Система автоматизації колонного дифузійного апарату цукрового заводу на базі контролера TSX Micro 3710 з підключенням до ПЕОМ

Вступ Механізація та автоматизація на сучасних промислових підприємствах та електростанціях мають вирішальне значення як один з основних способів підвищення продуктивності праці, випуску продукції вищого ґатунку і зменшення собівартості готової продукції.

При механізації ручна праця замінюється роботою механізмів, людина при цьому повинна безперервно керувати машинами, механізмами та установками або спостерігати за їх діями. Механізація підготувала шлях для автоматизації, тобто передачі функцій керування механізмами та виробничими процесами, приладами та автоматичними регуляторами. Виникли автоматичні системи регулювання процесами, які протікають безперервно.

В подальшому відбувається перехід до автоматизованих систем керування технологічними процесами (АСКТП), виробництвами (АСКВ), з використанням електронних управляючих обчислювальних машин (УОМ). В АСК людина в основному спостерігає за перебігом технологічного процесу. При цьому обслуговуючий персонал має можливість у будь-який момент відключити автоматичні регулятори або УОМ і перейти на ручне керування. Для цього використовують засоби дистанційного керування приводами елементів обладнання. Застосування засобів сигналізації, технологічного захисту, блокування та автоматичного включення резерву (АВР) дозволяє автоматизувати і саму ліквідацію аварійних ситуацій.

Основними позитивними наслідками автоматизації є:

1) об'єктивність контролю та керування, виключення впливу суб'єктивних факторів, таких як уповільнена реакція, втома, слабкість зору і т.ін.;

можливість централізації керування агрегатами і цілими виробничими комплексами практично без обмеження відстані;

ефективність використання обладнання, шляхом підвищення продуктивності агрегатів та установок за рахунок оптимізації технологічних процесів шляхом зменшення зносу обладнання та подовження матеріальних термінів за рахунок ліквідації різних змін механічних та теплових навантажень;

точне дотримання технологічних регламентів за заданими або оптимальними кількісними показниками, що забезпечує:

а) підвищення якості продукції;

б) раціональне використання палива, води, енергії, пари, допоміжних матеріалів та проміжних продуктів, також при автоматизації суттєво зменшуються витрати електроенергії на власні потреби ;

можливість керування процесами при великих швидкостях їх протікання, критичних значеннях параметрів;

надійність та безпечність роботи обладнання, попередження виникнення і розвитку аварійних ситуацій (при аварії автоматична система виключає можливість помилкових дій персоналу та не допускає її подальшого розвитку);

підвищення продуктивності та покращення умов прачі, зростання кваліфікації кадрів, зменшення кількості обслуговуючого персоналу.

Сучасний розвиток виробництва цукру супроводжується все більш широким застосуванням автоматизованих систем управління технологічними процесами. Передумовами для цього являються: концентрація виробництва, приріст потужностей виробництва, оснащення підприємств новим обладнанням, наявність нових сучасних технічних засобів автоматизації. Широке застосування автоматизованих систем управління обумовлюється значним економічним ефектом, який досягається за допомогою забезпечення заданих якостей вироблених продуктів незалежно від суб'єктивних факторів, зменшення втрат цінних продуктів, зниження трудоємності в процесі виробництва. Поряд з локальними системами управління окремими операціями і основними технологічними процесами широко впроваджуються централізовані системи управління на базі мікроЕОМ. Дослідження показали, що застосування локальних систем управління окремими операціями ефективно для невеликих заводів і при малих об'ємах виробництва.

В ряді випадків системи управління характеризуються застосуванням технічних засобів і пристроїв управління, побудованих за принципом «жорсткої» логіки, тобто по заздалегідь заданій схемі комутації апаратури і її елементів без застосування управляючих комплексів. Автоматичні управляючі дії тут запрограмовані по часовій та логічній програмам з зв’язками між суміжними об'єктами управління. Причому всі функції управління виконуються технічними засобами. За оперативним персоналом залишається лише виконання допоміжних функцій. Взагалі такі системи проектуються і монтуються разом з усіма виробничими комплексами підприємства.

