Составление и описание функциональной схемы

Функциональные схемы являются основ­ным техническим документом, определяю­щим функционально-блочную структуру от­дельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологиче­ского процесса и оснащение объекта управ­ления приборами и средствами автоматиза­ции (в том числе средствами телемеханики и вычислительной техники).

По имеющейся схеме автоматизации двухстадийного дробления замкнутого цикла (представленной на рис. 1.1.), составим функциональную схему системы регулирования (приложение 1).

Требования предъявляемые к дроблению, обеспечение требуемых размеров материала на выходе. При этом должно обеспечиваться: максимальный выход одной какой-либо фракции при минимальных энергозатратах. Для того чтобы материал не переизмельчался применяется двухстадийное дробление.

Чтобы дробилки работали в оптимальном режиме, применяются датчики мощности (1 п) и (1 ц) для приводов дробилок соответственно 1-ой и 2-ой дробилок. С этих датчиков сигнал поступает на логическое устройство (1 с) (в настоящее время используются контроллеры). Для того, чтобы дробилки не перезагружались, применяются сигнализаторы уровня (1а, 1г) и (1т) соответственно 1-ой и 2-ой дробилок, сигналы которых через соответствующие преобразователи (1 б, 1 д) и (1 у), поступают также на логическое устройство (1 с) и на показывающие приборы на щите (1 в, 1 е) и (1ф) соответственно. Также чтобы вторая дробилка не перезагружалась, применяется весовой конвейер, вес которого фиксируется датчиком веса (1 л) сигнал с которого подается на логическое устройство (1 с). В соответствии с сигналами, полученными логическим устройством, оно увеличивает или

уменьшает: скорость питателя, выходную щель дробилок, подавая через УМ (1 з), (1 л) и (1 у) соответственно сигнал на привод питателя, 1-ой дробилки и 2-ой дробилки.

 

4. Составление структурной схемы

Щековая дробилка является объек­том, работу которого характеризует производительность питателя Qп, ширина разгрузочной щели l, круп­ность D и прочность σ исходного мате­риала, а также производительность Qдр, мощность N, потребляемая в про­цессе дробления, и гранулометриче­ский состав дробленого продукта, ха­рактеризуемый средневзвешенным ди­аметром кусков d_ср.

Возможные отклонения ширины разгрузочной щели от заданного значения, как правило, своевременно уст­раняются обслуживающим персоналом

при профилактических осмотрах. Кро­ме того, изменение ширины разгрузочной щели в процессе эксплуатации на­столько мало, что его влиянием можно пренебречь.

С учетом сделанных ограничений: структурная схема щековой дробилки как объекта автоматического регулиро­вания производительности приведена на рис.4.1. в котором в качестве входного регулирующего воздействия рас­сматривается производительность пи­тателя Qп, в качестве выходной регу­лируемой величины -производитель­ность дробилки Qдр.

Рис 4.1. Структур­ная схема щековой дробилки как объекта автоматического ре­гулирования.

Приняв параметры механического режима щековой дробилки крупного дробления (угол захвата α, ход по­движной щеки S) неизменными, отне­сем к возмущающим воздействиям f изменение прочности σ и крупности D) исходного материала.

Уравнение материального баланса дробилки имеет вид

(4.1)

где Qп — производительность питате­ля; Qдp — производительность дробилки, или в операторной форме

(4.2)

где , , - изображе­ния Лапласа соответствующих величин.

Из уравнения (4.2) следует, что по каналу производительность питателя - запас материала в дробилке щековая дробилка является астатическим объектом. Дальнейшее исследование объекта связано с рассмотрением передаточной функции , характеризующих соответ­ственно взаимосвязь величин Qдр(s).

Производительность дробилки в пе­реходных режимах определяется не всем запасом материала, находящегося в текущий момент в дробилке, а некоторым эффективным количеством материала находящегося в непосредственном контакте с «призмой выпадения».

Исходя из этого объем материала можно представить в виде двух составляющих:

где - запас материала в зоне предварительного дробления; - запас материала в зоне эффективного дробления.

Рис. 4.2. Физическая модель процесса дробления в щековой дробилке

Физическая модель такого процесса дробления приведена на рис. 4.2.

Исходя из принципа разделения запаса материала на две зоны и применения к отдельным зонам выражения материального баланса (4.1), учитывая при этом функциональную зависимость между производительностью и полным запасом материала

составлена система дифференциальных уравнений, характеризующих динамику процессов, протекающих в щековой дробилке (запаздывание в объекте не учитывается).

