системы (3.10), получим, что сопротивление R_т составит:

кОм (3.13)

В результате получим передаточную функцию контура регулирования тока.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.2 - Передаточная функция контура регулирования тока

3.2 Расчет контура скорости

Структурная схема контура регулирования скорости тока приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Структурная схема контура регулирования скорости

Регулятор скорости организован по пропорциональному (П) закону управления с настройкой на модульный оптимум. Регулятор для обеспечения требуемых динамических параметров должен компенсировать электромеханическую постоянную времени системы Т_м, а также малую постоянную времени контура скорости Т_ос.

Тогда передаточная функция регулятора скорости будет иметь вид:

, (3.14)

где Т_ос - малая постоянная времени токового контура;

Т_от = 2 Т_от = 4 • Т = 4 • 0.007 = 0.028 с, (3.15)

где К_ос - коэффициент обратной связи по скорости, определяется по формуле:

В с 3.16)

Подставив динамические параметры системы, а также (3.15) - (3.16) в (3.14), получим:

(3.17)

Запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

, (3.18)

где К_дс - коэффициент датчика скорости, определяемый отношением:

Вс (3.19)

Зададимся сопротивлением R_осс = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (3.18), сопротивление R_зс составит:

кОм (3.20)

Подставив значение R_зс = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (3.18), найдем, что сопротивление R_с составит:

кОм (3.21)

Напряжение стабилизации стабилитрона в регуляторе скорости равно U_ЗСmax=10 В, выбираем стабилитрон типа КС 210 с U_СМ=10 В.

В результате получим передаточную функцию контура регулирования скорости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.4 - Передаточная функция регулирования скорости

3.3 Расчет контура мощности

Контур мощности будем рассчитывать на стабилизацию уровня мощности в пределах 90-95 % номинальной мощности двигателя. Такие действия правомочны, поскольку для расчета требуемой мощности двигателя был принят теоретически самый тяжелый вариант работы.

Для стабилизации мощности без затягивания переходного процесса нарастания мощности необходимо, чтобы обратная связь по мощности включалась при превышении мощностью уровня стабилизации (то есть максимально допустимой мощности), для чего необходима зона нечувствительности по мощности. Так как унифицированная блочная система регуляторов (УБСР) рассчитана на максимальное напряжение 8 В, то и ограничение по мощности, выполненное на элементах УБСР, будет соответствовать U_ср = 8 В. Тогда коэффициент датчика мощности можно рассчитать из следующих соображений, что при мощности, равной мощности стабилизации, напряжение обратной связи по мощности должно достигнуть напряжения сравнения, то есть:

В / Вт, (3.22)

где Р_ст - уровень стабилизации мощности.

Для расчета регулятора мощности необходимо рассчитать максимальное задание, которое будет подано на вход регулятора мощности для достижения уровня стабилизации. Это задание рассчитывается из условия того, что при мощности стабилизации задание соответствует максимальной мощности, а при максимальной мощности задание на мощность равно нулю. Таким образом, требуемое напряжение задания можно определить по формуле:

(3.23)

Оптимизация контура мощности ведется по симметричному оптимуму.

Поскольку датчик мощности выполняется на базе датчиков тока и скорости, то он будет обладать некоторой инерционностью. Постоянная времени датчика мощности стандартной реализации находится в пределах 0.003-0.006 с. Поскольку в данном случае датчик мощности реализуется с использованием микросхем, что ускоряет работу, примем постоянную времени датчика мощности Т_дм = 0.004 с.

Передаточная функция регулятора мощности:

(3.24)

Подставив значения постоянных времени и коэффициентов передачи, получим:

пропорциональная часть регулятора мощности К^п_рм = 7.3529;

интегральная часть регулятора мощности К^и_рм = 0.0338;

дифференциальная часть регулятора мощности К^д_рм = 0.0029.

Таким образом, интегральная и дифференциальная части оказались незначимыми по сравнению с пропорциональной частью регулятора мощности, откуда следует, что для обеспечения требуемых показателей качества, как в динамике, так и в статике достаточно пропорционального интегратора мощности.

Запишем уравнения соответствия динамических параметров системы и физических параметров схемы реализации:

, (3.25)

где К_дм - коэффициент датчика скорости.

Зададимся сопротивлением R_осм = 100 кОм. Тогда, согласно уравнения 2 системы (3.25), сопротивление R_зм составит:

кОм, (3.26)

где К_рм - пропорциональная часть регулятора мощности.