Системи управління, побудовані на основі використання пристроїв програмного і логічного управління з «жорсткою» логікою функціонування консервативні до зміни структури і алгоритмів управління. Необхідність модифікувати систему в процесі експлуатації призводить до значної витрати часу і матеріальних ресурсів. Будь-яка зміна в алгоритмі управління, наприклад в наслідок зміни технології, потребує перемонтажу електричних та пневматичних блоків і змінення їх кількості. Тому в останній час в багатьох випадках автоматизовані системи управління застосовуються в більш прогресивній формі, яка відрізняється тим, що замість Пристрої програмного і логічного управління з «жорсткою» логікою функціонування використовують управляючі обчислювальні комплекси (УОК) на основі мікро — та міні - ЕОМ і мікропроцесорні контролери. Використання програмних технічних засобів автоматизації дає можливість легко здійснювати необхідні зміни в системі управління шляхом перепрограмування без монтажних переробок.

Ця форма є найбільш ефективною при управлінні технологічними процесами.

Застосування систем управління з використанням програмних засобів управління на основі мікропроцесорної техніки обумовлено універсальністю високою надійністю в експлуатації, можливістю зміни програми функціонування. Вартість таких систем нижча вартості аналогічних систем, які створені н основі традиційних технічних засобів автоматичного управління.

Характерною особливістю сучасних автоматизованих систем управління в цукровій промисловості являється те, що вони здійснюються на основі типових алгоритмів і математичних моделей з урахуванням особливостей даної галузі.

Головними завданнями, які стоять перед харчовою промисловістю є збільшення обсягів виробництва і покращення якості продукції, що випускається. При цьому важливе значення надається впровадженню нової техніки та підвищенню продуктивності праці. Особлива роль відводиться автоматизації процесів на всіх стадіях переробки харчових продуктів і сировини, починаючи з їх прийому від постачальників і закінчуючи розфасовкою та відправкою готових виробів до споживачів.

Одним з головних направлень прискорення науково-технічного прогресу в промисловості є утворення і впровадження автоматизованих систем управління усіх рівнів. Тому актуальним є завдання на скорочення всіх стадій розробки і введення в дію нових систем. Автоматизовані системи управління побудовані на базі управляючої обчислювальної техніки та мікропроцесорних засобів. Тому в даних системах однаково важливі питання як створення основних частин системи, так і врахування людського фактору, тобто розподіл функцій між технічними засобами та людиною.

Автоматизація цукрового виробництва забезпечує якісну та ефективну роботу технологічних дільниць тільки у випадку комплексного підходу до вирішення поставлених задач. При такому підході необхідно підготувати до автоматизації технологічне устаткування, технологію та вибрати необхідні засоби автоматизації для основних та допоміжних процесів.

Технологічний процес цукрового виробництва являється в загальному випадку безперервно-поточним процесом і здійснюється головним чином в безперервно діючому обладнанні, а тому задовольняє основні вимоги з точки зору його автоматизації.

Разом з тим, впровадженню автоматизації передує велика та трудоємка робота, яка пов’язана з капітальними витратами. З урахуванням останніх перш за все і визначається економічна доцільність автоматизації.

Пропонується розглянути систему автоматизації колонного дифузійного апарату цукрового заводу на базі контролера TSX Micro 3710 з підключенням до ПЕОМ (IBM PC/ATX — Pentium-IV-800). Ця система дасть змогу здійснювати автоматичне регулювання технологічним процесом, забезпечить технологічну індикацію та сигналізацію.

1. Схема автоматизації

1.1 Опис схеми автоматизації

Функціональною схемою автоматизації колонної дифузійної установки КДА-15 передбачається автоматичне регулювання матеріального балансу, теплового режиму і ряду інших параметрів, специфічних для апаратів такого типу.

