Автоматизация процесса разморозки контейнера с молозивом

 

 

Реферат

 

Курсовой проект выполнен в объеме: расчетно-пояснительной запиской на 31 страницах машинописного текста, таблиц – 9, рисунков – 5; источников – 8; графическая часть на 9 листах, в том числе формата А1 – 1, А2 – 1, А3 – 2, формата A4– 5 листов.

 

Ключевые слова: автоматизация, кормление, водяная баня, молозиво, алгоритм, размарозка.

 

В данном проекте произведен анализ вариантов и схем реализации управления линии разморозки молозива, разработано техническое задание и определен объем автоматизации. По результат анализа был составлен алгоритм и разработана структура управления технологической линией.

Курсовой проект оформлен в соответствии с СТБ БАТУ 01.12–06, на текстовом редакторе MS Word 2010, для выполнения графической части применялся графический редактор AutoCAD 2007.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.

Пища новорожденного теленка должна быть высокоэнергетической, легкоусвояемой и биологически полноценной. В полной мере этим требованиям соответствует молозиво.

Секрет, образующийся в молочной железе коров во время отелов и в первые 4–6 дней после родов, называется молозивом. Важнейшая функция молозива состоит в обеспечении плавного перехода от внутриутробного развития и обеспечения веществами, поступающему к нему с кровью матери, к автономному питанию и развитию в условиях внешней среды. Молозиво содержит все, что нужно молодому организму: белки, жиры, углеводы, минеральные вещества, витамины, другие биологические вещества, воду. Оно является для новорожденных телят основным источником защитных иммуноглобулинов, лизоцима, функционально активных лейкоцитов и лимфоцитов. [1]

Научные открытия подтвердили – при рождении у телят отсутствует иммунитет – телята, которые получают в первые часы после отела примерно 4 литра молозива, в дальнейшем болеют меньше и производят в продуктивном возрасте больше молока.

Однако мало произвести выпойку молозива – его качество должно быть на высоте. Последние исследования в области животноводства показали – 50-60 % выпаиваемого молозива не обладает теми качествами, которые так необходимы телятам. [2]

Целью автоматизации процесса разморозки контейнера с молозивом является повышение качества молозива и уменьшение производственных затрат на выпойку телят.

 

 

 

 

 

 

 

1. Анализ вариантов управления и существующего объёма автоматизации технологической линии

 

Для разморозки контейнера с молозивом используются водяные бани.

Одним из поставщиков оборудования для разморозки молозива является компания «УКРВЕТ».

Баня водяная (рисунок 1.1) предназначена для термостатирования и нагрева воды при использовании, как колб, пробирок, стаканов, так и другой лабораторной посуды.

Область применения: лаборатории ветмедицины и ветеринарии, промышленные лаборатории, лаборатории нефтехимической и газовой промышленности, стоматологии, хирургии и многое другое.

Особенности:

1. Внутренний корпус бани изготовлен из полированной нержавеющей стали. Применение этого материала гарантирует долговечность, химическую стойкость и великолепный внешний вид;

2. Цифровое управление обеспечивает одновременную индикацию заданной и текущей температуры с точностью до 0,1

3. Бани комплектуются крышками с набором концентрических колец, позволяющих размещать в бане различные плоскодонные колбы, стаканы, чашки для выпаривания и т. д.

4. Для удобства замены рабочей жидкости предусмотрена сливная пробка.

Технические характеристики:

Баня с электрическим подогревом работает от сети переменного тока с частотой 50Гц, с номинальным напряжением 220В при допустимых отклонениях напряжения 10% от номинального значения.

