Разработка современной автоматизированной системы управления откачной машины - Дипломная работа

Одной из экспериментальных установок, работающей на ускорительном комплексе У-70 (ИФВЭ, Протвино), является установка ОКА, предназначенная для получения, выделения из общего потока и исследования каонов. Для их выделения используются СВЧ-сепаратор заряженных частиц, состоящий из двух дефлекторов, настроенных на выделение каонов из общего пучка. Для обеспечения высокой добротности системы дефлекторы должны находиться в состоянии сверхпроводимости. Ее назначение - откачка испаряющегося газообразного гелия из сосудов-криостатов, в которых установлены дефлекторы. За счет непрерывной откачки паров и уменьшения газового давления происходит дополнительное охлаждение и понижение температуры жидкого гелия.Жидкий гелий при температурах выше 2,17о К называют гелий I (He I), при более низких температурах - гелий II (He II). Задачу получения жидкого гелия и охлаждение им дефлекторов решает созданная на 21 канале криогенно-вакуумная установка (КВУ). Эта установка потребляет 60 г/с газообразного гелия при давлении 25 бар и производит 5 г/с жидкого гелия, часть которого через вентиль подается в ванну промежуточного охлаждения (ВПО), пары гелия из которой возвращаются в КГУ (рефрижераторная нагрузка). Жидкий гелий в ВПО используется для охлаждения в теплообменнике прямого потока и в теплообменнике избыточного потока гелия сателлитного рефрижератора, направляемого на охлаждение дефлекторов. Обратный поток паров гелия из гелиевых сосудов дефлекторов охлаждает прямой поток гелия в низкотемпературных теплообменниках, БВТО, затем откачивается и сжимается компрессором, после чего направляется в КГУ и БВТО и цикл повторяется.Обрабатывающие центры серии VL предназначены для обработки деталей сложной криволинейной формы из сталей, чугуна и легких сплавов из литых и штампованных заготовок. · Высококлассные линейные направляющие дают возможность перемещаться шпиндельной бабке и столу со скоростью до 24 м/мин. · Круговой инструментальный магазин типа «диск» на 16 позиций расположен на одной колонне вместе со шпинделем. · Высокоточные ШВП класса точности С3 со сдвоенной гайкой гарантируют высокую жесткость и точность даже при долговременных тяжелых нагрузках. Каждый кадр содержит: - признак начала кадра, задаваемый адресом N или символом «: »;Сформулирована технологическая задача получения и поддержания криогенных температур. Описана система криогенного обеспечения для охлаждения дефлекторов, откачная машина для поддержания и управления температурой.Основу ОМ составляют 24 насоса 3 типов (по 8 насосов каждого типа): пластинчато-роторные насосы 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 и агрегат вакуумный золотниковый АВЗ-180. Перед всасами всех насосов установлены вакуумные клапаны, такие же клапаны установлены на выхлопах 2ДВН-1500 и 2ДВН-500. Сначала включаются насосы АВЗ-180, при этом клапаны на всасах и выхлопах насосов 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 закрыты, а клапаны между входными трубами открыты. При этом давлении насосы АВЗ-180 начинают «захлебываться» (не в состоянии дальше понижать давление на всасе), и тогда включаются насосы 2ДВН-500 соответствующих ячеек (открываются соответствующие клапаны всаса, выхлопа, закрывается второй клапан соединения входных труб). Насос приводится через упругую пальцевую муфту электродвигателем, корпус которого соединен фланцем с насосом.В данном разделе было описано и выбрано основное технологическое (исполнительное) оборудование, произведены проверочные расчеты электродвигателей насосов. Предлагаемое решение: для управления производительностью ОМ использовать частотное регулирование оборотов электродвигателей насосов при помощи преобразователей частоты (ПЧ). Использование современных ПЧ с дистанционным микропроцессорным управлением позволит управлять насосами дистанционно (по интерфейсу) посредством сигналов с датчиков состояния дефлекторов и самой откачной машины. Предлагаемое решение: управление режимами работы и устройствами ОМ реализовать программным способом на современных микропроцессорных устройствах (ПЛК, Prom PC). 15) производства «Метран» предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей.Модуль HART-710 позволяет устройству Modbus Master получить доступ к устройствам HART Slave, что дает возможность пользователям легко интегрировать в сеть Modbus приборы, работающие по HART протоколу. Преобразователь HART-710 необходим для подключения к линии RS-485 Modbus расходомера Micro Motion (Метран), оснащенного только встроенным HART-протоколом. 23): · Нижний уровень образуют исполнительные (насосы, клапаны) и контрольно-измерительные (датчики, преобразователи) устройства, каналы связи между датчиками и преобразователями. Поскольку преобразователи ТРИОЛ имеют встроенный контроллер управления и аналоговые и дискретные входы/выходы, то целесообразно использовать их помимо управления электродвигателями насосов так же и для управления клапанами соответствующих насосов (клапаны всаса, выхлопа, охлаждающей воды того насоса, чьим двигателем управл