где Qпр — производительность в пред­варительной зоне дробления; - нелинейные функции, определяемые экспериментально.

Структурная схема, соответствующая данной линеаризованной системе уравнений, представлена на рис. 4.3.

Из приведенной структурной схемы можно получить выражения передаточ­ных функций, связывающих

Рис. 4.3. Структурная схема щековой дро­билки

производительность дробилки с полным запасом материала m:

В разобранной структурной схеме щековой дробилки не учитывается чис­тое запаздывание, физическая приро­да которого связана с временем сво­бодного падения горной массы с пита­теля в камеру дробления τ1 и временем свободного падения дробленого мате­риала на конвейер, транспортирующий продукт, τ2. Однако это запаздывание необходимо учитывать. Пренебрегая изменением уровня материала на кон­вейере и запасом материала в камере дробления, можно принять τ1 и τ2 постоянными. С учетом выражений (4.3) и (4.4) можно записать:

(4.3)

(4.4)

Тогда передаточная функция по соответствующим каналам с учетом звеньев чистого запаздывания запишется так:

 

5. Расчет регулятора исследуемого объекта

Произведем расчет регулятора для системы, у которой производительность питателя на входе и дробилки на выходе. В качестве рассматриваемого объекта – щековая дробилка С-887, для которой

т/ч, =2.11 т, Т₁=60 с, T₂ = 30 c, τ₁ = 2 c, τ₂ = 1 c.

Передаточная функция объекта равна

После разложения экспоненты в ряд Паде получим: =

Рис. 5.1. Переходный процесс системы.

 

5.1 Расчет регулятора методом РЧХ

Согласно этому методу, расчетные формулы для настроек регулятора замкнутой системы, представленной на рис. 5.2, получают из условия, аналогичного критерию Найквиста.

Рис. 5.2. Требуемая структура системы, к которой применим метод РЧХ

Если разомкнутая система имеет степень колебательности не ниже заданной, то замкнутая систем будет обладать заданной степенью колебательности в том случае, когда расширенная КЧХ разомкнутой системы проходит через точку с координатами , т.е.

,

где (1)

Уравнение (1) равносильно двум уравнениям, записанным относительно расширенных АЧХ и ФЧХ объекта и регулятора, а именно:

(2)

Для заданных частотных характеристик объекта и выбранного закона регулирования при решении системы уравнений (2) находят вектор настроек регулятора S, обеспечивающих заданную степень колебательности на каждой частоте.

Самыми распространенными регуляторами являются П, ПИ и ПИД поэтому рассчитаем коэффициенты для данных регуляторов и выберем из них по переходному процессу наиболее оптимальный.

Формулы для расчета коэффициентов регуляторов получают из системы:

П:

R(p)=s₁,

,

;

ω_р – находят при =-180,

Для данной системы П – регулятор неприменим, т. к. ФЧХ никогда не будет равняться -180.

ПИ:

R(p)=s₁+

ω_р = 0.8 ω_п,

Используя программу MatLab для решения системы получаем следующие коэффициенты:

S₁ = 0.1243,

S₀ =0.0209.

Рис. 5.2. Переходный процесс системы с ПИ – регулятором.

ПИД:

R(p)=s₁+

S₂ = 1,

S₁ = 1.6453,

S₀ =0.0211.

Рис. 5.3. Переходный процесс системы с ПИД – регулятором.

Из переходных процессов видно, что наиболее оптимальным является ПИД – регулятор, т. к. у него меньше перерегулирование и меньше время переходного процесса.

6. Подключение датчиков к контроллеру

Устройство управления для данной системы реализуем на базе контроллера ROBO 3140, на который в этом случае возлагаются функции сбора информации о текущей производительности подсистем дозирования, обработки полученной информации и выдачи управляющих сигналов на исполнительные механизмы. Характеристики контроллера приведены в таблице 1.

Таблица 1. ROBO 3140

Конструкция	Пластиковый корпус
Вид монтажа	Монтаж на DIN рейку; Монтаж на стене
Процессор
Тип процессора	AMD188ES
Максимальная частота процессора	40МГц
Память
Оперативная память	Максимальный объем	256кб
Установлено	256кб
Энергонезависимая память	Максимальный объем	2кб
Установлено
Тип	EEPROM
Электронный диск	Установлено	512кб
Максимальный объем	512кб
Тип	Flash
Интерфейс
Последовательный интерфейс	Тип	2xRS232; RS485; RS232/RS485
Максимальная скорость	115200бит/сек
Разъемы	DB9; Винтовые клеммы
Таймеры
Часы реального времени	Да
Сторожевой таймер	1.6сек

