• Аннотация
• Введение
• 1. Технические характеристики и анализ режимов работы установки санитарной мойки технологического оборудования.
• 1.1 Характеристика объекта автоматизации, анализ режимов работы
• 1.2 Разработка алгоритма управления и регулирования автоматического модуля CIP. Выбор контролируемых параметров и управляющих воздействий, оценка работы
• 1.3 Основные требования к системе автоматизации, обеспечивающие требуемые показатели качества и требуемые технические характеристики
• 2. Разработка функциональной структуры автоматизации и выбор аппаратных средств. Разработка аппаратной схемы устройства. 18
• 2.1 Разработка функциональной структуры системы автоматизации
• 2.2 Обоснование выбора серийного ПЛК, его конфигурирование на основе анализа и сравнения вариантов формирования системы автоматизации
• 2.3 Технические характеристики и назначение используемых сигнальных и интерфейсных модулей в серийном ПЛК. Разработка аппаратной схемы
• Вывод

Аннотация

В данном курсовом проекте осуществляется разработка системы автоматизации установки санитарной мойки технологического оборудования сепарирования молока, что представляет собой работу по выбору и обоснованию серийного ПЛК, определению контролирующих параметров и аппаратных средств на основе анализа и сравнения5 различных вариантов для составления и разработки системы автоматизации установки мойки трубопроводов и оборудования цеха приемки и сепарирования молока. Рассмотрены задачи автоматизации и технические требования к установке. Решены проблемы совместимости и выбраны варианты сигнальных и интерфейсных модулей, удовлетворяющие технико-эксплуатационным условиям работы. Проведен анализ режимов работы установки, рассмотрены технологические задачи и в соответствии с этим сделан и обоснован выбор серийного ПЛК семейства SIEMENS. Разработана структурная схема и алгоритм автоматизации реализуемой системы.

автоматический модуль автоматизация устройство

Введение

Установка внутренней санитарной мойки обеспечивает соблюдение гигиенических и санитарных норм, обязательных к выполнению на производстве пищевых продуктов. Данная разработка представляет собой комплекс трубопроводов, резервуаров и клапанов, которые обеспечивают нужные пути и нужную концентрацию моющих растворов. Введение таких систем необходимо и диктуется прежде всего модернизацией производства и улучшением производимой продукции. Процесс автоматизации таких систем так же является неотъемлемой их частью, по причине жестких требований к точности производимых операций и значительным объемом работы, выполняемым системой мойки.

В данном проекте представляется рассмотрение и разработка системы автоматического управления одной из важнейших частей цеха приемки и сепарирования молока, модуля мойки и дезинфекции технологического оборудования. Задачей проекта является выбор серийного контроллера, на базе которого будет осуществлено создание системы автоматизации. В задачи автоматизации входят: реализация автоматического управления от ПК верхнего уровня или панели оператора, автоматическое логико-программное управление исполнительными механизмами, автоматическое поддержание временных интервалов режимов мойки, а так же регулирование различных технологических параметров и автоматический контроль заданных режимов мойки.

Произведено описание назначения, технических характеристик и непосредственного устройства рассматриваемой установки. Проанализирован технологический процесс части цеха приемки и сепарирования молока.

Были рассмотрены варианты выбора, представленные различными сериями выпускаемого оборудования Siemens. Проведен сравнительный анализ путем изучения технических характеристик и возможностей серийных контроллеров различных серий, сделан вывод и выбран необходимый, удовлетворяющий поставленным целям вариант.

Так же были рассмотрены и описаны с представлением наглядных изображений сигнальные, интерфейсные и диагностические модули, используемые в системе. Разработан и представлен укрупненный алгоритм автоматизации. Составлена функциональная схема структуры автоматизации.

В ходе работы был выбран контроллер Siemens серии S300 с применением устройств и модулей распределенного ввода вывода. Данный контроллер является одним из наиболее распространенных при разработки систем автоматического управления на ОАО «ГМК». Он позволяет полностью удовлетворить требования, необходимые для работы отделения мойки на участках трубопроводов приемки и сепарирования молока, а так же всех резервуаров непосредственно участвующих в производстве на данном этапе. В процессе разработки были приняты решения о полной автоматизации этапа, посредством установления автоматического управления от ПК верхнего уровня, либо панели оператора, с возможностью ручного режима и настройки данного технологического процесса. Возможность контролировать ход выполнения программы по этапам, значение технологических параметров и продолжительность каждого этапа мойки так же являются одной из задач автоматизации, которые были выполнены.

