Автоматичне управління змішувальною установкою

  2. Вступ

2.1. Повне найменування  АСУ ТП.

Автоматичне управління змішувальною установкою. 

2.2. Засади до утворення  АСУ ТП.

Технічне  завдання, яке розробляється в  відповідності з навчальним планом спеціальності 7.092501 «Автоматизація і  компютерно інтегровані технології». 

2.3. Терміни початку  й закінчення робіт,  найменування організацій  учасників утворення  АСУТП.

  Початок робіт: 07.02.2011р;

  Закінчення  робіт: 16.05.2011р.

Найменування  організацій учасників утворення  АСУТП: кафедра автоматизації виробничих процесів Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури. 
 
 
 
 
 

  3. Характеристика технологічного  об’єкта управління (ТОУ)

3.1. Необхідні відомості  про технологічне  обладнання, у тому  числі відомості  щодо механізації  й автоматизації.

3.2. Дані про технологічний  процес, регламент  і режими роботи  об’єкта.

В якості об'єкта управління для змішування бетонної суміші використовуются змішувальна установка.

Будівельний бетон від цементного розчину  відрізняєтся тим, що крім цементу, піску та води, з яких складається цементний розчин, в бетон додається четверта складова - великий наповнювач (щебінь). Готова бетонна суміш за своєю консистенцією має рухомий склад, компоненти якого повинні бути чітко дозовані. В іншому випадку конструкції з бетону неналежної якості будуть менш міцні і більш схильні до дій навантажень і навколишнього середовища: вологості і холоду.

Основним  компонентом у складі бетону є  цемент. При взаємодії з водою (гідратація цементу) він знаходить  свої скріплювальні властивості і при затвердінні утворює тверду монолітну структуру, так званий «цементний камінь». Але без наповнювача (піску і щебеню) дана структура не є міцною і придатною для будівництва, оскільки дає сильну усадку. Внаслідок чого конструкцію «рве» невеликими тріщинами, іноді не помітними оку, і в подальшій експлуатації даної конструкції, вона почне розсипатися від впливу навантажень і навколишнього середовища. Саме щоб уникнути такої усадки до складу бетону і додаються наповнювачі. Вони, по суті, створюють каркас конструкції, а розчинений у воді цемент обволакує їх і разом з піском заповнює порожнечі. Крім зниження усадки, наповнювачі так само збільшують і міцність, знижуючи деформацію конструкції і її «повзучість» під впливом навантажень. До того ж наповнювачі значно знижують собівартість самого бетону, тому що цемент набагато дорожче піску і щебеню.

У середньому вагове співвідношення складових бетонну  суміш (товарний бетон) таке: на 1 частину  цементу доводиться 2 частини піску, 4 частини щебеню і 0,5 частини води. Якщо перевести все це в одиниці  об'єму, то отримаємо, що виробництво  бетону об'ємом 1 куб зажадає:

  - 0,25 м ³ цементу (що при насипній  щільності в 1300 кг / м ³ одно 325кг);

  - 0,43 м ³ піску (що при насипній  щільності в 1400 кг / м ³ одно 600кг);

  - 0,9 м ³ щебеню (що при насипній  щільності в 1350 кг / м ³ одно 1200кг);

  - 0,18 м ³ води (180 літрів або 180кг).  

Склад заповнювачів.

Склад заповнювачів призначений для тимчасового  зберігання і відвантаження інертних матеріалів на дозатор. Видатковий бункер може складатися з 3-6 секцій, загальною  місткістю від 30 до 240 м3. Конструкція  виконується з посилених сталевих зносостійких пластин з розпірками, для забезпечення додаткової жорсткості.

Кожна секція бункера забезпечена двома  живильниками для відвантаження  заповнювачів на дозатор. Розвантажувальні заслінки наводяться в рух поглинаючими пневматичними циліндрами подвійної  дії. Для поліпшення якості зважування заслінки виконують більш швидке закриття, ніж відкриття, що дозволяє ефективно реалізувати досип  матеріалів малими порціями до необхідної кількості.

Бункери для піску та щебню забезпечуються вібраторами, змонтованих на окремих плитах, щоб звести до мінімуму вібрацію і зменшити втому металу в конструкції бункера.

Подача  заповнювачів у витратні бункери  може здійснюватися різними способами: ковшовим навантажувачем, самоскидами  з пандуса, похилим конвеєром  і т.д.

Система зважування.