Подставив значение R_зм = 4.8 кОм в уравнение 1 системы (3.18), найдем, что сопротивление R_м составит:

кОм, (3.27)

где Ком - коэффициент обратной связи по мощности, рассчитываемый из условия соответствия максимального задания максимальной мощности, то есть:

(3.28)

3.4 Выбор электродвигателя

В электроприводе пресса мощность электродвигателя постоянного тока оставим той же, что и у применявшегося ранее асинхронного двигателя т. е. 70 кВт. Выбираем двигатель [17] серии 4ПН 400-22 МУ 3 со следующими параметрами:

номинальная мощность двигателя Р_н = 70 кВт;

номинальный ток двигателя I_н = 350 А;

номинальное напряжение питания U_н = 220 В;

момент инерции двигателя J_дв = 8.25 кг•м ²;

минимальная скорость вращения n_min = 250 об/мин;

номинальная скорость вращения n_н = 750 об/мин;

максимальная скорость вращения n_max = 1500 об/мин;

пусковая перегрузочная способность _п = 2;

номинальный коэффициент полезного действия _н = 93 %.

Поскольку асинхронный двигатель применялся для самого тяжелого варианта работы пресса, производить проверку выбранного двигателя по нагреву не нужно.

3.5 Выбор элементов силовой части привода

Электропривод на основе тиристорных преобразователей в настоящее время является основным типом промышленного регулируемого электропривода. Это объясняется рядом достоинств этого типа электропривода, основные из которых следующие:

1) высокое быстродействие, которое ограничивается коммутационной способностью двигателя и механической инерционностью привода;

2) мгновенная готовность к работе, широкий диапазон температур и длительный срок службы;

3) номинальный КПД преобразователя превышает 92-96 %;

4) малые весогабаритные показатели, блочная компоновка позволяет сократить требуемые производственные площади, уменьшить капитальные затраты и расходы на установку и эксплуатацию.

В тоже время тиристорным электроприводам свойственны недостатки:

1) пульсации выпрямленного напряжения и тока на выходе тиристорного преобразователя повышают нагрев и ухудшают коммутацию двигателя, что требует установки сглаживающих реакторов;

2) при глубоком регулировании напряжения тиристорный преобразователь имеет низкий коэффициент мощности, что требует разработки и установки специальных компенсирующих устройств;

3) перегрузочная способность тиристорного преобразователя ниже, чем электромашинного;

4) при работе тиристорных преобразователей искажается форма напряжения в сети переменного тока, и возникают помехи.

В настоящее время разработаны различные схемы тиристорных преобразователей и системы регулируемого электропривода на их основе. Промышленностью освоен серийный выпуск комплектных тиристорных электроприводов.

По назначению тиристорные преобразователи подразделяются:

- для питания якоря двигателя;

- для питания обмоток возбуждения.

По исполнению тиристорные преобразователи подразделяются на:

- нереверсивные;

- реверсивные.

Самой благоприятной для тиристорных преобразователей признана трехфазная мостовая (шестипульсная) схема выпрямления. На базе трехфазной мостовой схемы строятся также комбинированные схемы выпрямления, например, двенадцатипульсные.

Наиболее сложными элементами тиристорного электропривода являются двухкомплектные преобразователи.

Они применяются в быстродействующих электроприводах, в которых скорость изменения и реверсирования тока (момента) двигателя влияют на производительность механизма или качество регулирования технологических параметров.

При проектировании тиристорных преобразователей для регулируемого электропривода необходимо учитывать специфические свойства преобразователей с различными способами управления, их влияние на статические и динамические свойства электропривода.

Защита тиристорного преобразователя.

Защита преобразователя должна действовать при внешних и внутренних коротких замыканиях, при возникновении аварийных токов между тиристорными группами и при опрокидывании инвертора. При внешних коротких замыканиях и опрокидываниях инвертора защита должна отключать преобразователь со стороны постоянного тока.

Кроме того, при внешних коротких замыканиях желательна легализация аварийного тока по месту (предотвращение перехода аварийного тока на следующие по порядку коммутации в схеме вентили) и по времени (ограничение тока к.з. первой полуволны), что должно обеспечиваться устройством защиты по управляющему электроду, которое снимает или сдвигает к границе инверторного режима управляющие импульсы. При опрокидываниях инвертора эта защита неэффективна.

При внутренних к.з. защита должна отключать весь преобразователь или поврежденный тиристор (защита по управляющему электроду при этом должна снять или сдвинуть к границе инверторного режима управляющие импульсы).

При появлении аварийных токов между тиристорными группами защита должна разомкнуть цепь аварийного тока или отключить преобразователь от сети.

Основные требования, предъявляемые к аппаратам и устройствам защиты, заключаются в следующем:

1. Максимальное быстродействие. С ростом продолжительности протекания аварийного тока увеличиваются размеры повреждений преобразователя, а при опрокидываниях инвертора возрастает абсолютное значение аварийного тока. Малая теплоёмкость кремниевого элемента и обусловленная ею высокая чувствительность тиристоров к значению и продолжительности протекания аварийных токов определяют высокие требования к быстродействию защиты тиристорных преобразователей.

