Автоматизация камерной электро печи

Министерство  образования Республики Беларусь "Пинский  государственный индустриально-педагогический колледж"             КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по Автоматизации технологических процессов                                                                                                                                                                                      Пинск 2013                       Пинск 2006

           

УО ″ Пинский государственный  индустриально-педагогический колледж″

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

 

Тема: №12. Автоматизация управления камерной электропечи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

_{Содержание}

                                                                                                                  

      

    

1. Введение стр. 1
2. Технологическая характеристика объекта автоматизации. стр. 2
3. Разработка функционально-технологической схемы. стр. 3
4. Разработка схемы автоматизации. стр. 5
5. Расчет и выбор технических средств автоматизации. стр. 10
6. Расчет и выбор нестандартных технических средств. стр. 16
7. Определение основных показателей надежности 
   автоматической системы. стр. 18
8. Разработка и составление схем соединений и подключений стр. 21
9. Инструкция по технике безопасности при обслуживании

объекта автоматизации. стр. 22

10. Заключение. стр. 24
11. Литература. стр. 25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       1 Введение.

Актуальным вопросом научно-технического прогресса   в   сельском   хозяйстве   является   создание и строительство полностью механизированных и автоматизированных     объектов. Производственный цикл в них будет осуществляться автоматически без вмешательства человека,  функции которого будут уводиться к контролю за работой и эксплуатации технологического оборудования.

В сельском хозяйстве возникла необходимость применения современных  систем автоматического управления технологическими процессами (АСУ-ТП), которые при помоли электронных вычислительных машин не только автоматически управляли бы технологическими циклами на производственных объектах, но и выбирали оптимальный вариант производства, обеспечивающий минимальные трудовые затраты, наименьшую себестоимость продукции и наилучшее ее качество.

Первоочередные задачи в системе сельскохозяйственного  производства следующие: экономия топлива и энергии во всех сферах хозяйства, прежде всего за счет совершенствования технологии производства, создания и внедрения энергосберегающих оборудования, машин и аппаратов; сокращение всех видов энергетических потерь и повышение уровня использования вторичных энергоресурсов; замещение в хозяйстве нефтепродуктов природным газом и другими энергоносителями; экономия электроэнергии путем рационального ее использования и, оптимальной загрузки оборудования.

 

 

 

2Техническая характеристика объекта автоматизации

 

Автоматизируемая установка камерная электропечь типа СНО устанавливается на сельскохозяйственных ремонтных предприятиях. Данная установка подключена к автоматическому щиту управления типа ИЗР, установленному на стене, питающемуся по кабельной линии марки                 АВВГ - 4 * 6мм^2.. Щит управления подключен к силовому распределительному щиту типа РП. Распределительный щит питается от щитовой проводами марки АПВ – 4 * 10мм², в стальной трубе. Данный объект подключен к подстанции типа КТП по ВЛ, проводами АС – 35.

   Технические данные автоматизированной  установки сводим в таблице №1

 

                                                 Таблица №1

№	Наименование	Рн, кВт	Sн, кВА	Iн, А	nн, мин -1	Т, С	R, Ом	Uк.з., %	Тип, марка
1   2   3	Эл. двигатель   Электронагреватель   Автотрансформатор	0,37   0,8   -	-   -   1	1,2   3,63   -	1500   -   -	-   250…350   -	-   60,6   -	-   -   2,5	4А63В4У3 ТЭН – 21 ОСМ - 1

 

 

 

  3 Разработка функционально-технологической схемы.

 

При создании автоматических систем управления технологическими процессами с/х производства одним из ответственных этапов является разработка оптимального, т.е самого эффективного, варианта технологического процесса подлежащего автоматизации.

В связи с тем, что с/х характеризуется  многообразием отраслей производства и разнообразием технологических процессов, разработка оптимального технического процесса в каждом конкретном случае представляется весьма сложной задачей. Развитие унифицированных процессов с/х производства способствует успеху разработки оптимальных, пригодных для автоматизации технологических процессов.