Заснована на використанні високоточних і надійних тензометричних датчиків, які забезпечують точність зважування 0,2%. Корпуси датчиків виконані з нержавіючої сталі і герметично закриті для запобігання попадання вологи. Датчики мають захист від зовнішнього впливу високої напруги.

Заповнювачі подаються порціями на системи зважування через живильники та транспортери видаткових бункерів складу. Обсяги додаються порцій регулюються управляючою системою шляхом зменшення часу відкриття заслінок бункерів заповнювачів. Процедура повторюється до досягнення заданої маси кожного конкретного заповнювача, після чого система управління включає привід конвеєра і отдозовані матеріали передаються на систему транспортування заповнювачів в змішувач.

Система транспортування  заповнювачів в змішувач.

Для транспортування  матеріалів від блоку дозування  в змішувач використовується стрічковий транспортер або скіповий підйомник. Стрічковий конвеєр забезпечує більш  оперативне завантаження інертних в змішувач. Для будівельних майданчиків, де простір обмежений, рекомендуються установки зі скипом, що робить завод більш компактним. 
 

Скіповий  підйомник.

Скіповий  механізм, має барабан з подвійним намотуванням троса, може бути поставлений замовникові з двома різними швидкостями підйому і спуску ковша. Ківш переміщається на сталевих роликах по напрямних рейках, що гарантує його відмінну стійкість під час руху. Механічні та електричні страхувальні пристрої, в поєднанні з огородженням та іншими захисними пристосуваннями, гарантують високу ступінь безпеки при роботі скіпа.

Підйомник також оснащений системою запобігання  провисання троса, яка за допомогою  роликів і кінцевих вимикачів  дозволяє зробити зупинку ковша  в будь-якій точці в умовах повної безпеки. Розвантажувальний люк  розташований у днищі ковша, що має  форму усіченого конуса.

Дозатор цементу.

Бункери, виготовлені зі сталевих пластин, обладнані  живильниками, фільтрами для повітря, що видаляється, перепускними клапанами  з електропневматичним управлінням, вібраторами і пристроями пластифікації. Дозатор розміщується безпосередньо  над міксером. Завантаження отдозірованного  цементу в міксер відбувається самопливом.

Система дозування води.

Вагове  дозування води із застосуванням  тензодатчиків дозволяє отримати високу точність водоцементного співвідношення. Конструкція дозатора забезпечує швидку подачу води в міксер.

Використання  в складі заводу датчиків вологості  заповнювачів і комп'ютерної системи  управління дозволяє автоматично коректувати  порції води, що додається у відповідності  із заданим співвідношенням вода/цемент. 
 

Пневматичний  вузол.

Пневматичний  вузол призначений для підготовки повітря і його подальшої передачі до заслінок. Вузол оснащується компресором, повітряним балоном, фільтром, регулятором, клапаном й системою змащення.

Змішувач.

Заповнювачі,вода та цемент потрапляють у змішувач.Тарілчасті планетарні змішувачі примусової типу з вертикальним розташуванням приводу і осями обертання валів. Залежно від моделі змішувача може використовуватися одна або дві змішувальні зірки, з трьома важелями кожна. Привід, відповідно, здійснюється одним або двома електродвигунами.

Днище і стінки внутрішньої поверхні змішувача  покриваються змінними зносостійкими  пластинами з високоміцної сталі. Важелі зі змішувальними лопатками також  обертаються навколо вертикальної осі і перекривають всю поверхню змішувального бака. Розвантажувальний  люк в днищі змішувача відкривається  за допомогою гідроциліндра автоматикою  управління, а при необхідності - вручну. Інспекційні люки, розташовані  по периметру змішувача надають  зручний доступ для очищення, контролю стану і обслуговування змішувача. 

3.3. Перелік енергоресурсів, що використовуються  та їх характеристики, характеристики вихідної сировини, споживчих матеріалів та вихідного продукту.

Енергоресурси: джерело змінного струму однофазне, частотою 50 Гц, напругою 220 В і трьохфазне з напругою 380 В.

Вихідною  сировиною після змішувача є готова бетонна суміш. 

3.4. Відомості про  умови експлуатації, характеристики приміщень,  особливості ТОУ  і навколишнього  середовища.

Одним з важливіших умов експлуатації є  безперервне, безперебійне енергозабезпечення всіх елементів бетонного заводу.

Одною з важливіших вимог до приміщення є вентиляція. Така необхідність виникає  у зв’язку з тим, що при дозуванні піску та щебня є значна запиленість повітря. Але суттєвого забруднення навколишнього середовища в процесі виготовлення бетонної суміші немає.