1. Технические характеристики и анализ режимов работы установки санитарной мойки технологического оборудования

Установка CIP-модуль ЛМ-5, исполнение 3 (3-х канальная) предназначена для внутренней санитарной циркуляционной мойки технологического оборудования и трубопроводов отделения приемки и сепарирования молока на ОАО «ГМК».

1. Режим работы: циркуляционная мойка по 3-м автономным каналам с повторным использованием моющих растворов.

2. Режим управления: автоматический.

Размещение и эксплуатация моечной установки «CIP-модуль ЛМ-5» исполнение 3 (3-х канальная) предусматривается в помещении отделения сепарирования молока при температуре окружающего воздуха +10-+25 гр.С., влажности до 85%.

Основные технические данные установки CIP модуль JIM5, исп. 3:

Установка обеспечивает циркуляционную безразборную мойку и дезинфекцию технологического оборудования ОАО «Магнитогорский молочный комбинат» на 3 каналах по заданным программам с автоматическим поддержанием временных и температурных режимов, контролем концентрации моющей жидкости, выполнением заданной последовательности этапов мойки с возвратом моющих растворов в резервуар хранения для повторного использования.

Насос-дозатор НД1 обеспечивает подачу требуемого количества концентрированной щелочи в циркуляционный резервуар в зависимости от рассогласования текущей и заданной проводимости моющей жидкости, измеряемой с помощью кондуктометров ОГГ1, QIT2, QIT3. Насос-дозатор НД2 обеспечивает подачу требуемого количества концентрированной кислоты. С помощью НДЗ осуществляется подача заданного количества дезинфицирующего средства. Управление насосам-дозаторам и осуществляет контроллер системы управления.

Нагрев моющей жидкости производится с помощью пластинчатых теплообменников ТН. Регулирование заданной температуры нагрева осуществляется с помощью регулируемых паровых клапанов КР1, КР2, КРЗ и отсечных клапанов Kol, Ко2, КоЗ на основе сигналов от датчиков температуры ТЕ1, ТЕ2, ТЕЗ установленных в линии подачи, после теплообменников.

Резервуар Р4 с рабочим моющим раствором щелочи выполняет функцию хранения рабочего моющего раствора и может быть использован как циркуляционный резервуар. Данное описание распространяется так же и на кислотный раствор в Р5.

Ополаскивающая (повторная) вода в резервуаре Р6 используется на первом этапе для ополаскивания объектов от остатков продукта. Для экономии воды на последнем этапе вода сливается не в дренаж, а возвращается в Р6.

Резервуар Р7 с горячей водой используются для ополаскивания горячей водой объектов мойки.

Резервуары Р1-РЗ используются для подачи холодной воды на объект мойки, для наведения дезинфицирующего раствора. Также данные резервуары могут быть задействованы для циркуляции щелочи и кислоты.

Установка CIP мойки полностью автоматизирована. Управление осуществляется с помощью промышленного контроллера Siemens, операторской сенсорной панели Siemens МР277, пускозащитной аппаратуры, блоков питания, блоков подготовки воздуха и пневмоостровов FESTO.

Технологический регламент установки предусматривает выполнение следующих базовых программ мойки:

· Щелочная мойка;

· Щелочная мойка и кислотная мойка;

· Химическая дезинфекция;

· Щелочная мойка и химическая дезинфекция;

· Щелочная мойка, кислотная мойка и химическая дезинфекция;

Управление и регулирование автоматической системы модуля CIP осуществляется посредством щита контроля и управления, на лицевой стороне которого расположены следующие компоненты:

· Лампа включения питания (желтая).

· Кнопка аварийного останова (грибок красного цвета).

· Терминал оператора Siemens ТР277 с сенсорным экраном.

· Светосигнальная колонна.

Главное меню обеспечивает выбор заданных программ мойки, просмотр и корректировка параметров, просмотр трендов и технологического журнала, выбор ручного режима управления, программы подготовки CIP.

На панели оператора контролируется ход выполнения программы по этапам, значения технологических параметров (температуры, проводимости), продолжительность этапа.

Сигналы светосигнальной колонны:

· Зеленый на одном из каналов запущена мойка.

· Желтый на одном из каналов завершена мойка или канал находится в режиме пауза.

