Проектирование автоматизированной системы управления технологическим процессом производства простых полиэфиров

41

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕКТА

1.1 Описание задачи проектирования

1.2 Описание работы установки «CANNON VIKING MAXFOAM»

1.3 Описание работы системы

1.4 Описание алгоритма работы системы управления

1.5 Описание алгоритма работы системы управления в аварийном режиме

1.6 Описание алгоритма работы системы управления при завершении техпроцесса

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОНВЕЙЕРНОЙ ЛИНИЕЙ

2.1 Составление структурной схемы

2.2 Выбор параметров регулирования

2.3 Расчет динамических параметров исходной системы

2.4 Синтез регулятора

3. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОЙ ОБЪЕКТНООРИЕНТИРОВАННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ RATIONAL ROSE

3.1 Определение требований к системе

3.2 Построение структуры системы

3.3 Построение модели поведения системы

3.4 Генерация программного кода

4. ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Требования к оборудованию

4.2 Программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300

4.3 Датчик скорости MD-256

4.4 Датчик уровня Pointek ULS 200

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА

5.1 Анализ условий труда

5.2 Защита от движущихся частей, шума и вибрации

5.3 Пожарная безопасность

5.4 Электробезопасность

5.5 Освещение производственного участка

5.6. Очистка воздушной среды

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

6.1 Технико-экономическое обоснование внедрения АСУ

6.2 Расчет годовой экономии от внедрения АСУ

6.3 Расчет годовых амортизационных отчислений

6.4 Расчет годовых затрат на ремонтные работы

6.5 Расчет годовых затрат на электроэнергию

6.6 Расчет годовых затрат на эксплуатацию

6.7 Капитальные вложения на создание АС

6.8 Расчет годового экономического эффекта

6.9 Расчет срока окупаемости капитальных вложений

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программный код

РЕФЕРАТ

Целью дипломной работы является разработка рационального в технико-экономическом смысле варианта системы управления конвейерной линией производства простых полиэфиров.

Пояснительная записка дипломного проекта содержит:

- страниц - 107;

- рисунков - 30;

- таблиц - 5.

Графическая часть состоит из 7 листов формата А1.

Ключевые слова: ПОРОЛОН, ПЕНОПОЛИУРЕТАН, ПРОСТЫЕ ПОЛИЭФИРЫ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНТРОЛЬ, УПРАВЛЕНИЕ, ДИАГРАММЫ, ОКУПАЕМОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ОХРАНА ТРУДА, ТРАНСПОРТЕР.

Требования к разрабатываемой системе:

- Надежность системы;

- Устойчивость в аварийных ситуациях;

- Уменьшение количества брака;

При выполнении дипломной работы необходимо решить следующие задачи:

- Разработать алгоритм работы системы, удовлетворяющий техническим требованиям;

- Выбрать оборудование для создания, установки, наладки и работы системы, удовлетворяющее техническо-экономическим требованиям;

- Выбрать производителя оборудования, удовлетворяющего техническо-экономическим требованиям;

- Определить экономичность производства;

- Определить безопасность жизнедеятельности рабочих.

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие информационных технологий на предприятиях, обусловлено необходимостью повышения конкурентоспособности производимой продукции, как на внутреннем, так и на мировом рынке. Снижение трудоемкости в производственных цехах, технологических операциях достигается за счет внедрения современных способов ведения и управления производственными процессами.

Ручное управление производственными процессами не приносит ожидаемого эффекта. Поэтому требуется автоматизация производства, особенно на крупных предприятиях, имеющих длинные и сложные производственные цепочки. Можно дополнительно отметить, что повышение производительности при конвейерном производстве, так же как и в любом другом производстве, является одним из действенных способов увеличения прибыли предприятия. Другим способом уменьшения себестоимости продукции и, как следствие, повышение конкурентоспособности продукции, а так же прибыли от продукции, является уменьшение затрат. В век информационных технологий, механический труд заменяется электронно-механическими системами. В данной дипломной работе представлена основная часть разработки системы управления производством простых полиэфиров. Простые полиэфиры, или пенополиуретан, или ППУ, или поролон, производят на установке «Maxfoam» созданной концерном Cannon Group. Данную установку использует в производстве Группа Компаний «Криста».

