Розробка функціональної схеми автоматизації вентиляції

І. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Вступ

В наш час широкого розповсюдження набирає металообробка та металоскладальні роботи. Стрімкий розвиток будівництва житлових масивів, засобів виробництва, транспорту вимагає наявності широкої гамми металевих виробів різноманітних типів, видів, різними видами і складністю конфігурації. Металообробка являється основною складовою стратегічного комплексу країни, а також є основною частиною ВВП нашої країни.

Основну роботу з металом виконують в цехах.

Основними роботами в цехах по металообробці та метало зборці є виконання зварювальних робіт, пресування, стругання, шліфування металів.

До вентиляційних норм приділяють велику увагу, так як це насамперед веде до безпечної роботи працівників та захист їх при аварійних режимах, таких як загазованості приміщення від виконання газозварювальних робіт.

Правильною вентиляцією досягається регулювання температури та вологості приміщення за рахунок збільшення або зменшення повітряного потоку вентилятора.

Використання оптимальних систем контролю і регулювання дасть змогу зменшити навантаження з оператора верстату, зменшить ризик виникнення аварійних режимів роботи, підвищить якість обробки металевих деталей. З точки зору економіки — зменшення простою в роботі.

1.2 Конструкція, робота та технічні характеристики

Механічний цех складається з:

1. Місце електрогазозварювальників.

2. Станок гнуття заготовок.

3. Станок штампування отворів у заготовках.

4. Прес гнуття заготовок.

5. Гільятина.

6. Вентиляційна шахта.

Опис об'єкту.

Вентиляційна система складається з вентиляційних шахт та двигуна з вентилятором. Вентиляційні шахти з'єднані між собою трубами діаметром 1 м.

Рис 1. Схема електична принципова управління до модернізації.

Електрична схема працює таким чином:

При натисненні на кнопку SB2 вмикається двигун М з першою максимальною швидкістю і стає в пам’ять. Коли необхідно зменшити навантаження вентиляції натискають на кнопку SB3 — котра вмикає магнітний пускач KM2 котрий своїми виконавчими контактами замикає коло ротора двигуна змінного струму, цим самим зменшуючи величину його номінальних обертів.

Кнопка SB4 — вимикає режим занижених обертів двигуна. Кнопка SB1 здійснює повне знеструмлення схеми управління.

Основні технічні характеристики

Потужність двигуна вентилятора — 11 кВт Число обертів першої швидкості - 1500 об/хв.

Число обертів другої швидкості - 1000 об/хв.

1.3 Огляд основних напрямків на модернізацію технологічної роботи верстату

Проаналізувавши вентиляційну систему механічного цеху мною було помічено ряд недоліків, а саме відсутність плавного регулювання обертів вентилятора вентиляції, контролю параметрів мікроклімату цеху: загазованість продуктами газозварювання, вологості та температури.

Таким чином основні напрямки на модернізацію вентиляційної системи будуть:

1. Контроль основних технологічних параметрів мікроклімату цеху.

2. Контроль і регулювання роботи вентилятора.

3. Аварійна сигналізація роботи.

Перш за все потрібно контролювати рівень загазованості в цеху Для повного контролю слід використати датчики загазованості, котрий виконуватиме роль сигналізації та регулювання режиму роботи двигуна вентиляції, тобто своїми контаками діяти в схему управління та виконувати поставлені задачі.

Для контролю та сигналізації загазованості буде застосовуватися газоаналізатор OLCT-20 що виконує роль вимірювання вмісту горючих і токсичних газів та кисню.

Рис. 2 Схема підключення газоаналізатора.

Контакти клемника датчика

5 — навчання

4 — головний вихід

2 — додатковий вихід

3 — корпус (мінус)

1 — живлення

Схемою управління будуть лише використовуватися контакти № 3,4 та контакти подачі живлення. Основні параметри датчика (Див додаток, табл. № __).

Для контролю вологості повітря буде використано датчик типу 907 021/10.

Рис 3 Датчик вологості.

Для контролю температури в приміщенні цеху слід використати пирометричний датчик температури серії М18 з встроєним вихідним контактом та аналоговим виходом в діапазоні 0…10 В.

Всі датчики будуть встановлюватися на верхній частині будівлі цеху, тобто на потолку, де будуть максимально точно зніматися данні про основні параметри середовища цеху.

Досить не сучасним є використання електричних схем на реле. Тому, з використанням сучасних технологій та мінімізації буде використано мікроконтроллер типу КМ1816ВЕ51. Основою виконавчої системи контролера є системне програмування контролера, що забезпечує ефективний доступ до всіх ресурсів контролера і виконання запрограмованих користувачем програм. Всі модулі контролера підтримують систему модулей «Plug & Play», що означає що при установці нового модуля в контролер він одразу автоматично показується .