На основании этого разрабатываем и вычерчиваем технологическую схему технологического процесса.                                                                                   

                   Технологическая схема камерной  электропечи

 

Описание работы:

Сельскохозяйственные ремонтные предприятия оснащаются в основном камерными электропечами сопротивления с металлическими нагревателями. Печи рассчитаны на работу в окислительной (воздушной) среде (типа СНО) или с защитной газовой средой (типа СНЗ). Камерные печи сопротивления — простейшие   из   выпускаемых   промышленностью, и в то же время они наиболее универсальны и применяются для нагрева деталей под закалку,  отпуск, отжиг,  нормализацию, цементацию, пайку твердыми припоями, нагрев заготовок под ковку, штамповку, прессование. Печи сопротивления с металлическими нагревателями подразделяются на низкотемпературные (до 700 °С), среднетемпературные (до 1200 °С) и высокотемпературные (до 1300 ^СС). При более высоких температурах применяются печи с нагревателями из дисилицида молибдена, карборунда и других неметаллических материалов.

На небольших ремонтных  предприятиях наиболее распространены однозонные камеры печи типа СНО (С — сопротивление, Н — нагревательная, О — нагрев в окислительной среде). Печи выпускаются на мощность от 12 до 125 кВт, максимальная температура в рабочей камере 1000 °С. Конструкция печи (рис. 22.1) включает рабочую камеру, сложенную из огнеупоров и тепловой изоляции, заключенную в металлический кожух. На внутренних огнеупорных стенках камеры смонтированы открытые электрические нагреватели  из  нихрома  круглого или  прямоугольного сечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Разработка  схемы автоматизации.

Схема автоматизации представляет собой принципиальную схему, которая  иллюстрирует порядок электрических соединений отдельных элементов установки между собой. На них изображают все элементы и связи между ними, которые показывают входные и выходные цепи. Изображение элементов обязано отвечать обесточенному состоянию всех цепей схемы. Условные обозначения позволяют понять принцип действия отдельных элементов и всего устройства в целом. Для удобства чтения схема должна быть логически последовательной и читаться слева направо, или сверху вниз. Каждому элементу схемы присваивают буквенно-цифровое позиционное обозначение. Буквенное обозначение обычно представляет собой сокращенное наименование элементов, а цифровое, в порядке возрастания и в определенной последовательности, условно показывает нумерацию элементов, читая слева направо или сверху вниз.

4.1 Разработка и вычерчивание схем блокировок.

           

                

 

 

 

 

 

 

 

 

    
 
                    4.2 Разработка и вычерчивание силовой электрической схемы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЕК — электронагреватели   печи;   М — электродвигатель   привода   дверцы; Y—электротормоз

 

 

4.3 Разработка схемы автоматизации  установки камерной электропечи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

   

 

 

        Схема управления камерной электропечи в ручном и автоматическом режиме

   Электрические печи типа СНО подключают к сети непосредственно или через автотрансформаторы. Для управления печам выпускаются щиты управления типа ИЗР (измерение, запись и регулирование температуры) или более простые (для маломощных печей) типа ИР (рис. 22.2). Нагреватели печи ЕК питаются через автотрансформатор TV, который включается в сеть контактором KMI. Дверца печи поднимается и опускается электродвигателем М, управляемым реверсивным пускателем КМ.. В верхнем и нижнем положениях электродвигатель отключается конечными выключателями SQ1 и SQ2. В отключенном состоянии электродвигатель затормаживается электромагнитом Y. Нагреватели могут включаться и отключаться вручную (переключатель SA в положении Р) или автоматически (положение А) при помощи терморегулятора SK.

Датчиком температуры  терморегулятора служит термопара ВК, устанавливаемая в верхней зоне рабочей камеры печи. Благодаря высокой тепловой инерции печи двухпозицнонное регулирование температуры осуществляется только одним контактом SK2. Контакт SK1 замыкается при превышении температуры в печи выше максимального значения. При этом загорается сигнальная лампа HL1, обращая внимание персонала на ненормальный режим. Автоматическое включение нагревателей возможно только при закрытой дверце, когда замыкается блокировочный контакт SQ2.2. Лампы HL2 (красная) и HL3 (зеленая) сигнализируют о включенном и отключенном состоянии нагревателей.

Срок службы открытых нагревателей печей сопротивления составляет до 10 000 ч.

 

 

 

5 Расчет и выбор технических  средств автоматизации

5.1 Расчет силовой цепи.

Выбираем магнитный пускатель ПМЛ, для двигателя 4А63В4У3, реверсивный с двумя кнопками «пуск» и одной кнопкой «стоп»

 

Определим номинальный  ток электродвигателя по формуле:

 

 А;                                     (5.1)

 

1.Ток магнитного пускателя должен быть больше, либо равно номинальному току электродвигателя.