Группа Компаний «Криста» - одна из наиболее растущих в последние годы региональных групп начала формироваться в конце 90-х годов.

30 сентября 1994 было создано предприятие, с которого началась история холдинга - общество с ограниченной ответственностью «Криста».

С организационной точки зрения представляет собой объединение компаний, бизнес которых в той или иной степени связан с производством автокомпонентов. Территориально предприятия расположены в таких городах, как Сызрань, Тольятти, Октябрьск Санкт-Петербург.

В настоящее время ГК «Криста» - основной поставщик высококачественной продукции для автогигантов «АвтоВАЗ», ГАЗ, УАЗ, ИжАвто, КамАЗ, GM-AvtoVAZ, Ford.

Освоены технологии переработки эластичных, полужестких, жестких интегральных, микроячеистых и стеклонаполненных ППУ. Для изготовления изделий используется современное оборудование производства "Gallino", "Krauss Maffei", "Henneke", "Cannon", «Elastogran». Имеется полностью автоматизированная установка «Cannon Viking» непрерывного производства пенополиуретана, производительностью 18 тонн в час.

В настоящее изготавливается более 100 наименований продукции: набивки сидений и подголовников, панели приборов и накладки панелей приборов, подлокотники, колеса рулевого управления, обивки дверей, обивки крыш, буферы хода сжатия.

Технология «Cannon Viking Maxfoam» в целом является наиболее экономически эффективной при производстве блочного пенополиуретана (ППУ). Уровень автоматизации в настоящий момент недостаточно высокий, так как для работы конвейера требуется обслуживающий персонал для постоянного управления и регулирования процесса работы и, так как этим управлением занимается человек, то в этой ситуации появляется «человеческий фактор», который ухудшает качество работы, уменьшает производительность и повышает брак. Браком является любое отклонение от нормы в заданных пределах такого показателя как высота блока ППУ. На сегодняшний момент количество брака составляет 14,2 % в год. Для уменьшения количества брака, увеличения производительности конвейера, было предложено создать автоматизированную систему управления и регулирования.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОБЪЕКТА

1.1 Описание задачи проектирования

Данная система предназначена для установки “Cannon Viking Maxfoam”, которая в свою очередь предназначена для производства ППУ. Система производит регулирование скорости конвейера. При введении данной системы планируется сократить процент брака до 13,9 % в год путем исключения человеческого фактора из процесса регулирования скорости конвейера.

На данный момент конвейер управляется оператором установки, который кроме всего прочего следит за всем технологическим процессом. В случае необходимости оператор установки увеличивает или уменьшает скорость транспортера. Задача оператора установки настроить скорость транспортера таким образом, чтобы пенообразная смесь, подаваемая из сопла подачи, заполнив всю площадь транспортера, стала равной по высоте заданному значению. Отклонение от заданной высоты является браком. Так как в данном случае имеется «человеческий фактор», было предложено разработать такую систему, которая избавила бы оператора установки от постоянного наблюдения контроля и управления за процессом производства и увеличила рентабельность конвейера. Для этого было предложена данная система. Для решения этой задачи было предложено использовать промышленные контроллеры для управления, датчики для измерения, и частотный преобразователь для регулирования скоростью работы транспортера.

1.2 Описание работы установки «CANNON VIKING MAXFOAM»

В общем виде установка «CANNON VIKING MAXFOAM» изображена на рисунке А.1 в приложении А.