Рис. 4 Стандартна схема включення мікроконтролера Для регулювання швидкості обертання вентилятора слід використати частотний перетворювач. Найбільш краще по можливостям підходить перетворювач фірми LENZE, котрий має можливість попереднього програмування, захист силового кола від короткого замикання, прискорення та уповільнення двигунів, гальмування двигунів. Ще одна з переваг — доступний великий вибір перетворювачів по потужності та гарантія якості.

Рис. 5 Схема підключення частотного перетворювача:

Даний частотний перетворювач в своєму складі має синхронний порт вводу війкової інформації бітової розрядності, котра має свій ваговий коефіцієнт зміни вихідної величини частоти на двигун за допомогою внутрішньосхемного рішення перетворювача та програмної прошивки .

Так, як силова схема захищається автоматичними вимикачами, то слід застосувати захист від КЗ шляхом під єднання до портів мікроконтроллера контактів автоматів. Таким ж чином буде під'єднуватися реле напруги.

Спрацювання цих елементів буде фіксуватися мікроконтроллером, а той в свою чергу вимикатиме вентиляцію та вмикати сигналізацію світлову та звукову. Все це виконуватиметься за допомогою програмного алгоритма.

II. ПРОЕКТНО-РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

2.1 Технічні умови на проектування

Схема електрична принципова повинна забезпечувати слідуючі функції та операції:

Напруга живлення силового кола -380 В Напруга живлення кола управління -5 В Тип вентилятора — на лопастях ККД вентилятора — 0,75

Допустима похибка регулювання +/-5%

Забезпечити контроль від обриву фаз Забезпечити захист від КЗ.

Схема управління на мікроконтроллері.

Запуск двигуна на симісторах Контроль і регулювання вологості, температури і рівень загазованості об'єкту

2.2 Розробка функціональної схеми автоматизації

В даному курсовому проекті при розробці автоматизації приводу змішування стружки та зв’язуючої суміші мною було використано комплекти:

2.2.1. — контроль вологості об'єкта. Комплект складається з:

2.2.1.1 — В якості датчика та перетворювача вхідного сигналу слугує датчик вологості.

2.2.1.2 — В якості впливу на схему управління використовую вихід аналогового сигналу що подається в принципову схему

2.2.2. — контроль температури об'єкту. Комплект складається з:

2.2.2.1 — В якості датчика та перетворювача вхідного сигналу слугує датчик температури.

2.2.2.2 — В якості впливу на схему управління використовую вихід аналогового сигналу що подається в принципову схему.

2.2.3 — контроль складу повітря. Комплект складається з:

2.2.3.1 — В якості датчика та перетворювача вхідного сигналу слугує газоаналізаторний датчик.

2.2.3.2 — В якості впливу на схему управління використовую вихід аналогового сигналу що подається в принципову схему.

2.2.4. Блок управління на мікроконтроллері.

Рис. 6 Функціональна схема

2.3 Розробка і розрахунок циклограми робочих органів

Час роботи механізмів даної системи задається алгоритмом роботи на мікроконтроллері за допомогою програмування відповідно до потреб технологічного процессу.

Схемою управління буде здійснюватися запуск двигуна вентилятора і він працюватиме постійно поки не виникне аварійна ситуація та при закінченні робочого дня. За допомогою зворотнього звязку за рахунок датчиків та початкових настройок буде змінюватися вихідна величина обертів на валу двигуна.

Рис. 7 Циклограмма роботи.

2.4 Розробка циклограми вхідних та вихідних елементів

Вхідні елементи:

SB1- відключення схеми (СТОП);

SB2 — включення схеми управління;

SB3 — вибір режиму роботи;

SB4 — попередній контроль роботи;

SB5 — запуск роботи

KU1 — контакт реле обриву фаз;

QF1 — контакт несправності блоку живлення;

QF2 — контакт несправності двигуна вентилятора;

VD1…3 — сигналізація роботи обладнання Вихідні елементи:

VS1-VS3 — комутуючі пристрої двигуна вентилятора;

Так, як в данному курсовому проекті схему управління виконано на мікроконтроллері, і мікроконтроллери програмуються на конкретний режим роботи виходячи з алгоритму, котру він повинен виконати.