Зміна продуктивності бурякорізок здійснюється за вимірюваннями витрат бурякової стружки, тобто навантаження транспортера стружкою (поз.1а, 1б, ваги конвеєрні ВК-201 «Сведа»), вихідний сигнал (4.20мА) з перетворювача надходить на контролер. З контролера сигнал через частотний перетворювач Lenze 8200 SMD (поз.1в) подається до електроприводів бурякорізок (Д1, Д2).

Регулювання рівню в шахті ошпарювача здійснюється за рахунок зміни інтенсивності відкачки готового дифузійного соку. Рівень вимірюється двома п'єзотрубками (поз.4а), з яких пневматичний сигнал поступає на блок перетворювачів тиску ПДТ — 34 (поз. 4б) з уніфікованим вихідним сигналом 4.20 мА, який поступає на модуль аналогових входів TSX AEZ 802, після чого МПК програмно реалізує ПІ-регулятор і видає сигнал на модуль аналогових виходів TSX ASZ 401. Потім сигнал 4.20 мА, через частотний перетворювач Lenze 8200 SMD (поз.4в) подається на електропривід (Д3), який змінює частоту обертів двигуна насосу відкачки готового дифузійного соку.

Регулювання витрат циркуляційного соку в шахту ошпарювача здійснюється за допомогою індукційного витратоміра ИР-61М (поз.5а, 5б), з вихідним сигналом 4.20 мА, що потрапляє на контролер, де реалізується регулятор співвідношення і формується регулюючий вплив. Цей регулюючий вплив через частотний перетворювач Lenze 8200 SMD (поз.5в) надходить до електроприводу (Д4), який впливає на роботу насосу подачі циркуляційного соку в шахту ошпарювача.

Регулювання подачі соку на мішалку ошпарювача здійснюється за допомогою індукційного витратоміра ИР-61М (поз.6а.6б), з вихідним сигналом 4.20 мА. З нього сигнал подається на контролер, де обробляється за програмою і через електропневматичний перетворювач ЭП-1124 (поз.6в), який перетворює його в пневматичний сигнал 20−100 кПа, подається на клапан типу 25ч32нж (6г) подачі соку в мішалку ошпарювача.

Регулювання температури у підігрівачі здійснюється за допомогою термометру опору ТСМ-1088 (поз.9а), сигнал з якого надходить на нормуючий перетворювач Ш-79 (поз.9б), а з нього уніфікований сигнал 4.20 мА потрапляє до контролера. З контролера, через електропневматичний перетворювач ЭП-1124 (поз.9в), який перетворює його в пневматичний уніфікований сигнал 20−100 кПа і подає на клапан типу 25ч32нж (9г) подачі пари в підігрівач.

Регулювання рівню в колоні дифузійного апарату здійснюється за рахунок управління роботою насосу подачі сульфітованої води. Вимірювання рівню в колоні апарату проводиться п'єзотрубками (поз.10а), з яких пневматичний сигнал поступає на перетворювач тиску ПДТ-34 (поз. 10б) з уніфікованим вихідним сигналом 4−20 мА, а з нього на контролер. З контролера регулюючий сигнал подається через частотний перетворювач Lenze 8200 SMD (поз.10в) на електропривід Д5, що керує роботою насоса.

Регулювання питомого навантаження колони здійснюється контуром з вимірювальними шунтами 11а-11б. Вихідним є спад напруги на вимірювальних шунтах (поз.11а), значення якого пропорційне силі струму в силовому колі електроприводу Д8. Спад напруги подається на перетворювач Е568/1 (поз.11б). 3 виходу перетворювача уніфікований сигнал 4.20 мА надходить в контролер. Вихідний сигнал з контролера через частотний перетворювач Lenze 8200 SMD (поз.11в) управляє електроприводом (Д6), що керує роботою насосу, який зиінює подачу сокостружкової суміші в колону апарата.

Регулювання кількості подачі жомопресової води в колону реалізована за допомогою витратоміру ИР-61М (поз.12а, 12б), з вихідним сигналом 4.20 мА, що поступає на вхід контролера, а з контролера надходить до частотного перетворювача Lenze 8200 SMD (поз.12в), звідки до електроприводу (Д7), що керує роботою насосу подачі жомопресової води в апарат.