Установка “Cannon Viking Maxfoam” состоит из 9 емкостей (цистерн) с компонентами, которые по шлангам с помощью насосов поступают в смеситель. Перед началом техпроцесса все компоненты в необходимом количестве заливаются в цистерны наладчиками. Оператор установки включает вентилятор, что бы снизить загазованность воздуха вредными веществами. До подачи компонентов включается смеситель. Далее оператор установки на пульте управления выставляет значения кранов подачи компонентов в положение ОТКРЫТЬ и значения насосов подачи компонентов в положение ПУСК. После этого он нажимает кнопку START, в результате чего все краны подачи компонентов открываются и включаются насосы подачи компонентов. В смесители все компоненты перемешиваются, в результате чего происходит химическая реакция. Далее смесь по двум шлангам попадает в «лоток» (емкость длинной 10 см, шириной 1 метр, и высотой 1 метр) где она равномерно растекается, поднимается в уровне до сопла и так же равномерно, через сопло, выливается на транспортер.

Транспортер имеет длину 35 метров, причем первые 10 метров установлены под углом 20 градусов. В начальном положении на транспортере на расстоянии 1 метр от сопла подачи смеси установлена перегородка, для того чтобы смесь не растеклась вперед по транспортеру. Для того чтобы смесь не растеклась слева и справа за пределы транспортера, установлены катушки с бумагой на всем протяжении конвейерной линии, которые приводятся в движение асинхронным двигателем. На сам транспортер так же настелена бумага. Скорость движения боковой бумаги равна скорости движения транспортера.

Как только смесь, попавшая на транспортер, заполняет площадь ограниченную перегородкой и боковыми стенками из бумаги, оператор установки включает транспортер со скоростью 5 метров в минуту. На конвейерной линии включаются тэны для подсушивания поролона. Из-за непрерывной подачи компонентов на транспортер и химической реакции смесь вспенивается и увеличивается в объеме и через несколько минут достигает необходимой высоты блока пены. После этого чтобы не допустить дальнейшего роста блока, оператор увеличивает скорость транспортера, тем самым как бы увеличивая площадь занимаемую пеной и снижая или стабилизируя высоту блока. Как только перегородка достигает конца конвейера, она демонтируется наладчиками. Поролон в этом месте уже застыл и не растекается. В конце конвейера так же идет автоматическое отделение боковой бумаги и наматывание ее на бабину. Нижняя бумага отделение не подлежит. Оператором включается автоматическая нарезка блоков с помощью пилы и транспортировка их с помощью погрузчика в склад дозревания.

По окончанию процесса производства поролона, «выгоняются» остатки смеси с транспортера. В смеситель заливается очищающая жидкость. Лоток чистится вручную с помощью очищающей жидкости.

1.3 Описание работы системы

Для реализации системы требуется следующее оборудование: частотный преобразователь, промышленный контроллер, ультразвуковой датчик уровня, датчик скорости транспортера. Частотные преобразователи уже имеются на транспортерах и поэтому затрат на их приобретение не требуется.

К частотному преобразователю подключается двигатель транспортера. Сам частотный преобразователь подключается к промышленному контроллеру. К контроллеру так же подключаются двигатели кранов подачи компонентов и насосов. Датчик скорости непосредственно подсоединяется к вращающему валу заднего или отклоняющего ролика для точного определения скорости ленты, устраняя проблемы, связанные с проскальзыванием ленты, подключаются к промышленному контроллеру. Датчик уровня устанавливается над конвейером на расстоянии 10 метров от сопла подачи смеси, он так же подключен к промышленному контроллеру.

1.4 Описание алгоритма работы системы управления

Как только оператор установки с пульта дает команду запуска конвейера на скорости 5 метров в минуту, программа на промышленном контроллере формирует набор данных и пересылает эти данные датчикам. Сначала идет опрос датчика скорости транспортера. Через 2 минуты (как показывает практический опыт этого времени достаточно, чтобы смесь достигла положения датчика замера уровня) идет опрос датчика уровня. На основе данных полученных с датчиков контроллер принимает решение о регулировании скорости транспортера.

1.5 Описание алгоритма работы системы управления в аварийном режиме

Если высота блока пены превысила предельно допустимое значение, то включается аварийный режим работы установки. Автоматически закрывается сопло подачи смеси на транспортер, выключаются насосы подачи компонентов, закрываются краны подачи компонентов.