I_пуск. I_{н. д.};          10 А>1,2 А; - условие выполняется (Елистратов стр. 160)

2.Напряжение катушки  магнитного пускателя должно  быть равно напряжению сети.

U_к = U_сети;          380 В=380 В; - условие выполняется

3.Ток магнитного пускателя должен быть больше, либо равно отношению пуского тока электродвигателя к шести.

Рассчитаем пусковой ток  электродвигателя по формуле:

I_п= A;                                                                           (5.2)

I_п= А;         10 А>0,8 А; - условие выполняется

4.Степень защиты должна соответствовать условиям окружающей среды.

IP=54 – условие выполняется

5.Схема соединения электроустановки  должна соответствовать ПУЭ.

Выбираем магнитный пускатель  ПМЛ - 162102

 

 

 

Выбираем магнитный пускатель  ПМЛ для электронагревателя ТЭН  – 21, нереверсивный, с сигнальными  лампами

1. Ток магнитного пускателя должен быть больше, либо равно номинальному току электродвигателя.

I_пуск. I_{н. э.};           10А>3,63А; - условие выполняется

 

2. Напряжение катушки магнитного пускателя должно быть равно напряжению сети.

U_к = U_сети;          220 В=220 В; - условие выполняется

3. Степень защиты должна соответствовать условиям окружающей среды.

IP=54 – условие выполняется

4.Схема соединения электроустановки  должна соответствовать ПУЭ.

Выбираем магнитный пускатель  ПМЛ – 123002

 

Данные по двум выбранным магнитным  пускателям сводим в таблицу № 5.1

Тип пускателя	Количество	Номинальный ток	Величина пускателя	Число контактов
ПМЛ – 162102	1	10	1	1з+1р
ПМЛ - 123002	1	10	1	1з+1р

 

Выбираем автоматический выключатель QF1 для электронагревателя ТЭН - 21

1.Номинальное напряжение автомата должно быть больше, либо равно номинальному напряжению электронагревателя

U_н.а U_н.у ;          660 В=380 В; - условие выполняется

2. Номинальный ток автомата должен быть больше, либо равно номинальному току электронагревателя

I_н.а I_н.у;         25 А>3.63 А; - условие выполняется

3.Ток теплового расцепителя  должен быть больше, либо  равно  1,2 I_р

Где I_р - рабочий ток электронагревателя, I_р=I_н;

I_н=3,63 А;

I_н.р 1,2 I_р ;         5 А>1,2 3,63 А=4,4 А; - условие выполняется

4.Ток электромагнитного  расцепителя должен быть больше, либо равно 10 I_н.р

I_эр 10 I_н.р;        14 3,63 А 10 5 А;    50,8 А>50 А; - условие выполняется

Выбираем автоматический выключатель ВА51Г – 25

Выбираем автоматический выключатель QF2 для электродвигателя 4А63В4У3

1.Номинальное напряжение автомата  должно быть больше, либо равно  номинальному напряжению электронагревателя

U_н.а U_н.у ;          660 В=380 В; - условие выполняется

2. Номинальный ток автомата должен быть больше, либо равно номинальному току электронагревателя

I_н.а I_н.у;     25 А 1,2 А; - условие выполняется  

3.Ток теплового расцепителя  должен быть больше, либо  равно  1,2 I_р

Где I_р - рабочий ток электронагревателя, I_р=I_н;

I_н=1,2 А;

I_н.р 1,2 I_р ;         1,6 А 1,2 1,2 А=1,44 А; - условие выполняется

4.Ток электромагнитного расцепителя  должен быть больше, либо равно  10 I_н.р

I_эр 10 I_н.р;        14 1,2 А 10 1,6 А;    16,8 А 50 А; - условие выполняется

Выбираем автоматический выключатель ВА51Г – 25

 

 

Данные по двум выбранным автоматическим выключателям сводим в таблицу № 5.2

Тип выключателя	количество	Номинальный ток, А			Ток электромагнитного расцепителя
		выключателя	расцепителя
ВА51Г - 25	1	25		5	14Iн
ВА51Г - 25	1	25		1,6	14Iн

 

 

5.2 Расчет цепи управления.

Выбираем промежуточное реле KV, стр.167, т. 
3.43, Елистратов П.С. «Электрооборудование с/х предприятий».

тип	Количество контактов		Напряжение катушки, переменного тока, В
	размыкающих	замыкающих
ПЭ - 10	4	4	220

 

Выбираем кнопочную станциию, стр.155, т.3.26, Елистратов П.С. «Электрооборудование с/х предприятий».