Цель дипломного проектирования - разработка современной автоматизированной системы управления откачной машины (АСУ ОМ).

Одной из экспериментальных установок, работающей на ускорительном комплексе У-70 (ИФВЭ, Протвино), является установка ОКА, предназначенная для получения, выделения из общего потока и исследования каонов. Для их выделения используются СВЧ-сепаратор заряженных частиц, состоящий из двух дефлекторов, настроенных на выделение каонов из общего пучка.

Для обеспечения высокой добротности системы дефлекторы должны находиться в состоянии сверхпроводимости. Для достижения этого состояния они должны быть охлаждены до сверхнизких температур (<4.5 К). Эту задачу выполняет криогенно-вакуумная установка (КВУ) 21-го канала. КВУ - сложная технологическая система, конструктивно состоящая из разных агрегатов. Ее назначение - охлаждение дефлекторов жидким гелием (He).

Одним из агрегатов в составе КВУ является откачная машина (ОМ). Ее назначение - откачка испаряющегося газообразного гелия из сосудов-криостатов, в которых установлены дефлекторы. За счет непрерывной откачки паров и уменьшения газового давления происходит дополнительное охлаждение и понижение температуры жидкого гелия. Режим работы ОМ позволяет выйти на рабочую температуру Т=1,8 ОК и ниже.

Существующая на данный момент система управления ОМ является технически и морально устаревшей. Для включения/отключения насосов и клапанов применяются релейно-контактные схемы с ручным (кнопочным) управлением. Все двигатели насосов работают на одной (номинальной) частоте оборотов n = 1500 об/мин. При таком способе управления для изменения температуры в дефлекторах приходится применять метод неполной работы ОМ: включать и отключать некоторые насосы или целые ячейки для того, что бы выйти на требуемый режим.

Сформулирована технологическая задача получения и поддержания криогенных температур. Описана система криогенного обеспечения для охлаждения дефлекторов, откачная машина для поддержания и управления температурой.

Описана технология обработки и изготовления детали типа «Прокладка». Определены исходные параметры заготовки, припуски на обработку, рассчитаны режимы резания. Был произведен выбор технологического оборудования. Составлена программа для обработки детали на современных станках с ЧПУ.В данном разделе было описано и выбрано основное технологическое (исполнительное) оборудование, произведены проверочные расчеты электродвигателей насосов.

3. Система управления

В разделе, посвященном системе управления ОМ, разработаем схему АСУ ОМ, определим необходимое для ее построения оборудование и арматуру.

3.1 Существующая система управления, недостатки и варианты решений

Существующая система управления ОМ имеет два существенных недостатка, не позволяющих полностью использовать ресурсы исполнительных агрегатов.