1.6 Описание алгоритма работы системы управления при завершении техпроцесса

Если оператором нажата кнопка STOP (остановки техпроцесса), то автоматически закрывается сопло подачи смеси на транспортер, выключаются насосы подачи компонентов, закрываются краны подачи компонентов, останавливается транспортер.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ конвейерной линией

2.1 Составление структурной схемы

Конвейерная линия на установки «Cannon Viking Maxfoam» представляет собой ограниченное по краям пространство, вследствие чего пенополиуретан не выходит за его пределы. Из этого следует что ППУ заполнив площадь транспортера начинает «рости» вверх. В результате этого получаем что высота блока пенополиуретана характеризуется производительностью сопла подачи смеси и скоростью транспортера. Так же нужно учесть, что смесь под действием химической реакции увеличивается в объеме. Скорость конвейера регулируется асинхронным двигателем который в свою очередь питается от частотного преобразователя.

Структурная схема управления конвейером в системе представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 -Структурная схема управления конвейером

Структурная схема управления конвейером включает в себя следующие элементы:

- WЧП - передаточная функция частотного преобразователя, выходным сигналом которого является напряжение UАД;

- WАД - передаточная функция асинхронного электродвигателя, выходным сигналом которого является высота блока пены H;

- WС - передаточная функция сопла подачи смеси, выходным сигналом которого является напряжение UЧП;

- WХ - передаточная функция химической реакции, выходным сигналом которого является высота блока пены H.

2.2 Выбор параметров регулирования

Для составления математической модели объекта проведем анализ всех составных элементов структурной схемы и рассчитаем параметры их передаточных функций.

Передаточная функция частотного преобразователя (ЧП). В качестве асинхронного двигателя используется двигатель переменного тока, питание его осуществляется от частотного преобразователя, следовательно, его передаточная функция будет иметь вид:

, (2.1)

где, - коэффициент передачи частотного преобразователя;

ТП = 0,03 - постоянная времени данного частотного

преобразователя [12].

Рассчитаем передаточную функцию частотного преобразователя. Поскольку напряжение на выходе ЧП ( составляет 220 В, напряжение на входе () 10 В, то передаточная функция ЧП имеет вид:

,(2.2)

где,

.(2.3)

Передаточная функция асинхронного двигателя (WАД):

,(2.4)

где, KАД - коэффициент передачи двигателя;

ТЭ = 0,3 с - электромеханическая постоянная времени, [12];

ТМ = 0,3 с - электромагнитная постоянная времени [12].

Рассчитаем передаточную функцию асинхронного двигателя. Поскольку число оборотов двигателя (n) 1500 об/мин., а напряжение на входе двигателя 220 В, то передаточная функция асинхронного двигателя имеет вид:

,(2.5)

где,

; (2.6)

. (2.7)

Передаточная функция сопла подачи смеси полученная эмпирическим путем:

 (2.8)

Передаточная функция химической реакции, полученная эмпирическим путем:

(2.9)

2.3 Расчет динамических параметров исходной системы

После описания звеньев системы определяем ее передаточную функцию, которая представляет собой произведение всех ПФ звеньев:

(2.10)

Подставляем в выражение полученные ранее ПФ звеньев САР, получаем:

(2.11)

Математическую модель для проверки ее правильности реализуем в среде моделирования MATLAB. Данный программный пакет позволяет простыми и наглядными средствами приложения Simulink реализовать компьютерную модель, с возможностью совершать с ней вычислительные эксперименты.

Создание блок-схем в SIMULINK основано на технологии визуально-ориентированного программирования. В качестве компонент для построения модели динамической системы используются так называемые модули (блоки) из достаточно представительной библиотеки SIMULINK. Удобный графический интерфейс позволяет осуществить сборку схемы моделирования в интерактивном (диалоговом) режиме путем перетаскивания с помощью мыши требуемых компонент и вычерчиванием соответствующих между ними линий связи. В результате получается структура исследуемой схемы, которую обычно называют SIMULINK-моделью (S-моделью).