 Все  це досягається тим, що на  вентиляцію встановлено фільтри очистки повітря і датчики запиленості, що сигналізують про максимально – допустиму норму запиленості. Тому можна сказати, що виготовлення бетонної суміші є екологічно чистою і не приносить шкоди навколишньому середовищу. 

  4. Призначення АСУ  ТП

  4.1. Відомості про  цільову функцію  управління.

Цільовою  функцією автоматизованої системи  управління технологічним процесом виготовленням бетонної суміші є зменшення затрат енергоресурсів і забезпечення потрібної точності зважування всіх копмонентів.

4.2. Перелік функцій  системи з розбивкою  їх за групами.

Інформаційні  функції:

  - Збір, первинна обробка і збереження технічної і технологічної інформації;

  - Побічні вимірювання параметрів процесу і роботи технологічного обладнання;

  - Сигналізація стану параметрів технологічного процесу і обладнання;

  - Підготовка інформації для суміжних та вищестоящих систем та рівнів управління;

  - Реєстрація параметрів процесу, стану обладнання і результатів розрахунків;

  - Контроль і реєстрація відхилень параметрів процесу і стану обладнання;

  - Аналіз спрацьовування пристроїв блокування та захисту;

  - Оперативне відображення інформації та рекомендацій ведення процесу.

  Функції управління:

  - Регулювання окремих параметрів технологічного процесу (дозування матеріалів);

  - Каскадне регулювання;

  - Управління двигунами транспортерів, скиповим підйомником живильників, вентиляторів, змішувача. 

4.3. Періодичність та  форми подання  інформації.

Покази  роботи системи відображаються на приладах встановлених на щиті управління, а  також на ПК оператора. Контрольно - вимірювальні прилади повинні постійно реєструвати параметри, які впливають  на хід технологічного процесу. Уся інформація стосовно стану агрегату і технологічного процесу в цілому негайно надходить на пристрої її відображення і тому швидкість її надання операторові АСУ ТП визначається лише швидкістю передачі даних після їх обробки. 

4.4. Вимоги щодо точності  та якості регулювання.

Величина  статичної помилки повинна бути не більше 0,5-1%. Пере регулювання –  не більше 10%. Коливальність - d = 3. 

4.5. Обсяг розвитку  системи, що планується.

В подальшому планується створення однієї загальної  системи управління технологічним  процесом виготовлення бетонної суміші, шляхом об’єднання даної системи управління з автоматизованою системою управління дозаторами дискретної дії. 

  5. Попередній розрахунок  загальної вартості  системи

  на  стадії техніко-економічного обґрунтування

Попередній  розрахунок загальної вартості системи  проводиться із застосуванням наступної  формули: 

  де: Qmin – мінімальна вартість АСУ ТП, умовно зведена до одного параметру, вартість АСУ ТП (приймається 1000 грн.);

  к1 – коефіцієнт, що характеризує вид АСУ ТП - 1;

  к2 – коефіцієнт, що характеризує число підсистем 1;

  Поб – ємність оперативної пам’яті, Кб (приймається 128 Кб).

  Да – число вхідних аналогових сигналів - 6;

  к3 – коефіцієнт складності аналогових сигналів, що використовується (приймається 0,4);

  Дд – число вхідних дискретних сигналів - 14;

  к4 – коефіцієнт складності дискретних сигналів, що використовується (приймається 0,05);

  Bу – число керуючих впливів (число виконавчих механізмів) - 4;

  к5 – коефіцієнт режиму роботи АСУ ТП (приймається 2). 

  Отже  сумарні затрати на створення  АСУ ТП становлять грн. 

  6. Вимоги до АСУ  ТП

6.1. Характеристики необхідної  точності й швидкодії  виконання кожної  функції.

Характеристики  необхідної точності й швидкодії  задані у пункті 4.4. 

6.2. Значення показників  надійності згідно  до ГОСТу 21705-76.

Застосування  методів алгебри і логіки дозволяє в кінцевому підсумку скласти  принципові схеми автоматичних пристроїв, що мають мінімальну кількість функціональних елементів. У цьому сенсі застосування методів алгебри і логіки в  частині мінімізації схемних  рішень певною мірою дає можливість підвищити надійність проектованих пристроїв автоматики. Таке підвищення надійності грунтується на властивості  структурної схеми основного (послідовного) з'єднання елементів по надійності нерезервованої систем.