· Красный на одном из каналов возникла авария.

· Внутри главного щита установлены вводной автомат, промежуточные реле, промышленный контроллер, клеммпики.

Основными функциями системы автоматического управления являются:

· логико-програмное управление исполнительными механизмами и насосами согласно реализуемым программам мойки;

· автоматическое регулирование температуры моющей жидкости;

· автоматическое регулирование концентрации моющих и дезинфицирующих растворов;

· автоматическое регулирование продолжительности процесса; архив и ведение технологического журнала.

1.3 Основные требования к системе автоматизации, обеспечивающие требуемые показатели качества и требуемые технические характеристики

Рассмотрим вариант построения системы в структурной схемы, где все элементы будут представлены в виде блоков реализующих функций, а так же обозначим сигнальные линии.

В данной схеме необходимо указать все элементы, входящие в систему. Блоки питания, интерфейсный модуль, модуль диагностики системы, модуль контроля питания, модуль термосопротивления для датчиков температуры, модуль ввода дискретных сигналов для индуктивных датчиков клапанов, модули ввода аналоговых сигналов для расходомеров, индуктометров, а так же регулирующих клапанов и модули вывода аналоговых сигналов для пневмоостровов.

Все это представим в виде упрощенного рисунка структуры системы автоматизации, где будет представлено схематическое расположение блоков исполняющих функций данного ПЛК.

Рассмотрим назначение каждого модуля структурной схемы:

1)Модуль диагностики предназначен для работы с блоками питания =24 В, распределения их выходного тока между несколькими параллельными цепями и мониторинга этих цепей. В случае появления перегрузки или короткого замыкания в одной из ветвей питания нагрузки модуль диагностики обеспечивает селективное отключение этой ветви, оставляя в работе все остальные ветви. Один модуль способен обслуживать до 4 параллельных ветвей питания нагрузки.

2) Интерфейсный модуль позволяет подключать станцию ET 200S к сети PROFINET и самостоятельно осуществляет обмен данными с PROFINET контроллером ввода-вывода.

3) Контроля питания используются для мониторинга и защиты (в некоторых моделях) цепей питания датчиков и нагрузки станции ET 200S, объединенных в потенциальные группы. Питание на каждую потенциальную группу поступает через внутреннюю шину питания соответствующего терминального модуля TM-P

Информация об исчезновении питания или перегорании предохранителя передается ведущему DP-устройству. Дополнительно эта информация выводится на светодиоды модуля контроля питания

4) Модули ввода дискретных сигналов предназначены для преобразования входных дискретных сигналов контроллера в его внутренние логические сигналы. Модули могут работать с контактными датчиками, а также бесконтактными датчиками BERO, подключаемыми по 2-проводным схемам.

5)Модули ввода аналоговых сигналов предназначены для аналого-цифрового преобразования(АЦП) входных аналоговых сигналов контроллера и формирования цифровых значений мгновенных значений аналоговых величин, которые используются центральным процессором в ходе выполнения программы.

6)Модуль термосопротивлений используется для выбора пределов измерений в зависимости от типа используемого датчика и масштабирования: измерения температуры в °C или в °F.

7)Модули вывода аналоговых сигналов выполняют аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов контроллера и формируют цифровые значения мгновенных значений аналоговых величин

2.2 Обоснование выбора серийного ПЛК, его конфигурирование на основе анализа и сравнения вариантов формирования системы автоматизации

В данной системе автоматизации используется модульный программируемый контроллер семейства SIMATIC S7-300 с центральным процессором 317-2 PN/DP. Его возможности и экономические показатели наилучшим образом подходят для решения поставленных задач автоматизации. В отличии от более ранних семейств контроллеров Siemens данная серия предоставляет универсальный модульный программируемый контроллер для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности. Далее рассмотрим технические характеристики, конструктивные особенности и показатели центральных процессоров используемого контроллера и для примера приведем те же характеристики контроллеров семейства SIMATIC S7-200.

Рисунок 4 - Используемый универсальный программируемый контроллер SIMATIC S7-300 (317-2 PN/DP).

Конструктивные особенности:

Программируемые контроллеры S7-300 могут включать в свой состав:

* Модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от степени сложности решаемых задач в программируемом контроллере могут использоваться более 20 типов центральных процессоров.

* Блоки питания (PS) для питания контроллера от сети переменного или постоянного тока.

* Сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и вывода дискретных и аналоговых сигналов, в том числе FailSafe и модули со встроенными Ex-барьерами. Поддерживаются отечественные ГОСТ градуировки термометров сопротивления и термопар.

* Коммуникационные процессоры (CP) - интеллектуальные модули, выполняющие автономную обработку коммуникационных задач в промышленных сетях AS-Interface, PROFIBUS, Industrial Ethernet, PROFINET и системах PtP связи. Применение загружаемых драйверов для CP 341 позволяет расширить коммуникационные возможности контроллера поддержкой обмена данными в сетях MODBUS RTU и Data Highway. Для организации модемной связи в составе S7-300 могут использоваться коммуникационные модули семейства SINAUT ST7.

* Функциональные модули (FM) - интеллектуальные модули, оснащенные встроенным микропроцессором и способные выполнять задачи автоматического регулирования, взвешивания, позиционирования, скоростного счета, управления перемещением и т.д. Целый ряд функциональных модулей способен продолжать выполнение возложенных на них задач даже в случае остановки центрального процессора.

* Интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширения к базовому блоку контроллера, что позволяет использовать в системе локального ввода-вывода до 32 модулей различного назначения. Модули IM 365 позволяют создавать 2-, модули IM 360 и IM 361 - 2-, 3- и 4-рядные конфигурации.

Сама конструкция контроллера является гибкой и удобной в обслуживании системой:

* Все модули устанавливаются на профильную шину S7-300 и фиксируются в рабочих положениях винтами. Объединение модулей в единую систему выполняется с помощью шинных соединителей (входят в комплект поставки каждого модуля), устанавливаемых на тыльную часть корпуса.

* Произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках. Фиксированные посадочные места занимают только модули PS, CPU и IM. Наличие съемных фронтальных соединителей (заказываются отдельно), позволяющих производить быструю замену модулей без демонтажа их внешних цепей и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей. Механическое кодирование фронтальных соединителей исключает возможность возникновения ошибок при замене модулей.

* Применение гибких и модульных соединителей TOP Connect, существенно упрощающих выполнение монтажных работ и снижающих время их выполнения

В данном случае используется модуль SCALANCE X300:

Коммутаторы SCALANCE X300 позволяют создавать линейные, звездообразные и кольцевые структуры сетей Industrial Ethernet и PROFINET со скоростью обмена данными 10/100/1000 Мбит/с.

Они могут применяться в сетях, использующих обмен данными в реальном масштабе времени (RT - Real Time), способны поддерживать широкий спектр диагностических функций: реконфигурирования (RM - Ring Management) при обрыве кольца, а также функции Standby, необходимые для построения структур с резервированием двух колец.

Центральные процессоры:

Все центральные процессоры S7-300 характеризуются следующими показателями:

* высокое быстродействие,

* загружаемая память в виде микро карты памяти MMC емкостью до 8 МБ,

* развитые коммуникационные возможности, одновременная поддержка большого количества активных коммуникационных соединений,

* работа без буферной батареи.

MMC используется для загрузки программы, сохранения данных при перебоях в питании CPU, хранения архива проекта с символьной таблицей и комментарии, а также для архивирования промежуточных данных.

Центральные процессоры CPU 3xxC и CPU 31xT-2 DP оснащены набором встроенных входов и выходов, а их операционная система дополнена поддержкой технологических функций, что позволяет использовать в качестве готовых блоков управления.

Типовой набор встроенных технологических функций позволяет решать задачи скоростного счета, измерения частоты или длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования, перевода части дискретных выходов в импульсный режим. Все центральные процессоры S7-300 оснащены встроенным интерфейсом MPI, который используется для программирования, диагностики и построения простейших сетевых структур. В CPU 317 первый встроенный интерфейс имеет двойное назначение и может использоваться для подключения либо к сети MPI, либо к сети PROFIBUS DP.

Целый ряд центральных процессоров имеет второй встроенный интерфейс:

* CPU 31…-2 DP имеют интерфейс ведущего/ ведомого устройства PROFIBUS DP;

* CPU 31…C-2 PtP имеют интерфейс для организации PtP связи;

* CPU 31…-… PN/DP оснащены интерфейсом Industrial Ethernet, обеспечивающим поддержку стандарта PROFInet;

* CPU 31…T-2 DP оснащены интерфейсом PROFIBUS DP/Drive, предназначенным для обмена данными и синхронизации работы преобразователей частоты, выполняющих функции ведомых DP устройств.