В процессе ввода выбранных блоков, организации соединений и задания параметров компонентов система SIMULINK автоматически программирует S-модель в виде конечно-разностных уравнений и затем при пуске процесса моделирования решает их с помощью средств MATLAB [5].

При моделировании исследуется влияние параметров системы на характер изменения временных характеристик. Схема, составленная с использованием полученных ПФ и вышеуказанных основ работы с SIMULINK, приведена на рисунке 2.2. На вход подадим напряжение 10 В, а на выходе будем наблюдать полученный результат - график переходного процесса показан на рисунке 2.3.

Задающее напряжение равно 10В.

Рисунок 2.3 -График переходного процесса исходной системы

Из графика видно, что высота блока ППУ в результате переходного процесса превышает установленные нормами производства 0,9 метра. Время симуляции составляет 1000 секунд. Рассчитаем время переходного процесса. Поскольку временем переходного процесса принято считать время от начала переходного процесса до момента, когда кривая переходного процесса входит в 3 - 5% зону от установившегося значения и больше не выходит из нее, то время переходного процесса составит 450 сек. Для уменьшения времени и стабилизации процесса включим в систему регулятор.

2.4 Синтез регулятора

В САР поддержание заданного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному закону обеспечивается аппаратурными средствами, имеющие общее название - автоматические регуляторы. Задача регулятора заключается в том, чтобы вычислить рассогласование, сформировать управляющее воздействие и привести регулируемую переменную к заданному значению. Известны пять типовых законов регулирования: пропорциональный (П), интегральный (И), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально - дифференциальный (ПД) и пропорционально -интегрально- дифференциальный (ПИД) . Под законом регулирования понимают уравнение динамики регулятора. В данной системе реализован ПИ-регулятор. Структурная схема системы управления с ПИ-регулятором показана на рисунке 2.4. График переходного процесса системы управления с ПИ-регулятором изображен на рисунке 2.5.

Для эффективной работы ПИ-регулятора необходимо подобрать для конкретного объекта регулирования значения коэффициентов ПИ-регулятора. Для настройки регулятора воспользуемся блоком NCD Outport библиотеки приложения SIMULINK. Этот блок в зависимости от требуемых параметров регулирования рассчитывает необходимые коэффициенты для достижения оптимальных выходных характеристик системы. График переходного процесса с установленными границами регулирования изображен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.5 -График переходного процесса системы управления с ПИ-регулятором

Рассмотрим график подробнее, первые 120 секунд переходного процесса датчик уровня не задействован, пена двигается по транспортеру с постоянной скоростью равной 5 метров в минуту. Через 2 минуты (120 секунд) датчик уровня начинает замерять высоту блока ППУ и контроллер, в соответствии с показаниями датчика, регулирует скорость транспортера.

Из графика видно, что перерегулирование в данном переходном процессе составляет 6%. Время симуляции составляет 1000 секунд. Определим время переходного процесса в системе с ПИ-регулятором. Поскольку временем переходного процесса принято считать время от начала переходного процесса до момента, когда кривая переходного процесса входит в 3 - 5% зону от установившегося значения и больше не выходит из нее, то время переходного процесса составит 350 секунд, после чего процесс стабилизируется на заданном уровне высоты блока ППУ т.е. 0,9 метра.

Таким образом, установив ПИ-регулятор система стала более стабильной и уменьшилось время переходного процесса.

3. ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКОЙ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОАННОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ RATIONAL ROSE

3.1 Определение требований к системе

Прежде чем начать проектирование системы производства поролона нужно определить функции, которые будет выполнять проектируемая система.

Будем полагать, что управление производством поролона осуществляется неким контроллером в соответствии с параметрами, вводимыми оператором. Контроллер опрашивает датчики и, сравнивая введенные параметры с действительными, осуществляют управление исполнительными устройствами, регулируя тот или иной параметр технологического процесса. Кроме того, контроллеры должны выдавать информацию о текущем состоянии процесса оператору.