Рисунок 1.1 — Баня для разморозки молозива ВБ-8К

 

 

Таблица 1.1 — Технические характеристики [3]

Модель	ВБ-2	ВБ-4	ВБ-8	ВБ-8К
Диапазон рабочих температур, °С	от комнатной +5 до +100	от комнатной +5 до +100	от комнатной +5 до +100	от комнатной +5 до +100
Дискретность задания температуры, °С	0,1	0,1	0,1	0,1
Погрешность поддержания температуры, °С	±1	±1	±1	±1
Количество мест	1	2	4	2
Штатив	нет	нет	нет	на 78 пробирок 39 гнезд  д=0,9см 39 гнезд  д=1,6см
Питание	220 В, 50 Гц	220 В, 50 Гц	220 В, 50 Гц	220 В, 50 Гц
Мощность, Вт	400	500	1000	1000
Размеры рабочей камеры, мм	168×168×80	325×168×80	325×325×80	325×325×80
Габаритные размеры, мм	340×235×190	490×235×190	490х370х190	490х370х190
Масса, кг , не более	3,3	4,5	6	7

 

 

Система выпойки молозивом «ColoQuick» (рисунок 1.2)

Для того чтобы полностью использовать генетический потенциал телят, необходимо насколько возможно быстро после рождения теленка предоставить ему молозиво хорошего качества. Система «ColoQuick» является инновацией, которая обеспечивает на любой ферме простое и

практичное управление качеством молозива. Имеет следующие преимущества: простая и быстрая проверка и замораживание молозива, оптимальная температура и скорость размораживания, удобная выпойка через соску или зонд. Как результат -  более здоровые телята, выше сохранность и последующая продуктивность животных.

Рисунок 1.2 — Система выпойки молозивом "ColoQuick"

Система «ColoQiuck» не имеет в настоящее время аналогов и конкурентов на российском рынке. В российских условиях пригодность системы «ColoQuick» определяется прежде всего потребностью в выпойке большого количества новорожденных телят качественным молозивом, а данный продукт позволяет выполнить эту задачу быстро и эффективно, как результат высокая сохранность телят и сокращение затрат на закупку импортных нетелей для ремонта стада.

Колостромер и одноразовые 4х-литровые пакеты для хранения и замораживания молозива повышают качество молозива; автоматический размораживатель типа «водяная баня» бережно и быстро готовят молозиво к выпойке, пластиковый контейнер, в котором находится пакет с молозивом удобно вешается на спину телятницы по принципу рюкзака и позволяет быстро и удобно произвести первую выпойку новорожденному теленку.

Удобство: одноразовые пакеты для молозива, простота – отсутствие сложной электроники, и применение высококачественных материалов – ударопрочного пластика, нержавеющей стали.

Соблюдение простой технологии и пошаговые действия персонала, отсутствие сложных механизмов и применение качественных материалов –

гарантирует высокую надежность системы «ColoQuick» в работе на ферме.

 

Продукт не требует систематического технического обслуживания, основным расходным материалом являются одноразовые 4 литровые пакеты для молозива.

В базовой версии система рассчитана на ферму с 5-8 отелами в день, однако, очень просто расширяется до необходимого размера с помощью увеличения пакетов и контейнеров для молозива.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание работы технологической линии

 

Схема водяной бани для разморозки молозива показана на рисунке 2.1.

Оператор кладет контейнер с молозивом в ванну и включает тумблер. После чего срабатывает привод вентиля и ванна заполняется водой. Когда срабатывает датчик нижнего уровня, включается нагреватель. Температура воды должна быть в диапазоне 40-50 °С. После срабатывания верхнего датчика уровня, вентиль закрывается и включается мешалка для равномерности температуры воды. Когда температура молозива достигнет 40°С, срабатывает датчик температуры молозива и выключается  тумблер. После чего срабатывает реле времени, открывается слив и отключается мешалка. Затем отключаются датчики уровней, и, после опорожнения ванны, закрывается слив.

 

 

 

Рисунок 2.1 – Схема водяной бани для разморозки молозива

 

 

 

 

 

 

 

3. Техническое задание (требования к схеме управления)

 

Наименование системы управления: САУ процесса разморозки контейнера с молозивом.

Область применения: коровник.

Основание для разработки: приказ.

Цель разработки: автоматизация процесса разморозки контейнера с молозивом.