Регулювання температури жомопресової води на вході в дифузійний апарат здійснюється за допомогою термометру опору ТСМ-1088 (поз.21а), сигнал з якого надходить на нормуючий перетворювач Ш-79 (поз.21б), а з нього уніфікований сигнал 4.20 мА потрапляє до контролера. З контролера, через електропневматичний перетворювач ЭП-1124 (поз.21в), який перетворює його в пневматичний уніфікований сигнал 20−100 кПа і подає на клапан типу 25ч32нж (21г), який регулює подачу пари в збірник жомопресової води.

Контроль витрати дифузійного соку, сульфітованої води, жому та формаліну здійснюється індукційними витратомірами ИР — 61 М (поз.3а-3б, 13а-13б, 17а-17б, 18а-18б). Сигнал 4.20 мA надходить на контролер.

Контроль рівню у збірнику дифузійного соку, в ошпарювачі, в ємкості формаліну, в збірниках сульфітованої та жомопресової води здійснюється за допомогою п'єзотрубок (поз.2а, 8а, 16а, 19а, 20а), з яких пневматичний сигнал поступає на перетворювач тиску ПДТ-34 (поз.2б, 8б, 16б, 19б, 20б) з уніфікованим вихідним сигналом 4−20 мА, а з нього на контролер. З контролера дані про рівні потрапляють на вищий рівень, де проводиться їх архівація.

За допомогою двох контурів проводиться вимірювання перепаду тиску на вертикальній сітці в ошпарювачі (поз.7а) і на горизонтальній сітці в дифузійному апараті (поз.22а) контролюють забрудненість сіток. Уніфіковані сигнали 4−20 мА з перетворювачів тиску ПДТ-34 поступають на контролер.

Температурний режим роботи дифузійної установки контролюється за допомогою термоперетворювача опору (поз.14а) типу ТСМ-1088 (діапазон вимірювання -50°С…+150°С). Далі сигнал з термометра опору поступає на нормуючий перетворювачі типу Ш-703 (поз. 14б). Цей перетворювач, призначений для перетворення сигналів від термоперетворювачів ТСМ та ТСП в уніфікований струмовий сигнал 4.20 мА, має діапазон вимірювання 0…180°С. З перетворювача уніфікований сигнал надходить у контролер.

Контроль якості дифузійного соку здійснюється за допомогою рН-метра (поз.15а-15б) типу ПП10, вихідний сигнал з якого 4.20 мA надходить на вхід контролера.

Якісні показники роботи дифузійного апарату досягаються у тому випадку, якщо при будь-яких режимах роботи дифузійного відділення не припиняється циркуляція соку з колони на ділянці підігрівач — мішалка ошпарювача — колона, тому ця витрата реалізовується за допомогою спеціальної програми реалізованої в контролері TSX Micro, основною її задачею є встановлення такого режиму роботи системи, при якому буде не допустимою зупинка насосів Д1-Д7, та повне закриття клапану подачі соку на мішалку ошпарювача (поз.6г).

Для боротьби з таким явищем, під час роботи дифузійної установки, як утворення «пробок», які утворюються через погану якість бурякової стружки чи перегрівання стружки через недотримання температурних режимів тощо, в ошпарювачі передбачено подачу поверхнево-активних речовин (ПАР).

Всі технологічні параметри, які контролюються в даній системі автоматизації передаються через інтерфейсний зв`язок на вищий рівень.

1.2 Специфікація комплексу технічних засобів автоматизації

Таблиця 1.2

2. Принципова електрична схема автоматичного регулювання та управління Принципову схему регулювання та управління зображено на 2-му аркуші графічної частини курсового проекту. Всі вхідні сигали від датчиків поступають на вхідні ПЗО (модулі аналогових входів) після чого програмно обробляються і поступають на вихідні ПЗО (модулі аналогових та дискретних виходів) і виконавчі механізми та двигуни насосів.