тип	Число кнопок	Степень защиты
		толкателей	контактов
ПКЕ 112-3У3	3	IP54	IP54

 

 

Выбираем режимный переключатель SA, стр. 162, т.3.35, Елистратов П.С. 
«Электрооборудование с/х предприятий».

 

тип	Число секций
УП 53-11	2

 

Выбираем коммутаторные лампы HL1, HL2,  HL3, марки «АК»

Uл = 60 В ; j = 55 мА

Узнаём напряжение гашения на резисторе

U_k=U_н – Uл = 220 – 60 = 160 В;   

          R = = 3 кОм

Выбираем резисторы R1 R2 R3 марки ППБ (Каганов И.П. стр.72)

 

Выбираем конечные выключатели  SQ1 и SQ2

Тип, серия	Переменное напряжение, В	Ток, А
ВПК - 1000	380	4
ВПК - 1000	380	4

 

Выбираем терморегулятор SK, стр.35, т. 18, В.И.Бодров 
«Автоматика на сельскохозяйственных предприятиях»

тип	Шкала, С	Количество рабочих контактов
ТПК	100-1000	1

 

 

Рассчитываем токи протекающие  по параллельным ветвям

Номинальный ток нереверсивного магнитного пускателя

I_н= А;

Номинальный ток реверсивного магнитного пускателя

I_н= А;

Номинальный ток промежуточного реле

I_н= А;

 

Рассчитываем однополюсный автоматический выключатель

        I_н.р I_н;                                                                         (5.3)

        I_н.р 1,2(0,01+0,01+0,02)=0,05 А;

 

тип	Номинальный Ток, А	Ток  расцепителя, А
АК63	63	0,63

 

6 Расчет и выбор автоматического  щита управления.

Аппаратура управления, измерения, защиты и сигнализации для большей сохранности ее и удобству эксплуатации размещается комплектно в различных щитах, ящиках, шкафах, пультах разнообразных по наименованию, конструкции, размеров и назначения. Подобные устройства регламентированы ГОСТ 3613-78 «Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов». За основу их конструкции принят каркас -жесткий , объемный, объемный или плоский, металлический остов предназначенный для установки на нем плит, панелей, стенок, дверей, крышек, поворотных или стационарных рам, унифицированных монтажных конструкций и монтажа приборов, аппаратов, установочных изделий, электрической и трубной проводки. Площадь

монтажа панели определяется по формуле S= (Н + 2а) (В + 2а) ,

где S - площадь панели задней стенки; п -число аппаратов; Н -высота аппарата; В -ширина аппарата; а -монтажное расстояние между аппаратами, а также вертикальными стенками а=20мм.

Размеры аппаратов:

Магнитный пускатель первой величины ПМЛ -4,5х7,5см.

Промежуточное реле ПЭ-10 -12,5х9см.

Автоматический выключатель серии  ВА -8х10см.

Терморегулятор -10х16

Найдем площадь монтажной  панели:

S=

+

=387.5+348.5+576+432=1744см=0,17м²;

Размеры монтажной панели 40х4Зсм².

 

 

 

Выбираем автоматический щит управления, стр.217, т. 3.11 Елистратов 
П.С., «Электрооборудование с/х предприятий».

Сокращенное Обозначение типа	Высота, мм	Длина, мм	Глубина, мм	Напряжение, В	Ток, А
РУС510513	500	500	250	380	60

 

 

6.1 Компоновка автоматического  щита управления

                                                                                       (табл. 3.11.2   Елистратов )

Обозначение устройства	Аппараты, встраиваемые в устройство
	Автоматы		Магнитные пускатели		Предохранители		Кнопки управления		Другие аппараты
	тип	количество	тип	количество	тип	количество	тип	количество	тип	количество
РУС510513	ВА51Г - 25     АК63	2       1	ПМЛ – 162102     ПМЛ - 123002	1     1	- -	- -	ПКЕ 112-3У3	1	ТПК   УП 53-11   ПЭ – 10   Лампы АК	1   1   1   3

 

7 Определение  основных показателей надежности.

Одним из наиболее важных требований предъявляемых к системам автоматического управления и автоматическим устройствам является надежность их работы.

Надежность -это свойство объекта выполнять заданные функции сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах соответствующих установленным режимам и условиям использования технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Нарушение работоспособности объекта называется ~ отказом. Безотказность -свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течении некоторого времени или некоторой наработки (наработка -продолжительность или объем работы объекта).