1) Неуправляемые электродвигатели насосов. Двигатели насосов работают только при номинальных значениях частоты и напряжения, обеспечивающих только номинальные обороты и, тем самым, постоянную производительность. Это приводит к тому, что для изменения производительности ОМ (с целью изменения температуры в дефлекторах) некоторые из насосов приходится периодически вручную отключать/подключать.

Предлагаемое решение: для управления производительностью ОМ использовать частотное регулирование оборотов электродвигателей насосов при помощи преобразователей частоты (ПЧ). Это позволит плавно (без переключения насосов) выходить на заданную рабочую температуру. Использование современных ПЧ с дистанционным микропроцессорным управлением позволит управлять насосами дистанционно (по интерфейсу) посредством сигналов с датчиков состояния дефлекторов и самой откачной машины. Таким образом, возможно создать замкнутую систему автоматического управления с авторегулированием.

2) Релейно-контактные схемы с ручным (кнопочным) управлением. Существующие схемы пуска/торможения насосов, защиты двигателей, открытия/закрытия клапанов выполнены на релейной, морально устаревшей, основе. Пуск, торможение, переключение ступеней осуществляются вручную нажатиями на соответствующие кнопки. Это вносит ощутимый человеческий фактор в работу системы (возможные ошибки, промахи оператора).

Предлагаемое решение: управление режимами работы и устройствами ОМ реализовать программным способом на современных микропроцессорных устройствах (ПЛК, Prom PC). Это позволит избежать человеческого фактора оперативного управления и убрать из системы громоздкие и сложные релейные шкафы.

3.2 Выбор контрольно-измерительного оборудования

Выбираемое в этом подразделе оборудование служит для получения информации о состоянии технологических параметров (внутренних параметров ОМ).

3.2.1 Датчик давления Метран-100

Интеллектуальные датчики давления серии Метран-100 (Рис. 14) предназначены для измерения и непрерывного преобразования значения давления в унифицированный аналоговый токовый и/или цифровой сигнал в стандарте протокола HART/RS-485.

Рис. 14 Датчик давления Метран-100

Управление параметрами датчика: кнопочное, со встроенной панели; с помощью HART-коммуникатора или компьютера; с помощью программы IPC-Master и компьютера или программных средств АСУ ТП. Имеется встроенный фильтр радиопомех, внешняя кнопка установления «нуля». Непрерывная самодиагностика.

Минимальный диапазон измеряемых давлений, КПА 0 - 0,4

Максимальный диапазон измеряемых давлений, КПА 0 - 100

Основная погрешность измерений, % ± 0,1

Диапазон перенастроек пределов измерений, до 25:1

Выходные сигналы* 0 - 5 МА, 0 - 20 МА, 4 - 20 МА, HART-протокол, RS-485

Типы исполнения (по ГОСТ 12997) Обыкновенное, взрывозащищенное, для эксплуатации на АЭС

Межпроверочный интервал 3 года

*Тип выходных сигналов зависит от типа датчика и встроенного микропроцессора

3.2.2 Массовый кориолисовый расходомер и плотномер MICROMOTION

Кориолисовые расходомеры и плотномеры Micro Motion (Рис. 15) производства «Метран» предназначены для прямого измерения массового расхода, плотности, температуры, вычисления объемного расхода жидкостей, газов и взвесей. Все измерения выполняются в реальном времени. Расходомеры Micro Motion конструктивно состоят из сенсора расхода и микропроцессорного преобразователя. Выпускается 9 серий сенсоров и 9 моделей преобразователей, функциональные возможности которых отвечают самым различным требованиям.

Рис. 15 Сенсор Elite CMFS010 с преобразователем 2200

Для проектируемой системы выбираем сенсор серии Elite, модель CMFS010 (стандартная модель), и микропроцессорный преобразователь, модель 2200.