Рис. 8 Циклограма логічного звязку

2.5 Математична модель схеми управління

Y=[(SB1+SB2+SB3+SB4+SB5)DD1+(WEDD2+TEDD3+GEDD4)*

*VD1VD2VD3]VS1…3

2.6 Розробка схеми електричної принципової

Схема електрична принципова працює таким чином: при натисканні на кнопку SB1 — пуск системи, вмикається за алгоритмом роботи мікроконтроллер, здійснюється опитування портів на наявність помилок та несправностей в силовому вузлі. При вдалому скануванні портів та при попередній настройці параметрів подач вмикаєтся двигун вентилятора котрий запускається за допомогою симісторів через оптрони, котрі сполучаються з відповідними ножками мікроконтроллера. Режим роботи двигуна задається початковим налагодженням частотного перетворювача та задаючою дією датчиків температури, вологості та газоаналізатора, котрі вмикаються через аналогово-цифрові перетворювачі що перетворюють аналоговий сигнал в сигнал цифрових кодів, котрі поступають на порт вводу мікроконтроллера та встроєного алгоритму обробляються.

При завищеній температурі в цеху збільшуються оберти вентилятора, щоб по скоріше вивільнити гаряче повітря. При надмірному рівні загазованості вентилятор також починає обертатися швидше, така ж дія виникає і при підвищеній вологості в цеху.

Світлодіоди VD1…3 сигналізують аварійні режими .

Автоматика безпеки здійснена датчиками максимальних — критичних показів та контактів QF1, QF2,KU що виведені на світлову сигналізацію.

2.7 Розрахунок та вибір елементів контролю та регулювання, силового обладнання та захисту на базі ПК з використанням електронної бази даних

Розраховуємо двигун вентилятора.

Потужність двигуна розраховується за формулою (2.ст56);

де Q — продуктивність вентилятора, м3/с.

H — напор=500 Н/м.

з — ККД приводу=0,75

де V — швидкість повітря вентиляції, м/с.

R — діаметр січіння трубопроводу вентиляції

Обираємо двигун на 7,5 кВт типу 4А132S4 I_н=15.7А n=1460 об/хв

Cos ц 0.87 ККД=87,5%(див додатки, табл.1.)

Вибір автоматичного вимикача двигуна вентилятора.

Для визначення робочого струму двигуна використовується формула (3,ст. 68, формула 2.4):

Для розрахунку струму спрацювання автомата використовується формула (2. с 87. IV.4):

І_авт=k х I_н/а, А. (6).

де, а — 0,8…3.

Інномінальний струм двигуна.

k — кратність пускового струму до номінального.

І_авт=7×15,7/1=110А Струм теплового розчеплювача автомата розраховується за формулою (2. с 89. IV.7):

І_тепл= 1,1…2,5Ін (7).

І_тепл=1,5×15,7=24А.

Обираю автомат типу BA88 — 35 I_т=24А I_ел=110А (див. додатки табл. 3).

Вибір силових симісторів двигуна вентилятора.

Для нормального запуску двигуна потрібно обирати симістори у яких робочий струм повинен перевищувати пусковий струм двигуна, щоб симістор в момент запуску не вийшов з ладу.

Робочий струм симістора розраховується за формулою (3. с 51).

І_сим=(k*Ін)*X, A. (8).

де k — кратність пускового струму двигуна.

Ін — номінальний струм двигуна, А.

X — коефіцієнт запасу по струму (1,1…1,5).

І_сим=(7×15,7) х 1,5=165 А.

Обираємо силові симістори типу ТС171−200 (див. додатки табл. 4).

Розрахунок резисторів та конденсаторів в колі оптронів та вибір оптронів.

Рспр=1Вт — потужність спрацювання симісторів

Uж=24В — напруга живлення в колі симісторів В колі оптрона потрібно погасити напругу :

U_гас=380-U_ж=380−24=356 В.

І_гас=Р_спр/U_гас=1/356=0,0028А — струм гасіння в колі управління симісторів.

Розраховуємо опір гасіння:

R=U_гас/I_гас=356/0,0028=127кОм.

Обираю конденсатор ємністю 0,1мкФ з робочою напругою 500 В котрий має опір частоті 50Гц:

Хс=½рfc=½×3,14×50×0,1×10^-6=32 кОм.

Опір резисторів рівний:

127−32=95кОм.

Найближчий номінал резистора рівний 100 кОм.

Потужність розсіювання резистора:

Р_роз=І² х R=0.0028² х 100 000=0,78 Вт Найближчий номінал потужності росіювання рівний 1 вт.

Тому виходячи з робочих струмів в колі управління симісторами обираю оптрони типу МОС3081 для всіх двигунів (див.додатки табл. 5).

Вибір реле обриву фаз:

Для захисту обладнання необхідно контролювати зміну напруги в три-фазному колі. Для цього використовую реле контролю трифазних кіл, яке повинно мати велику швидкодію, просліджувати любі зміни напруги в колі. Згідно необхідних вимог обираю реле контролю трифазних кіл типу TRW400VN4X U=200…400B (див додатки табл. 6).

Вибір блоку живлення.