Отобразим все вышесказанное на диаграмме сценариев Use Case изображенной на рисунке 3.1. На этой диаграмме видно, что режим работы задается оператором действием изменение_режима_ТП. После запуска оператором процесса контроллер, получая данные от датчиков, управляет устройствами. Контроллер выдает в той или иной форме информацию о текущем состоянии процесса регулирования оператору, что показано на диаграмме действием вывод_параметров.

В данном проекте использован 1 контур, на котором функцию управления осуществляет контроллер. Информация со всех датчиков поступает на контроллер, который осуществляет регулирование режимами системы в соответствии с требованиями обслуживания зданий.

Таким образом, в окончательном варианте мы получили следующие требования к проектируемой системе поддержания микроклимата:

- оператор должен иметь возможность ввести нормы;

- система должна получать информацию от датчиков;

- система должна иметь возможность управлять исполнительными устройствами на основе показаний датчиков и введенных норм.

Рисунок 3.1 -Диаграмма сценариев Use Case

3.2 Построение структуры системы

Физическое представление системы управления не может быть полным, если отсутствует информация о том, на какой технологической платформе она реализована. Поэтому после того, как основные функции системы определены, следует определиться с аппаратной частью проектируемой системы. На основании этого построим диаграмму топологии. Диаграмма топологии, изображенная на рисунке 3.2, является единой для системы в целом, поскольку должна всецело отражать особенности ее реализации.

Работа системы планируется на контроллере, соединенном с датчиками и исполнительными устройствами.

Центральным устройством системы управления, функционально связанным со всеми устройствами системы и управляющий ими, является контроллер, что соответствует определенным выше требованиям к системе.

Далее определяем, каким образом устройства, показанные на диаграмме топологии, взаимодействуют между собой. Для этого сначала разделим устройства в зависимости от выполняемых ими функций на категории (классы). Диаграмма классов представлена на рисунке 3.3, на которой:

Контроллер (класс Controller) - посылает запросы датчикам и исполняющим устройствам;

Таймер (класс timer) хранит время опроса датчиков;

Датчик высоты блока пены (класс sen_uroven) - измеряет высоту блока пены на транспортере;

Датчик скорости транспортера (класс sen_transporter) - измеряет скорость транспортера и выводит эту информацию на дисплей;

Задвижка подачи смеси на транспортер (класс zadvijka) Имеет два состояния: open и closed;

Двигатель транспортера (класс dvigatel) приводит в движение транспортер, может увеличивать и уменьшать скорость. Имеет состояния: ON, OFF, speedup, speeddown;

Датчик состояния процесса (класс sen_process) при остановке процесса (нажатию кнопки STOP), он сигнализирует об этом контроллеру;

Краны подачи компонентов (класс kran_”компонент” ). Краны подачи компонентов в смеситель;

Насосы подачи компонентов (класс nasos_”компонент”). Насосы подачи компонентов в смеситель.

Продолжением создания процесса будет диаграмма взаимодействия между объектами.

Кроме сценария поведения каждого объекта системы необходимо точно представлять взаимодействие этих объектов между собой, определение клиентов и серверов и порядка обмена сообщений между ними.

Обмен сообщениями происходит в определенной последовательности, и Sequence diagram позволяют получить отражение этого обмена во времени.

В течение работы сложной системы объекты, являющиеся клиентами, посылают друг другу различные сообщения, а объекты, являющиеся серверами, обрабатывают их. В простейшем случае можно рассматривать сообщение как вызов метода какого-либо класса, в более сложных случаях сервер имеет обработчик очереди сообщений, и сообщения им обрабатываются асинхронно, т.е. сервер накапливает несколько сообщений в очереди, если не может обработать их сразу.

На основе приема-передачи сообщений основана многозадачность Windows, а в нашем случае для простоты демонстрации создания приложения будем считать, что сообщения обрабатываются немедленно в той последовательности, в которой они выдаются клиентами. На рисунке 3.4 изображен фрагмент Sequence Diagram.