До вхідних ПЗО в даному випадку відносяться TSX AEZ 802 — 3 шт. (напівформатний модуль аналогових входів, 8 входів), який призначений для перетворення уніфікованого сигналу 4−20 мА в цифровий сигнал -10 000−10 000 одиниць контролера.

Вихідні ПЗО — TSX ASZ 401 — 3 шт. (напівформатний модуль аналогових виходів, 4 виходи), TSX DMZ 28AR (модуль дискретних входів-виходів).

Аналоговий сигнал, що під'єднується до клемної колодки модуля TSX AEZ 401 займає один вхід і має один спільний провід з сигналом, що підмикається до другого входу, тобто кожні два сигнали мають гальванічне розділення. Для регулювання використовується алгоритм PID з стандартної бібліотеки алгоритмів TSX Micro, він в своєму складі має обмежувач на вхідне та вихідне значення та ланку, що формує зону нечутливості.

Розглянемо на прикладі проходження сигналу від датчика до виконавчого механізму. За приклад візьмемо контур регулюваня температури в мішалці ошпарювача. Сигнал від датчика ТСМ-1088, через нормуючий перетворювач Ш-79 з вихідним сигналом 4.20 мА заводиться на модуль аналогових входів TSX AEZ 802 і під'єднується до його входів %IW2.9 та %IW2.10. Модуль перетворює аналоговий елетричний сигнал у цифрову форму для програмної обробки, тобто:

IF %IW2.9>0 THEN

PID (`','',%IW2.9, %QW5.13,%M1, M100:43);

%MW100:=10 000;

%MW101:=0;

%MW102:=250; (П-складова регулятора)

%MW103:=100;(І-складова регулятора)

%MW104:=0;(Д-складова регулятора)

%MW106:=10 000;

%MW107:=0;

%MW108:=10 000;

%MW109:=10 000;

%MW110:=0;

%MW111:=0;

END_IF;

Після обробки сигналу програмою, сигнал у вигляді регулюючої дії поступає на модуль TSX ASZ 401, який перетворює цифровий сигнал у аналогову форму 4.20мА, що поступає на електропневматичний перетворювач типу ЕП-1124; він перетворює електричний сигнал 4.20мА в пневматичний сигнал 20−100кПа. Далі сформований сигнал поступає на виконавчий механізм типу МИМ-100, який подає сигнал на регулюючий орган. Всі інші контури регулювання реалізуються аналогічно.

3. Принципова електрична схема сигналізації

Схема сигналізації, що зображена на 5-ому аркуші графічної частини проекту включає в себе світлову сигналізацію, технологічну сигналізацію про входження технологічних параметрів у передаварійні межі, а також про роботу та відключення двигунів. Схема сигналізації реалізована на нижньому рівні АСКТП.

Розглянемо на пикладі ланцюг проходження сигналу на принциповій схемі сигналізації. За приклад візьмемо контур сигналізації температури в мішалці ошпарювача. Сигнал від датчика ТСМ-1088, через нормуючий перетворювач Ш79 з вихідним сигналом 4.20 мА заводиться на модуль аналогових входів TSX AEZ 802 і під'єднується до його входів %IW2.9 та %IW2.10. Модуль перетворює аналоговий елетричний сигнал у цифрову форму для програмної обробки, тобто:

%KW10:=10 000; (аварійний max 80? С)

%KW11:=8750; (аварійний min 70? С)

IF %IW2.9?%KW10 THEN SET%M100; (вікно параметру на дисплейній мнемосхемі стане червоним)

END_IF;

IF %IW2.1?%KW11 THEN SET%M101; (вікно параметру на дисплейній мнемосхемі стане жовтим)

END_IF;

Сигналізація всіх інших параметрів працює аналогічно.

Ми маємо сім контурів управління: управління електродвигунами Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6, Д7 (див. лист 2). Зображена принципова схема управління електродвигуном Д1 (Д2, Д3, Д4, Д5, Д6, Д7 реалізовані аналогічно). Кнопки дистанційного управління (кнопка «Пуск» «Стоп»).

Програма управління двигуном М1:

%KW1:=500;

IF%IW2.1