 

Разъемы
Разъемы	Питания	Винтовые клеммы
Другие	DB9 Винтовые клеммы
Управление и индикация
Индикаторы	Светодиоды
Питание
Напряжение питания	+10...+30В
Потребляемая мощность	3Вт
Программное обеспечение
Программное обеспечение	Операционная система	DOS
Системное	Библиотека программирования
Инструментальная система	GoodHelp
Условия эксплуатации
Условия эксплуатации	Температура	-20..+75°С
Размеры и вес
Размеры	Ширина	72мм
Высота	122мм
Глубина	25мм
Вес	0.2кг

Для ввода информации в контроллер, учитывая, что выходной сигнал с датчиков производительности подсистем дозирования является аналоговым и изменяется в пределах 0..5 мА, выбираем модуль I-7012 (по одному на каждый контур дозирования), характеристики которого представлены в таблице 2. В этом случае подключение осуществляется через внешний резистор 125 Ом.

Таблица 2. Модуль I-7012

Конструкция	Модуль с последовательным интерфейсом; Монтаж на DIN рейку; Пластиковый корпус
Интерфейс
Интерфейс	Тип	RS-485
Скорость передачи данных	1200бит/сек; 2400бит/сек; 4800бит/сек; 9600бит/сек; 19200бит/сек; 38400бит/сек; 57600бит/сек; 115200бит/сек
Максимальная длина линии связи	1200м (Сегмент)
Протокол передачи данных	Совместим с протоколом ADAM-4000
Макс. количество модулей в сети
Аналоговый ввод
Каналов аналогового ввода	Всего
Дифференциальных
Диапазоны входного сигнала	Биполярного, по напряжению	-0.15..+0.15В; -0.5..+0.5В; -1..+1В; -5..+5В; -10..+10В
Биполярного, по току	-20..+20мА
Входное сопротивление	При измерении напряжения	20МОм
При измерении тока	150Ом (Внешний резистор)
Вход	Токовый шунт	Внешний; 150 Ом
Перегрузка по входу	35В
Полоса пропускания	5.24Гц
АЦП	Разрядность	24бит
Частота выборки	10выборок/сек
Тип преобразования	Сигма-дельта преобразование
Режимы запуска	Встроенный генератор
Гальваническая изоляция	3000В
Погрешность	-0.05..+0.05%
Коэффициент подавления помехи общего вида	86дБ (50/60Гц)
Коэффициент подавления помехи нормального вида	100дБ (50/60Гц)
Температурный дрейф нуля	20мкВ/°C
Дискретный ввод
Каналов дискретного ввода	Всего
Без изоляции
Входное напряжение	Логический 0	0..+1В
Логическая 1	+3.5..+30В
Дискретный вывод
Каналов дискретного вывода	Всего
Открытый коллектор, без изоляции
Коммутируемый ток	Постоянный	30мА
Коммутируемое напряжение	Постоянное	30В
Рассеиваемая мощность	300мВт
Таймеры/счетчики
Таймеры/счетчики	Всего	1 (Счетчик событий)
Входная частота	Измерение частоты	0..50Гц
Процессор
Встроенный процессор	Совместим с 8051
Сторожевой таймер
Сторожевой таймер	Да
Разъемы
Разъемы	Винтовые клеммы
Питание
Напряжение питания	+10...+30В
Потребляемая мощность	1.3Вт
Условия эксплуатации
Условия эксплуатации	Температура	-20..+75°С
Размеры, вес
Размеры	Длина	122мм
Ширина	72мм
Высота	25мм

В качестве исполнительного механизма в данном случае используются АД, управление которым осуществляется посредством АИН который в свою очередь управляется ШИМ через специальную микросхему драйвер IR2235S. В соответствии с этим выбран модуль I-7066, характеристики которого приведены в таблице 3.