Основные характеристики сенсора и преобразователя

Условный проход сенсора, мм15; 25

Максимальны измеряемый расход, кг/ч 108

Температурный диапазон, ОС -240 … 204

Номинальное давление в трубках сенсора, МПА 12,5 (нержавеющая сталь)

Основная относительная погрешность измерений массового расхода газов ±0,35 %

Основная относительная погрешность измерений температуры, ОС ±1

Выходной сигнал преобразователя 12 - 20 МА, 4 - 20 МА, HART-протокол

Напряжение питания преобразователя, В Постоянное, ±50

3.2.3 Термопреобразователи сопротивления ДТС

Термопреобразователи ДТС (Рис. 16) применяются для измерения температуру масла во всех двигателях откачной машины. Полученные значения используются в качестве сигналов обратной связи для контроля допустимого температурного режима работы АД и, при необходимости (при перегреве), их остановки.

Характеристики термопреобразователей ДТС

Рабочий диапазон измеряемых температур, ОС -50 … 150

Класс допуска В; С

Группа климатического исполнения 2Д; Р2

Условное давление, МПА 10

Показатель тепловой инерции, не более 10 … 30 с

Количество чувствительных элементов 1

Сопротивление изоляции, не менее, МОМ 100

Схема соединения внутренних проводников 2-х, 3-х, 4-х проводная

Степень защиты датчика по ГОСТ 14254-96 IP54

Материал защитной арматуры Сталь 12Х18Н10Т

Для проектируемой системы выбираем термопреобразователи ДТС044.

D = 8 мм, М = 12?1,5

L = 30 мм

*Длина кабельного вывода выбирается при заказе

Рис. 16 Габаритные размеры термопреобразователя ДТС044

3.2.4 Полупроводниковые датчики температуры Honeywell TD4A.

Полупроводниковые датчики температуры Honeywell TD4A (Рис. 17) имеют линейный выход, малое время отклика и высокую точность, взаимозаменяемы без дополнительной калибровки. Чувствительный элемент - кремниевый кристалл с тонкопленочной резистивной структурой.

Данные датчики применяются для измерения температуры теплообменников перед насосами 2ДВН-500 и АВЗ-180.

Рис. 17 Полупроводниковый датчик температуры Honeywell TD4A.

Основные характеристики датчика Honeywell TD4A Диапазон измеряемых температур, ОС -40 … 150

Номинальное сопротивление (при 20 ОС), Ом 2000

Напряжение питания, В 10

Схема соединения внутренних проводников 2-х проводная

Линейность ±0,2 %

Максимальная погрешность ±2,5 %

Потребляемый ток, МА 1,0

Материал корпуса Алюминий

3.2.5 Блок измерения температуры ИТП-16

Блок ИТП-16 (Рис. 18) является разработкой сотрудников отдела электроники и автоматизации (ОЭА) ИФВЭ. Блок предназначен для измерения температур в диапазоне -25°C до 105°C с использованием полупроводниковых ИС температуры AD592. Блок имеет два встроенных гальванически развязанных интерфейса RS-485 и CAN.

Посредством этого блока будет производиться считывание информации с температурных датчиков Honeywell TD4A (температура теплообменников).

Рис. 18 Блок измерения температуры ИТП-16

Отличительные особенности: · Высокая предварительно установленная точность: не хуже 0,5 °C при 25 °C;

· Превосходная линейность: не хуже 0,15 °C в диапазоне 0 … 70 °C;

· Широкий температурный диапазон: -25 … 105 °C;

· Широкий диапазон напряжения питания: 4 … 30 В;

· Высокая повторяемость и стабильность;

· Линейный токовый выход с крутизной 1МКА/K;

· Преобразователь температура/ток;

· Минимальная ошибка изза саморазогрева;

Технические характеристики блока ИТП-16

Количество измерительных каналов 16

Схема подключения датчиков 2-х проводная

Погрешность измерений 0,1 % (при длине измерительной линии 100 м)

Исполнение Конструктив «Вишня»

Питание, В 220

Тип защиты Плавкий предохранитель

Потребляемая мощность блока, Вт 2

3.3 Выбор управляющих устройств

Управляющие устройства используются для непосредственного управления исполнительным оборудованием.