Стадии и этапы: строительный проект.

Источники разработки: ГОСТы, стандарты, патенты,  типовые проекты.

Режимы работы объекта: автоматический.

Условия эксплуатации системы управления: сырые, с химически активной или органической средой.

Технические требования к системе управления.

Функции:

Основные: управление оборудованием линии.

Дополнительные: автоматический пуск, технологическая сигнализация.

Алгоритм управления: Пуск линии осуществляется включением тумблера. Открывается вентиль. Затем срабатывает датчик нижнего уровня и включается нагреватель. После срабатывания верхнего датчика уровня, вентиль закрывается и включается мешалка. Когда температура молозива достигнет 40°С, срабатывает датчик температуры молозива и выключается  тумблер. После чего срабатывает реле времени, открывается слив и отключается мешалка. Затем отключаются датчики уровней, и, после опорожнения ванны, закрывается слив.

Вид применяемой энергии: электрическая.

Параметры регулирования: температура воды.

Параметры управления: привод мешалки, нагреватель, соленоидные вентили, сигнализация. 

Параметры контроля: датчик температуры воды, датчик температуры молозива, датчики нижнего и верхнего уровней.

Требования к качеству переходных процессов: нет.

Требования к точности системы: ±1%

Требования к надёжности: P(t) не менее 0,9.

Требования к безопасности: система должна быть безопасна.

Предложения по размещению пунктов управления, щитов и пультов: щитовая, операторская.

Экономические показатели: срок окупаемости системы.

Особые условия проектирования: нет.

4. Разработка алгоритма управления оборудованием технологической линии и его проверка

Как видно из анализа описания работы технологической линии и технического задания, для реализации управления, необходимо предусмотреть следующий объём технических средств автоматики:

• датчик температуры воды;

• датчик температуры молозива;

• датчик нижнего уровня воды;
• датчик верхнего уровня воды;
• вентиль;
• слив.

На основании вышеизложенного, для составления символической записи алгоритма управления, примем следующие обозначения:

a1	тумблер
b1	датчик температуры воды
b2	датчик температуры молозива
b3	датчик нижнего уровня воды
b4	датчик верхнего уровня воды
x1	нагреватель
x2	вентиль
x3	слив
x4	ЭД мешалки
x5	световая сигнализация
z1	реле времени (на полное опорожнение ванны)
z’1	контакт z1

 

Такт	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Вес элемента	1	2	4	8	16	2 32	64	8	128
Алгоритм	↑ a1	↑ x2	↑ b3	↑ x1	↑ b4	↓ x2 ↑ x4	↑ b1	↓ x1	↑ b2
Вес состояния	1	3	7	15	31	61	125	117	245

 

Такт	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Вес элемента	256	1	256 512 32 1024	16	4	2048	512	1024	2048
Алгоритм	↑ x5	↓ a1	↓ x5 ↑ x3 ↓ x4 ↑ z1	↓ b4	↓ b3	↑ z’1	↓ x3	↓z1	↓ z’1
Вес состояния	501	500	1748	1732	1728	3776	3264	2240	192

 

Вывод: 1. Алгоритм составлен верно т.к. конечное весовое состояние число положительное.

             2. Алгоритм реализуем, т.к. нет повторений весового состояния в цикле алгоритма.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Разработка структуры и программы управления в автоматическом режиме работы оборудования

Разработку структуры управления в целом реализуют на базе частных структурных формул отдельных исполнительных механизмов. Разработку частной структурной формулы производим на основании таблиц частных включений исполнительных механизмов. В таблицу входят: само исполнительное устройство, контакты командного аппарата, включающего исполнительный механизм, и контакты аппаратов, срабатывающих и обеспечивающих выполнение всех условий, предъявляемых к данной технологической линии.