Легко заметить, почти все объекты, представленные на диаграмме, соответствуют устройствам на диаграмме топологии. Исключение составляет объект Timer, он является самостоятельно функционирующим объектом. Таймер в системе выполняет роль тактирующего устройства, которое через определенные промежутки времени «будит» систему посылкой сигнала get_period, выводя ее тем самым из состояния бездействия. При получении этого сигнала контроллер начинает опрос датчиков.

Второй, уже упоминавшийся тип диаграмм взаимодействия, - это Collaboration Diagram «сотрудничество». Диаграмма сотрудничества изображена на рисунке 3.5. Эта диаграмма отличается от предыдущей тем, что она не акцентирует внимание на последовательности передачи сообщений, она отражает наличие взаимосвязей вообще, то есть на этой диаграмме отражается наличие сообщений от клиентов к серверам.

Так как временная шкала не участвует в демонстрации сообщений, то эта диаграмма получается компактней и как нельзя лучше подходит для того, чтобы окинуть одним взглядом взаимодействие всех объектов диаграмма показывает взаимодействие между объектами, а не классами, то есть является мгновенным снимком объектов системы в некотором состоянии. Ведь объекты, в отличие от созданных на этапе проектирования классов, создаются и уничтожаются на всем протяжении работы программы. И в каждый момент имеется конкретная группа объектов, с которыми осуществляется работа. В связи с этим появляются такие понятия, как время жизни и область видимости объектов.

На диаграмме видно, что всем объектам классов: dvigatel, zadvijka, kran_”компонент”, nasos_”компонент” контроллер посылает управляющие сигналы на выключение (OFF(); closed()) и включение (ON(); open()) соответствующих устройств. Датчикам sen_uroven, sen_process, sen_transporter контроллер (Controller) посылает запросы на выдачу соответственных значений. Контроллер, через интервалы времени задаваемые таймером m_period, производит обмен информацией с датчиками.

Каждая связь Link Message имеет свойства, позволяющие настроить область видимости для связанных объектов.

После того, как были определена принадлежность объектов тем или иным классам, детализируем каждый класс с целью определения свойств объектов системы:

- Класс Timer содержит в себе переменную m_Period типа double, которая определяет интервал времени. Для защиты от доступа извне атрибут объявлен как private. Поэтому для задания этой переменной следует использовать функцию Set_period(), доступную для других объектов.

- Класс dvigatel выполняет функции включения, выключения двигателя; увеличения и уменьшения скорости. Класс не содержит атрибутов, а содержит методы: speedup(); speeddown(); ON(); OFF().

- Класс zadvijka выполняет только функции открытия и закрытия, класс не содержит атрибутов, а содержит только два метода: open() и closed().

- Класс sen_uroven имеет атрибуты управления. m_sen_uroven - высота блока пены. Все переменные данного класса определены типом double. Для возвращения значений атрибутов используется единственная функция get_sen_uroven().

- Класс kran_”компонент” выполняет только функции открытия и закрытия, класс не содержит атрибутов, а содержит только два метода: open() и closed().

- Класс nasos_”компонент” выполняет только функции включения и выключения, класс не содержит атрибутов, а содержит только два метода: ON() и OFF().

- Класс sen_transporter имеет атрибуты управления. m_sen_transporter - измерение скорости транспортера. Все переменные данного класса определены типом double. Для возвращения значений атрибутов используется единственная функция get_sen_transporter ().

- Класс Sen_process имеет атрибуты управления. m_sen_process - наличие или отсутствие факта остановки техпроцесса. Все переменные данного класса определены типом boolean. Для возвращения значений атрибутов используется единственная функция Get_sen_process().

- Класс Controller содержит в себе все параметры для производства поролона. Класс Controller должны иметь доступ к атрибутам других классов для обеспечения управления технологическим процессов. Из этого следует, что класс Controller зависит от других классов, или в терминах UML, находится с ними в отношении зависимости.

3.3 Построение модели поведения системы

Запуск системы производства поролона производится по команде оператора после того, как им были введены параметры протекания процесса. Перед запуском предполагается, что процесс не начался и все клапаны закрыты. После запуска система начинает работать в автоматическом режиме, пока не будет остановлена оператором.