Таблица 3. Модуль I-7066

Интерфейс
Интерфейс	Тип	RS-485
Скорость передачи данных	1200бит/сек; 2400бит/сек; 4800бит/сек; 9600бит/сек; 19200бит/сек; 38400бит/сек; 57600бит/сек; 115200бит/сек
Максимальная длина линии связи	1200м (Сегмент)
Протокол передачи данных	Совместим с протоколом ADAM-4000
Макс. количество модулей в сети
Дискретный вывод
Каналов дискретного вывода	Всего
Твердотельное реле (SSD)
Гальваническая изоляция	5000В
Реле	Максимальный коммутируемый ток, постоянный	0.13А@350В
Максимальный коммутируемый ток, переменный	0.13А@350В
Время включения	0.7мс
Время выключения	0.05мс
Процессор
Встроенный процессор	Совместим с 8051
Сторожевой таймер
Сторожевой таймер	Да
Разъемы
Разъемы	Винтовые клеммы
Питание
Напряжение питания	+10...+30В
Потребляемая мощность	0.5Вт
Условия эксплуатации
Условия эксплуатации	Температура	-20..+75°С
Размеры, вес
Размеры	Длина	122мм
Ширина	72мм
Высота	25мм

Таким образом, функциональная схема устройства управления будет иметь вид, представленный на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Функциональная схема устройства управления.

Электрическая схема подключения датчика ВК-2М к модулю I-7012 представлена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Схема подключения датчика производительности к модулю I-7012.

Электрическая схема подключения привода питателя к модулю I-7066 представлена на рис. 6.3

Рис. 6.3. Схема подключения модуля I-7066 к АД.

 

7. Реализация САР в GOOD HELP

Устройство управления системой реализуем на базе контроллера ROBO 3140 с помощью системы графического программирования контроллеров Good Help, которая представляет собой поддержку языка функциональных блоковых диаграмм – FBD (Function Block Diagrams).

Графический язык диаграмм функциональных блоков (далее FBD) позволяет технологу строить сложные схемы на основе существующих функций библиотеки системы Good Help, связанных в диаграмму.

Диаграмма FBD описывает функцию, определяющую взаимодействие между входамии выходами блоков, имеющихся в библиотеке.

Элементарный блок выполняет одну функцию взаимодействия между своими входами и выходами. Схема разрабатывается путем размещения функциональных блоков на различных вкладках поля редактирования, которые позволяют создавать логическое разбиение контуров редактирования по группам.

Для реализации полученного оптимального закона регулирования необходимо в редакторе схем (edchart) с помощью стандартных блоков набрать соответствующую программу.

Программа регулирования производительности щековой дробилки

Для проверки системы отображения информации на пульте оператора можно создать тестовую схему, описывающую математическую модель объекта управления.

Программа регулирования производительности щековой дробилки в тестовом режиме.

Регулируемые параметры, а также параметры, несущие важную информацию о ходе технологического процесса, необходимо занести в таблицу внешнего доступа, чтобы они были доступны оператору.

В данном случае таблица внешнего доступа имеет вид:

Для удобного контроля и управления технологическим процессом воспользуемся редактором отображения информации (wstation). Он предназначен для представления данных, полученных от технологических контроллеров, на графических мнемосхемах.

В окне редактирования на поверхности статической мнемосхемы (иначе ее можно назвать подложка или фон) производится расстановка форм отображения информации и привязка к этим формам параметров, получаемых от контроллеров.

В данном случае нам необходимо обеспечить отображение производительности дробилки, а также заданную производительность дробилки с возможностью ее изменения.

Окно регулирования загрузки мельницы (рис. 7.1) содержит в качестве подложки функциональную схему процесса, а также две формы типа динамический текст для отображения производительности. Эти формы предназначены для отображения и ввода информации. Это свойство можно использовать для обеспечения возможности оператору задавать требуемую производительность мельницы.

Рис.7.1. Окно регулирования производительности дробилки.

Окно переходных процессов (рис. 7.2) носит вспомогательный характер и отражает динамику процесса регулирования производительности дробилки.

Рис. 7.2. Окно переходных процессов.

 

Заключение

В данном курсовом проекте была произведена автоматизация щековой дробилки, для которой производительность на выходе зависит от производительности питателя. Для того чтобы система обладала быстродействием и не была при этом расходящаяся, был выбран и рассчитан регулятор. Наилучшими свойствами указанными выше при расчете регулятора обладает ПИД-регулятор.

Данную систему реализовали в GOOD HELP для реального объекта с использование модулей I -7000, ROBO-3140 и стандартных компонент. А также создали тестовый вариант программы для наглядной демонстрации.

 

Список литературы

1. Зеличенок Г. Г. Автоматизация технологических процессов на предприятии строительной индустрии – М.: “ Машиностроение ”1974г.

2. Проектирование цементных заводов. Под редакцией Зозулина П.В., Никифорова Ю. В. – М.: “Машиностроение”, 1995г.

3. Банит Ф. Г., Несвижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов – М.: “ Машиностроение ”,1975г.

4. www.icp2u.ru

5. www.metran.ru

6. https://upk.ural.ru/index/ru/products/17