Структурная схема исполнительного элемента Х1

Таблица 5.1 – Таблица частных включений ИЭ Х1

Э	Вес Э	Такты
		0	1	2	3	4	5	6
x1	1	-	-	+	+	-	-	-
b3	2	-	+	+	+	+	-	-
b1	4	-	-	-	+	+	+	-
Весовое состояние		0	2	3	7	6	4	0

 

Из анализа весового состояния видно, что схему можно реализовать без дополнительных элементов.

Из структурной теории релейных устройств известна следующая структурная формула для определения первоначальной структуры элемента Х:

,

(5.1)

 

 

где fср(х) − логическое произведение контактов элементов в такте отпускания, обеспечивающих замкнутую цепь элемента, для которого определяется структурная формула(контакт элемента в fср не входит).

fотп(х) − логическое произведение контактов элементов в такте отпускания, обеспечивающих замкнутую цепь элемента, для которого определяется структурная формула (контакт элемента в fотп не входит).[5, с.73]

.

(5.2)

 

Используя закон де Моргана преобразуем полученное выражение.

 

.

(5.3)

 

Для упрощения первоначальных структурных формул элемента можно воспользоваться таблицей покрытий. Она позволяет исключить из первоначальной структурной формулы лишние слагаемые, которые либо не реализуют какие-либо такты или реализуют их с помощью дополнительных слагаемых структурной формулы.

 

Таблица 5.2 – Таблица покрытий ИЭ Х1

№	Цепь	Такты
		1	2
1		X	X
2		–	–
3		–	X

 

 

.

(5.4)

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема управления ИЭ Х1

 

Проводим аналогичные операции и расчеты для остальных элементов. Структурные формулы и схемы включения для этих элементов сведем в таблицу 1.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.3 - Структурные формулы и схемы включения

 

Э	Структурная формула	Схема включения
X2
X3
X4
Z1
HL

На основании полученных частных структурных схем всех элементов составим полную структурную схему управления технологическим процессом. При ее составлении произведем минимизацию схемы управления.

 

 

 

 

Нагреватель   Слив         Реле времени (опорожнение ванны)         Вентиль     Привод мешалки   Световая сигнализация

 

Рисунок 5.2 полная структурная схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Выбор средств автоматизации

 

6.1 Выбор датчиков

В установке следующие датчики:

-Датчик температуры:

Датчик температуры выбирается по следующим критериям::

• температурный диапазон.
• расположение датчика
• условия работы датчика

Выбираем датчик температуры ТСП-100

-Датчик давления:

Выбираем датчик Fst800-501a

6.2 Выбор контроллера

Из анализа технологического процесса и алгоритма управления видно, что контроллер должен обладать следующими параметрами:

• шесть дискретных и шесть аналоговых входа;
• пятнадцать дискретных выходов;
• обладать достаточно высоким быстродействием;
• достаточным количеством функций;
• эффективность и максимальная надежность в работе;

   - легкость программирования  и перепрограммирования;

- относительно малая стоимость.

Из всего многообразия микропроцессорных средств для управления технологическими процессами выбираем микроконтроллер FX3N-32MT/ESS фирмы Mitsubishi, характеристики которого представлены в таблице 6.1.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 6.1 - Основные параметры контроллера

Электропитание	24 V DC
Каналы ввода	16
Каналы вывода	16
Быстродействие	<0,2 (Y0, Y1 <30 мкс)
	35
Потребляемая мощность [Вт]
Температура окружающей среды	0 - 55°C (температура хранения: -20 - +70°С)
Защита	IP 10
Вес [кг]	0.65
Габаритные размеры (мм)	150х90х86

 

6.3 Выбор  преобразователя

В качестве преобразователя выбираем  FX2N-2AD, которое может использоваться совместно с нашим контроллером.

Таблица 6.2 - Основные параметры преобразователя

Электропитание	24 V DC
Каналы ввода	2
Каналы вывода	-
Общая точность	±1%
Вес [кг]	0.3
Габаритные размеры (мм)	43х90х87

 

6.4 Выбор реле времени:

В качестве реле времени выбираем ВЛ-73М, которые предназначены для коммутации электрических цепей с определенными, предварительно установленными выдержками времени в схемах автоматики и защиты.