3.3.1 Трехфазные частотно-регулируемые преобразователи ТРИОЛ АТ04

ТРИОЛ АТ04 - универсальный низковольтный 0.4 КВ трехфазный частотно-регулируемый преобразователь для управления широким спектром производственных машин и механизмов, которые оснащены приводными низковольтными (класса напряжения 0.4 КВ) трехфазными асинхронными электродвигателями (АМ) мощностью от 5.5 до 315 КВТ. Ряд ТРИОЛ АТ04 содержит пятнадцать моделей электроприводов (005, 007, 011, 015, 022, 037, 055, 075, 090, 110, 132, 160, 200, 250, 315).

Основные параметры и технические характеристики

Шкала мощностей: 5,5 … 315 КВТ

Питающая сеть: 3 x 380 В, 10 %, - 15%, 50 (60) Гц ± 2% (с заземленной либо изолированной нейтралью)

Выходное напряжение: 3 x (0 … 380) В ± 2% (значение макс. выходного напряжения программируется)

Выходная частота: 0 … 400 Гц ± 0,05% (значение макс. и мин. Частоты программируется)

Коэффициент полезного действия: Не менее 0,95 (без двигателя)

Коэффициент мощности: Не менее 0,95

Условия окружающей среды: Рабочая температура 1 … 40 ОС, влажность (без конденсации) до 90%

Кратковременное допустимое отклонение напряжения питающей сети, при котором преобразователь сохраняет работоспособное состояние: -40%

Сопротивление изоляции гальванически не связанных цепей относительно корпуса, не менее: 10 МОМ

Электрическая прочность изоляции 2500 В, 50 Гц, в течении 1 минуты

Функциональные возможности

Основные Управление работой АД во всех режимах: пуск по заданному алгоритму; длительная работа в заданном диапазоне частот и нагрузок; реверс; торможение и останов по заданным алгоритмам.

Регулирование технологического параметра за счет встроенного ПИД-регулятора.

Защита ПЧ, АД и механизмов в аварийных и нештатных режимах.

Дистанционный прием и обработка сигналов управления, задания параметров и режимов, в том числе по каналу последовательной связи от управляющих машин и систем высшего уровня.

Дополнительные Сигнализация, отображение и дистанционная передача информация о параметрах и режимах работы.

Учет отработанного времени.

Регистрация отказов, нештатных и аварийных режимов.

Управление приводами можно осуществлять в ручном режиме, либо в автоматическом. Ручное управление осуществляется с пульта оператора, либо дистанционно. В автоматическом режиме регулирование частоты вращение электродвигателя происходит в замкнутой системе. Регулирование осуществляется либо встроенным программным ПИД-регулятором по сигналам с датчиков обратной связи, либо по математической модели управляемого процесса без датчиков обратной связи. В электроприводах ТРИОЛ реализовано скалярное и векторное управление работой.

Для приема управляющих и задающих сигналов преобразователь содержит: · 6 дискретных входов;

· до 6 аналоговых входов;

· 2 канала интерфейса RS-485 с поддержкой протокола Modbus;

Для управления внешними устройствами электропривод содержит: · до 6 релейных выходов;

· 2 аналоговых выхода;

В преобразователях ТРИОЛ АТ04 предусмотрена возможность увеличения числа входов/выходов с помощью дополнительных встраиваемых субмодулей расширений.

Преобразователь способен измерять токи и напряжения на фазовых обмотках двигателя посредством встроенных датчиков.