2. Селективность. Отключение только поврежденных вентилей без нарушения работы исправных вентилей и преобразователя в целом. В то же время, при срабатывании защиты, отключающей преобразователь в целом, не должна срабатывать защита, отключающая вентили.

3. Чувствительность. Обеспечение срабатывания защиты при возможно меньших значениях аварийных токов.

4. Надежность, помехоустойчивость, простота настройки и обслуживания.

Для защиты от коммутационных перенапряжений применяют RC - цепочки, включенные параллельно тиристорам.

Тиристорный преобразователь подключен к сети переменного тока через трансформатор, силовая цепь тиристорного преобразователя, питается от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 10 кВ±5 % при мощности преобразователя свыше 250 кВт.

Для питания двигателя выбираем комплектный тиристорный преобразователь [16] серии ЭПУ 1-2-4347 DУХЛ 4 со следующими параметрами:

Р_н = 92 кВт - номинальная мощность преобразователя;

U_н = 230 В - номинальное выходное напряжение ТП;

I_н = 400 А - номинальный выходной ток преобразователя.

Для питания тиристорного преобразователя выбираем вводной трансформатор [17] ТСЗП - 160 / 0.743 со следующими параметрами:

Р_н = 143 кВА - номинальная потребляемая мощность трансформатора;

U₁ = 380 В - напряжение первичной обмотки трансформатора;

U_2ф = 230 В - напряжение вторичной обмотки трансформатора;

I_2ф = 500 А - ток вторичной обмотки трансформатора;

Р_хх = 795 Вт - потери холостого хода в трансформаторе;

Р_кз = 2400 Вт - потери при коротком замыкании в трансформаторе;

U_кз = 4.5 % - напряжение короткого замыкания трансформатора;

I_хх = 5.2 % - ток холостого хода трансформатора.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения выбираем сглаживающий реактор [17] ФРОС - 125 / 0.5 У 3 со следующими параметрами:

I_н = 500 - номинальный ток сглаживающего реактора;

L_н = 0.75 мГн - номинальная индуктивность сглаживающего реактора;

R_н = 3 мОм - номинальное сопротивление реактора.

3.6 Расчет статической характеристики системы

Запишем уравнение скорости движения электропривода в статике:

, (3.29)

где _с-скорость вращения двигателя;

₀ - скорость холостого хода двигателя:

1/с, (3.30)

где K _oс - статическое падение скорости при статическом токе:

1/с, (3.31)

Выражение (3.29) раскрыто с применением правил Лопиталя для раскрытия неопределенностей вида .

3.7 Расчет динамических параметров системы

Номинальная угловая скорость вращения двигателя:

1/с, (3.32)

Суммарное активное сопротивления якорной цепи электродвигателя определим из условия распределения потерь, считая, что половина потерь в двигателе идет на нагрев обмоток. Тогда:

Ом (3.33)

Определим значение номинального магнитного потока:

В*с (3.34)

Время регулирования, то есть время, за которое завершится переходный процесс, составит:

с (3.35)

Определим коэффициент усиления тиристорного преобразователя как отношение среднего значения выпрямленного напряжения U_d0 к максимальному напряжению управления U_ум (поскольку планируется использование стандартной блочной системы регуляторов, то максимально допустимое напряжение U_ум составляет 8 В):

, (3.36)

, (3.37)

где К_u = 0.428 - коэффициент схемы выпрямления.

Постоянную времени тиристорного преобразователя принимаем равной 0.007 с - время, достаточное для восстановления запирающих свойств тиристоров после прохождения полуволны напряжения через нуль.

Определим активное сопротивление фазы трансформатора:

Ом, (3.38)

где В (3.39)

Тогда полное сопротивление фазы трансформатора составит:

Ом, (3.40)

а индуктивное сопротивление фазы трансформатора составит:

(3.41)

Тогда индуктивность фазы трансформатора составит:

Гн (3.42)

Определим индуктивность якоря двигателя по эмпирической формуле:

Гн, (3.43)

где p = 2 - число пар полюсов двигателя.

Определим суммарную индуктивность якорной цепи двигателя:

L = L_ср + 2L_тр + L_яд = 0.75 + 2 • 0.02892 + 2 = 2.808 мГн (3.44)

Определим суммарное активное сопротивление якорной цепи двигателя:

R = R_яд + r_ср + a •r_д + b • r_тр + c • r_ур + r_к, (3.45)

где r_ср - активное сопротивление сглаживающего реактора;

r_д - динамическое сопротивление тиристоров;

r_ур - активное сопротивление уравнительного реактора;

r_к - коммутационное сопротивление;

...