Дійсно, якщо одне і те ж функціональне  завдання вдається вирішити різними  способами (схемними рішеннями) на одній  і тій же елементній базі, то, природно, надійніше буде той варіант, в  якому міститься менша кількість  елементів. За наявності двох варіантів  схемних рішень маємо:

   , при n2>n1    

де n2, n1 - кількості елементів, використаних у першому і другому варіанті відповідно. Однак, якщо навіть застосовується мінімальна кількість елементів  результуюча надійність проектованого  пристрою може виявитися менше задається  значення Р, (необхідної норми надійності, що задається замовником). У цьому  випадку необхідно вдаватися  до резервування найбільш ненадійних елементів схеми з метою підвищення результуючої надійності. Величина структурної  надійності не залежить від характеру  операцій, виконуваних тим чи іншим  автоматичним пристроєм, а залежить від надійності використовуваних в  них елементів і їх кількості.

У цьому  плані методика розрахунку надійності не резервованих систем не має специфічних  особливостей, в яких враховувався б характер виконуваних автоматичним пристроєм операцій.

Розрахунок  надійності системи управління.

Послідовність попереднього розрахунку наступна:

  - Використавши ФС автоматизації  і провівши аналіз впливу відмов  елементів на функціонування  системи автоматизації необхідно  скласти схему включення елементів  для розрахунку надійності.

При цьому  слід пам’ятати:

  а) під відмовою розуміється подія, що призводить до порушення працездатності.

  б) елемент включається в схему  для розрахунку надійності с-ми послідовно, якщо його відмова приведе до відмови  всієї системи.

  в) елемент включається в схему  для розрахунку надійності с-ми паралельно, якщо його відмова не приведе до відмови всієї системи в цілому.

  В даному випадку для подальших  розрахунків необхідно групи  паралельних елементів замінити одним еквівалентним, використавши формули резервування і звести кінцеву  схему розрахунку надійності до послідовної.

При розрахунку надійності СУ в якості чисельних  значень, що показують інтенсивність  відмов, приймемо середньостатистичні  значення за групами приладів.

  Група №1 (вимірюючі прилади): к1 = 6, λ1 = 20*10^-8;

  Група №2 (перетворювачі): к2 = 2, λ2 = 5*10^-8;

  Група №3 (виконавчі механізми): к3 = 4, λ3 = 79*10^-8;

  Група №4 (інші прилади): к4 = 14, λ4 = 6*10^-8;

  Група №5 (МК): к5 = 1, λ5 = 8*10^-8.

  Визначаємо  загальну інтенсивність відмов по всій системі:

  λ₀ = ∑к_iλ_i = 5.35*10^-6

В тих  випадках коли в систему входять  однотипні елементи їх можна об’єднати  в групи.

Визначаємо  кількісні значення необхідних показників надійності:

  - середня норобітка на відмову.

  Т₀ = 1/ λ₀ = 1.859*10⁵

  - ймовірність безвідмовної роботи  за заданий час.

  Р = е^-λt = 0.549

  Де t=60000год

Для забезпечення заданого рівня надійності використовується метод резервування згідно з формулою:

  Р_с.рез = 1-(1- е^-λТ)^m+1

  Де m – кратність резервування

  m = 2,  Р_с.рез = 0.979

Визначаємо  загальну інтенсивність відмов після  резервування.

  λ_с.рез = (λ(m+1) е^-λТ(1- е^-λТ))^m/(1-(1- е^-λТ)^m+1) = 1.062*10^-6

Визначаємо  середню норобітку на відмову  після резервування.

  Т_с.рез = 1/ λ_с.рез = 941600 год 

6.3. Вимоги до збереження  інформації при  аваріях джерел  енергопостачання.

При аваріях  джерел енергопостачання передбачено  використання джерел безперебійного живлення, здатних забезпечити об’єкт управління енергією на деякий час. В якості подальшого розвитку системи передбачено створення  другої, незалежної аварійної системи  живлення.

6.4. Ергономічні вимоги  до системи.

Ергономічні вимоги до системи згідно з ГОСТ 22269-76 «Рабочее место оператора. Взаимное расположение элементов рабочего места. Общие эргономические требования».

Також при проектуванні операторських  і диспетчерських приміщень необхідно  враховувати не лише технічні вимоги, а і вимоги ергономіки - наукової дисципліни, яка комплексно вивчає людину (групу людей) у конкретних умовах його (їх) діяльності в сучасному виробництві.

1. Приладові  панелі.