Для схеми управління необхідне живлення 5 В та 24 В. Тому вибираю стабілізований здвоєнний блок живлення типу ABL-7RE2405 P=60Вт (див. додатки табл. 2).

Вибір кнопок.

Для схеми управління необхідно кнопки з малим робочим струмом, тому я обираю кнопки 18 типу І=0,5А (див додатки табл 7).

Вибір світлодіодів індикації.

Для індикації потрібні світлодіоди з напругою живлення 5 В, червоного кольору.(див. додатки табл. 12) Світлодіоди повинні бути підключені послідовно з опором номінал якого лежить в межах 1−5 кОм.

Для приводу двигуна обертання деталі обираю частотний перетворювач типу E82EV752K4B з потужністю в 7,5 кВт f=5−400Гц, U=220−380V (див додатки табл. 8)

2.8 Перелік елементів системи

2.9 Розрахунок надійності системи автоматики

На практиці використовють орієнтований розрахунок надійності по середньогруповій інтенсивності відказів елементів. В цьому випадку в якості вихідних данних використовуються значення інтенсивності відказів лі елементів різних груп і чисел Nі елементів які входять в систему. Сутність розрахунку зводиться до знаходження То і вірогідності безвідказної роботи Р (t).

Рекомендується слідуючий порядок розрахунку;

1 Елементи зпроектованої системи розбивають на групи приблизно з однаковими інтенсивностями відказів і підрахунку кількості елементів Nі в кожній групі.

2 По табличним інтенсивностям відказів встановлюють значення лі кожної групи елементів.

3 Розраховують добуток ліNі які характеризують долю відказів вносимих елементами кожної групи в загальну інтенсивність відказів системи.

4 Визначають загальну інтенсивність відказів системи.

5 Розраховуємо час напрацювання на відказ То То=1/лс.

6 Визначаємо вірогідність безвідмовної роботи системи

Розрахунок надійності схеми (див. додаток табл 12):

Мікросхем — 4шт*0,3 *10^-6=1,2*10^-6

Опорів змінного струму — 3шт*13*10^-6=39*10^-6

Оптронів — 1шт*1,5*10^-6=1,5*10^-6

Двигунів — 1шт*30*10^-6=30*10^-6

Реле обриву фаз — 1шт*13*10^-6=13*10^-6

Автоматів — 3 шт*8*10^-6=24*10^-6

Кнопки — 5шт*6*10^-6=30*10^-6

Світлодіодів — 3шт*0,8*10^-6=2,4*10^-6

Симістори — 3шт*12*10^-6=36*10^-6

УліNі=271,1*10^-6

То=1/271,1*10^-6=3690 год.

Будуємо номограму

Рис. 13 Монограма роботи обладнання

2.10 Доцільність прийнятих рішень

Використовуючи сучасні новітні технології та розробки де основною характеристикою є мінімізація схем та енергоекономія ресурсів можливо забезпечити в декілька разів більшу стійкість системи в порівнянні з релейними схемами, котрі характеризуються порівняно високою електричною споживчою потужністю та порівняно малим строком служби, що викликане наявністю контактів та частим їх підгорянню. Тому використавши ІМС одночасно було вирішено в габаритних розмірах самої схеми управління, мінімізація елементів, мала споживча потужність схеми. Симісторні пускачі також мають ряд переваг перед магнітними пускачами, насамперед відсутність підгоряння контактів, бо симістор є безконтактним елементом, ще відкривається малою потужністю (близько 1−2Вт).

Прийняті рішення в даному курсовому проекті дають змогу значно продовжити роботу елементів, зменшити споживчу потужність, зменшити собівартість, упростити використання, полегшити управління та забезпечити контроль силового обладнення.

Література

1. Терещук Р. М. та ін. Напівпровідникові сприймаючо — підсилюючі пристрої: Довідник радіолюбителя.- 3-є видання, перероб., і доповн. — Київ: наукова думка, 1987. — 800 с.

2. Збірник типових інструкцій по охороні праці/сост. В. Л. Михайлова, З. П. Гуляєв, — 3-е видання, виправлене — М.: «Недра», 1978. — 735с.

3. Електротехнічний справочник. Т.1. Под общ. Є45 ред. П. Г. Грудниского та ін. Вид 5 — е, виправл. М., «Енергія», 1974.

4 Каталог SV_ALTERA 2003/2005 року (www.svaltera.kiev.ua).

5. Електронна бібліотека ELCOM 2003

Додатки

модернізація вентиляція механічний цех Таблиця 1

Номінали потужностей двигунів.

Таблиця 2

Блоки живлення

Таблиця 3

Номінали автоматів.

Таблиця 4

Номінали симісторів.

Таблиця 5

Номінали оптронів.