Предусмотрены следующие аппаратные и программные защиты преобразователя и электродвигателя: · От токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания;

· От замыкания на «землю»;

· От неполнофазного режима работы сети и электродвигателя;

· От перенапряжения на силовых элементах схемы;

· От недопустимых отклонений и исчезновения напряжения питающей сети;

· От недопустимого перегрева силовых элементов схемы;

· От неисправностей и сбоев системы управления;

· От недопустимых отклонений технологического параметра;

Кроме вышеперечисленных видов защит, в преобразователе предусмотрены режимы ограничения минимальной и максимальной мощности, минимальной рабочей частоты, а также введение запрещенных (резонансных) рабочих частот. О текущем состоянии электропривода можно узнать по состоянию элементов индикации, либо по информации, выводимой на дисплей ПУ.

Выбор моделей силовых преобразователей.

Для выбора моделей силовых частотных преобразователей необходимо рассчитать полную мощность электродвигателя насоса и его номинальный ток.

Полная мощность электродвигателя рассчитывается по формуле:

Где Q - реактивная мощность электродвигателя.

Номинальный ток рассчитывается по формуле:

Определим полную мощность и номинальный ток электродвигателя АИР 112 М2 (насос 2ДВН-500). Преобразователь должен быть рассчитан на мощность P = 7,5 КВТ.

Вычисляем полную мощность электродвигателя:

Определяем номинальный ток двигателя:

Для управления данным электродвигателем выбираем преобразователь модели АТ04-11 исполнения IP21 (Рис. 19).

Номинальная мощность, КВТ 15

Номинальная мощность электродвигателя, КВТ 11

Номинальный ток нагрузки, Ih, А 22

Масса, кг 20

Определим полную мощность и номинальный ток электродвигателя АИР 132 М2 (насос 2ДВН-1500). Преобразователь должен быть рассчитан на мощность P = 11 КВТ.

Вычисляем полную мощность электродвигателя:

Определяем номинальный ток двигателя:

Для управления данным электродвигателем выбираем преобразователь модели АТ04-15 исполнения IP21 (Рис. 19).

Номинальная мощность, КВТ 20

Номинальная мощность электродвигателя, КВТ 15

Номинальный ток нагрузки, Ih, А 30

Масса, кг 22

Определим полную мощность и номинальный ток электродвигателя АИР 160 S2 (насос АВЗ-180). Преобразователь должен быть рассчитан на мощность P = 15 КВТ.

Вычисляем полную мощность электродвигателя:

Определяем номинальный ток двигателя:

Для управления данным электродвигателем выбираем преобразователь модели АТ04-22 исполнения IP21 (Рис. 19).

Номинальная мощность, КВТ 30

Номинальная мощность электродвигателя, КВТ 22

Номинальный ток нагрузки, Ih, А 45

Масса, кг 24

Рис. 19 Габаритные размеры преобразователей ТРИОЛ АТ04 011 … 022 IP21

3.3.2 FAB AF-10MR-A Логические модули FAB (ARRAY, Тайвань) представляют собой программируемые реле с релейными или транзисторными выходами (Рис. 20). Они достаточно просты и доступны для изучения и эксплуатации, и в тоже время, позволяют создать гибкую систему автоматизации достаточно сложных объектов.

Рис. 20 Логический модуль FAB AF-10MR-A Особенности модулей FAB: · Съемный ЖК-дисплей на 4 строки по 10 символов;

· Встроенный календарь и часы реального времени;

· Дистанционное управление и передача речевых сообщений по телефонной линии;

· Возможность коммуникации по RS-485 для удаленного обслуживания и мониторинга. В комплекте идет несложная (бесплатная) SCADA-программа для ПК;

· Высокая нагрузочная способность выходов: реле - до 10А, транзисторы - до 2А;

· Широкий диапазон рабочей температуры окр. среды: -25... 55 грд.С;

· Программирование с ПК или ЖК-панели. Защита доступа к программе с помощью пароля;

· Память программы: 64K;

· Объем программы: 127 функциональных блоков, 127 таймеров, 127 счетчиков, 127 интервалов RTC;