Система команд центральных процессоров включает в свой состав более 350 инструкций и позволяет выполнять:

* Логические операции, операции сдвига, вращения, дополнения, операции сравнения, преобразования типов данных, операции с таймерами и счетчиками.

* Арифметические операции с фиксированной и плавающей точкой, извлечение квадратного корня, логарифмические операции, тригонометрические функции, операции со скобками.

* Операции загрузки, сохранения и перемещения данных, операции переходов, вызова блоков, и другие операции.

Рисунок 5 - Конструкция используемого контроллера.

Таблица 1 - Общие технические данные центральных процессоров SIMATIC S7-300.

Данная серия промышленных контроллеров в отличии от серии S7-200 является универсальной для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности, в то время как контроллеры S7-200 являются идеальным средством для построения относительно простых систем автоматического управления при минимальных затратах на приобретение оборудования и разработку системы. И хотя серия 200 является более экономичным вариантом построения системы, решить необходимую задачу с помощью нее в данном случае невозможно.

Рисунок 6 - Программируемый контроллер SIMATIC S7-200

Так же преимуществом контроллеров серии 300 перед серией 200 являются коммуникационные возможности, стала доступна поддержка промышленных сетей, были увеличены количества входов/выходов, появились высокоскоростные входы/выходы, а так же улучшено быстродействие контроллера. Все рассматриваемые характеристики для центральных процессоров S7-200 можно увидеть в таблице, приведенной ниже.

Таблица 2 - Общие технические данные центральных процессоров SIMATIC S7-200.

Как можно заметить если исключить ценовой фактор, то контроллер серии S7-300 обладает более широким диапазоном возможностей и лучшими характеристиками, которые необходимы для создания системы автоматизации рассматриваемой установки. Если S7-200 предназначены для построения относительно простых систем автоматического управления, отличающихся минимальными затратами на приобретение аппаратуры и разработку системы, то контроллеры семейства S7-300 используются для решения задач автоматизации низкого и среднего уровня сложности. Широкий спектр модулей и использование распределенных структур ввода-вывода наряду с высокой мощностью из за большого количества встроенных функций позволяют максимально адаптировать систему к требованиям решаемой задачи.

2.3 Технические характеристики и назначение используемых сигнальных и интерфейсных модулей в серийном ПЛК. Разработка аппаратной схемы.

5) Модули ввода-вывода аналоговых сигналов 6ES7 134-4GB11-0AB0 и 6ES7134-4JB51-0AB0

Рисунок 11- Модуль ввода аналоговых сигналов.

Электронные модули ввода-вывода аналоговых сигналов позволяют производить подключение аналоговых датчиков и приводов. Электронные модули устанавливаются на терминальные модули TM-E. Параметрируемые модули с улучшенным набором характеристик отличаются повышенной разрядностью и точностью преобразования.

Технические данные:

· Напряжение питания 24 В

· Потребляемый ток 30 мА

· Потребляемая мощность 0,6 Вт

· Количество аналоговых входов 2

Рисунок 12 - Аппаратная схема системы автоматического управления в упрощенном виде.

Вывод

В ходе данного курсового проекта была разработана и реализована система автоматического управления санитарной мойки оборудования. Решены поставленные технологические и экономические задачи. Непосредственно рассмотрен и изучен процесс комплекса санитарной мойки технологического оборудования. Поставлены задачи относительно реализации автоматического управления от ПК верхнего уровня или панели оператора, автоматического логико-программного управления исполнительными механизмами, автоматического поддержание временных интервалов режимов мойки, а также регулирования различных технологических параметров и автоматический контроль заданных режимов мойки. В соответствии с этим был реализован укрупненный алгоритм системы. В процессе разработки было произведено сравнение серийных промышленных контроллеров разных семейств производства фирмы Siemens и выбран наиболее удовлетворяющий установленным требованиям вариант, S7-300. Выбор обоснован техническими характеристиками каждого из рассмотренных вариантов, а также возможностями отдельных модулей контроллеров. Далее были произведена разработки функциональной структуры автоматизации созданной системы и аппаратной схемы. В результате все необходимые задачи были решены и сделан обобщенный вывод по работе.

Размещено на Allbest.ru