Вероятность безотказной работы электрических элементов автоматики

определяется по формуле: P(t)=е , где е -основание натурального логарифма; к -коэффициент характеризующий условие окружающей среды, для мобильных сельскохозяйственных установок = 10 15,  для стационарных =25 30;  -интенсивность отказов.

Элементы автоматики	10-6, ч-1	t, ч
Автоматы	0,22 10-6	1000
Датчик температуры	4,5 10-6	10000 70000
Ключи управления	0,6 10-6	11000
Лампы накаливания	1,8 10-6	50000 500000
Провода, кабели	0,1 10-6	1160
Пускатели	10 10-6	10000 15000
Резисторы	1,5-8 10-6	10 106 35 106
Реле напряжения	3 10-6	10000 15000
автотрансформатор	5 10-6	0,5 106 100 106
Электродвигатель	10-22 10-6	0,5 106 100 106
Нагревательные элементы	0,3 10-6	10000 70000

 

Рассчитаем вероятность работы элементов автоматики камерной электропечи.

Р(t)= е ;

1. Автоматы Р(t) = 2,72 ^{ˉ(15∙0,22∙10ˉ6∙800)} = 0,97;
2. Датчик температуры Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙5∙10ˉ6∙2808)} = 0,81;
3. Сигнальные лампы  Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙20∙10∙10ˉ6∙1000)} = 0,74;
4. Ключи управления Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙0,6∙10ˉ6∙300)} = 0,97;

           5.Провода и кабели Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙10∙10ˉ6∙31200)} = 0,95;

6.Пускатели Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15 ∙10∙10ˉ6∙10000)} = 0,22;

7.Резисторы Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙3∙10ˉ6∙5000)} =0,79;

8.Реле напряжения Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙10∙10ˉ6∙10000)} = 0,22;

9.Автотрансформатор=2,27 ^{ˉ(5∙0,3∙10ˉ6∙1000)} =0,17;

10.Электродвигатель Р(t) = 2,27 ^{ˉ(15∙0,3∙10ˉ6∙1000)} =0,22;

11.Нагревательные элементы Р(t) = 2,27 ^{–(20-22-10 6-0,5-10)} =2,8;

 

Рассчитаем вероятность отказа Q(t) = 1-P(t)

1. Автомат Q(t) =1- 0,97 = 0,03;
2. Датчики температуры Q(t) =1- 0,81 = 0,19;
3. Сигнальные лампы  Q(t) =1- 0,74 = 0,26;
4. Ключи управления  Q(t) =1-0,97 = 0,03;
5. Пускатели  Q(t) =1- 0,22 = 0,05;
6. Резисторы  Q(t) =1- 0,79 = 0,21;
7. Реле напряжения  Q(t) =1-0,22 = 0,78;
8. Автотрансформатор Q(t) =1-0,17 = 0,83;
9. Электродвигатели  Q(t) =1- 0,22 = 0,78;

10.Нагревательные элементы Q(t) =1-2,8 = -1,8;

Рассчитываем среднее время  для безопасной работы

Т_ср= (час)

1. Автоматы Т_ср = 227272,7 час;
2. Датчик температуры  Т_ср. = =13333 час;
3. Сигнальные лампы  Т_ср= =3333,3 час;
4. Ключи управления  Т_ср= =111111 час;
5. Провода, кабели  Т_ср= =666667 час;
6. Пускатели Т_ср= =6667 час;
7. Резисторы  Т_ср= =22222,2 час;
8. Реле напряжения  Т_ср= =22222,2 час;
9. Автотрансформатор Т_ср= =666666,6час;
10. Электродвигатель  Т_ср= =9797 час;
11. нагревательные элементы Т_ср= =166666,6час;

 

Интенсивность безотказной работы всей схемы управления с учетом поправочного коэффициента К_m=0,5 определяется по формуле:

_схема=К( к₁+ к₂+……+ k_n),

где к₁ – интенсивность отказов, технологических каналов схемы управления

_схема=0,5(3 0,22 20 10^-6+15 5 10^-6+3 15 20 10^-6+2 15 0,6 10^-6+15 0,1 10^-6+2 15 10 10^-6+3 15 3 10^-6+15 3 10^-6+5 0,3 10^-6+15 10 10^-6+20 0,3 10^-6)=1,36 10^-3;