Компоновка  приладів та апаратури на панелях  при проектуванні приладових панелей  передує етап прийняття компонувальних рішень пункту управління в цілому. Визначаються прилади та групи панелей, які необхідні для оперативного управління технологічним процесом. Враховуються технічні та психофізичні особливості діяльності оператора  як в нормальному, так і в аварійному режимах роботи системи.

Прилади, що відображають найбільш відповідальні  параметри роботи системи і найбільш часто використовувані, розташовуються в межах оптимальної зони поля зору. Так, прилади, що вимірюють параметри  одного об'єкта розміщуються у відповідності  з напрямком зчитування - зліва  направо і зверху вниз. Прилади  на панелях у вертикальній площині  встановлюються не вище 1,8 м і не нижче 1 м від основи (для точного  відліку показань - відповідно до 1,6 і 1,2 м). Щоб поліпшити огляд щита і знизити вплив паралакса  на зчитування показань приладів, їх розташовують так, аби вісь зору оператора була перпендикулярна приладовим панелям. Рекомендується прилади групувати  у вертикальні ряди, якщо вони вимірюють  подібні параметри, і в горизонтальні, якщо контрольовані параметри різні 

2. Пульти.

Пульт управління - основне робоче місце  оператора - повинен забезпечувати  зручне і раціональне розташування органів управління, окремих приладів, сигнальних пристроїв, засобів зв'язку. Необхідно, щоб кількість пристроїв  на пульті було достатнім для виконання функцій з управліннм об'єктом, а їх групування враховувало функціональне призначення, ступінь важливості того або іншого пристрою, частоту використання і вимоги ергономіки. Положення органів управління на пульті повинно відповідати взаємному положенню пов'язаних з ними пристроїв сигналізації та приладів на щиті. Вибір органів оперативного управління (кнопок, тумблерів, ключів, вимикачів, перемикачів) залежить в основному від режиму роботи оператора і ступеня його участі в управлінні об'єктом.

Рекомендуються  такі основні розміри пульта для  роботи, сидячи: глибина робочої  площини - не більше 800 мм, нахил стільниці - 10 - 20 °, висота пульта - 750 - 850 мм.

3. Мнемосхеми.

Мнемосхема  не повинна містити надлишкової  інформації, і при проектуванні враховуються як послідовність, так і окремі стадії у вирішенні оператором завдань  управління: оцінка виникнення змін в  системі; прийняття рішення про  необхідні впливи на систему; вибір  об'єктів, вплив на які потрібно для  відновлення оптимального режиму роботи системи, контроль за виконанням прийнятого рішення.

Елементи  мнемосхем повинні чітко виділятися розмірами, формою і кольором. 

6.5. Поєднання системи  з суміжними системами.

Дана  система повинна забезпечувати  якісний, легкодоступний інформаційний  зв'язок з іншими системами.

Можливі варіанти поєднання даної АСУ  ТП з іншими системами наведені у пункті 4.5. 

6.6. Патентна чистота.

Наведена  АСУ ТП не являється патентно чистою розробкою. 

6.7. Чисельність і  кваліфікація оперативного  та ремонтного  персоналу.

В однозмінний  режим роботи мінімальна чисельність  оперативного та ремонтного персоналу  досягає 12 людей, до складу якого входять:

• оператор АСУ ТП;
• начальник зміни (старший майстер);
• механіки;
• електрики;
• служби КВПіА і АСУ ТП;
• обслуговуючий персонал.

  Рис. 1 – Схема організаційної структури в умовах функціонування АСУ ТП

  7. Вимоги до замовника  по підготовці  об’єкта

7.1. Перелік вимог  до приміщення  оператора АСУ  ТП і розміщення  управляючого обчислювального  комплексу.

За умовами  договору має бути обладнано приміщення для оператора АСУТП, проведені  лінії силового зв'язку (220/380 В), здійснена  прокладка сигнального кабелю до оператора АСУТП, а також телефонних ліній. Приміщення має бути таких  розмірів, щоб можна було встановити щит КВП і до нього був вільний  доступ.

Вимоги  до приміщення:

За призначенням: робоче, чергове та аварійне;

Освітлення: з верхнім розташуванням джерел світла, аварійне – автономного  живлення, в виробничих умовах –  місцеве освітлення.

Навколишнє  середовище: відсутність агресивної середи, що руйнує метал або ізоляцію.

Рівень  небезпечності: низький (рівень вологості  нормальний або нижчий за норму, температура  підвищена). 

7.2. Перелік вимог  до технологічного  обладнання, що пов’язані  з утворенням АСУ  ТП.