Реле изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ4 и О4.

Диапазон рабочих температур от минус 20 до плюс 55°С.

Технические характеристики

Параметр	ВЛ-73М	ВЛ-74М...78М	ВЛ-78М	ВЛ-79М
Номиналтьное напряжение питания, В	24-220 или 110,127,220			110,127,220
Диапазон уставок	0,1с-99,9ч			0,-99,9с
Дискретность	0,01 Тmax поддиапазона
Число и вид контактов*	1з,1р,1п(мнг)	2п	1з,1р	2п
Время возврата	не более0,2с			-
Время повторной готовности	не менее 0,3с			-
Длительно-допустимый ток выходных контактов, А	4
Минимальный коммутируемый ток, А	0,01
Степень защиты:	кожуха IP40, клем IP20
Потребляемая мощность, ВА (Вт)	не более 6,5
Габариты, мм	45х75х115
Масса реле, кг	не более 0,3

 

6.5 Расчет параметров потребителей

Для выбора средств автоматизации необходимо рассчитать рабочие параметры потребителей, в частности в нашем случае электродвигателей.

Номинальный ток электродвигателя:

     (6.1)

где Рн - Номинальная мощность электродвигателя, кВт;

cosφ – коэффициент мощности ЭД, о.е.;

Uн – номинальное напряжение, кВ.

Для привода мешалки:

 

Технические данные потребителей сводим в таблицу 6.3.

 

Таблица 6.3 ─ Технические данные электродвигателей [5, приложение 10]

Обозначение	Наименование рабочей машины	Тип	Рн	Iн	η	nн	cos φ	Ki
			кВт	А	%	мин-1	о.е.	о.е
М1	Мешалка	АИР160S4	15	28,5	90	1500	0,89	7

 

 

6.6 Выбор автоматических выключателей

Автоматические выключатели выбираем для защиты цепи и электродвигателей от перегрузки и токов короткого замыкания.

Выбираем автоматический выключатель по следующим условиям:

– номинальному напряжению автомата

Uн.а ≥Uн.с.,      (6.2)

где Uн.а. – номинальное напряжение автоматического выключателя, В;

Uн.с. – номинальное напряжение сети, В.

– номинальному току автомата

Iн.а. ≥Iдл.,      (6.3)

где Iн.а. – номинальный ток автоматического выключателя, А;

Iдл. – рабочий ток цепи, защищаемой автоматом, А.

Для группы токоприемников:

               (6.4)

     (6.5)

     (6.6)

   (6.7)

      (6.8)

где – полная расчетная мощность линии, ВА;

Uн – номинальное напряжение линии, В;

kз – коэффициент загрузки электроприемника;

cosφн – номинальный коэффициент мощности;

m – коэффициент, зависящий  от значения cosφн [8, рисунок П2.1].

по номинальному току теплового расцепителя

Iн.р.≥ kн.т* Iдл.,      (6.9)

где Iн.р – номинальный ток теплового расцепителя автомата, А;

kн.m – коэффициент надежности, учитывающий разброс по току срабатывания теплового расцепителя, принимается в пределах от 1,1 до 1,3.

– току отсечки электромагнитного расцепителя

Iн.э-м.≥kн.э *Iкр.,      (6.10)

где Iн.э-м. – ток отсечки электромагнитного расцепителя, А;

kн.э – коэффициент надежности, учитывающий разброс по току электромагнитного расцепителя и пускового тока электродвигателя (для автоматов АП-50, АЕ-2000 и А3700 kн.э=1,25, для А3100 kн.э=1,5),

Iкр. – максимальный ток короткого замыкания в месте установки автомата, А.

Для группы электроприемников:

    (6.11)

где – пусковой ток электродвигателя или группы одновременно запускаемых электродвигателей, при пуске которых кратковременный ток линии достигает наибольшего значения, А;