Диаграмма Statechart (диаграмма состояний) предназначена для описания состояний объекта и условий перехода между ними. Описание состояний позволяет точно описать модель поведения объекта при получении различных сообщений и взаимодействии с другими объектами.

Модель поведения позволяет взглянуть на получаемый программный объект со стороны, ведь основное назначение объектно-ориентированного программирования - создавать объекты, наделенные определенным поведением, которые в дальнейшем и будут производить работу в программном коде. А данный тип диаграмм позволяет четко представить все поведение полученного программного объекта в виде графических значков состояний.

Более подробно работа системы в каждом из состояний представлена на диаграмме состояния на рисунке 3.6, из которой видно, что процесс начинается с точки Begin. В состоянии Idle процесс находится до тех пор, пока не будет получено сообщение Timer. После обработки данных система снова переходит в состояние Idle и цикл замыкается.

Система функционирует следующим образом: система по сигналу системного таймера опрашивает контроллер (Controller), которые опрашивают датчики. Данные, полученные от датчиков, обрабатываются, и система снова переходит в состояние ожидания сигнала от таймера, замыкая тем самым цикл работы системы.

После регулирования всех этих параметров система переходит в состояние ожидания (Idle).

Протоколирование начинается при изменениях в условиях (Environment Changed). После этого создается Log файл (Create Log), и система переходит в состояние ожидания (Log ready). При необходимости записать изменения они записываются (Logged), и система снова переходит в состояние ожидания. При этом в следующий раз необходимо начинать с состояния Log ready, а не с создания протокола, так как установлена установка States History отражаемая буквой Н в кружке.

Следующий вид диаграмм - это Activity diagram - специальная разновидность диаграммы состояний. В этом типе диаграмм большинство используемых знаков -- это знаки активности, переходы между которыми вызваны завершением одних действий и началом других.

Контроллер должен установить значение таймера, продолжительность действия норм, время ожидания между опросами датчиков, а затем перейти в состояние ожидания. Следовательно, функции, выполняемые таймером и контроллером разделены.

Таймер должен вывести controller из состояния ожидания, после чего происходит проверка текущего значения времени со временем окончания действия норм.



Рисунок 3.6 -Диаграмма состояний

За окончание действия норм отвечает класс NormPlan. Для отражения того, что для дальнейшей работы необходимо получить оба времени, и текущее, и полное, вводится линия синхронизации. Линия синхронизации обычно включается в случае, когда имеются независимые процессоры, выполняющие задачи параллельно. В нашем случае она только показывает, что дальнейший переход не может быть осуществлен без обработки данных таймером и времени действия норм. Контроллер проводит анализ информации и принимает решение о дальнейших действиях только после получения данных о времени действия норм и текущем значении времени.

Алгоритм обработки данных имеет вид, представленный на рисунке 3.7. Алгоритм выполнен в соответствии с ГОСТ.

Рисунок 3.7 -Алгоритм обработки данных

Контроллер активизирует работу датчиков и сравнив параметры с их необходимыми значениями посылают управляющие сигналы на исполнительные устройства для приведения параметров в требуемые состояния. По окончании работы при изменении параметров результаты заносятся в протокол. Диаграмма активности изображена на рисунке 3.8.

Вложенная диаграмма Testing_Environment изображена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.8 -Диаграмма активности

3.4 Генерация программного кода

Класс в Rational Rose -- это описание общей структуры (данных и связей) для дальнейшего создания объектов. Для того чтобы генератор Rational Rose имел возможность создавать на основе описанной модели программный код, для каждого класса необходимо указать язык, для которого будет создаваться код. Также необходимо определить компонент, в котором этот класс будет храниться. Если в качестве языка для создания кода указан VC++, то пользователь получает доступ ко всей иерархии классов библиотеки MFC при помощи визуальных средств Model Assistant. Поэтому прежде чем приступить к генерации кода на Visual C++, следует создать диаграмму компонентов, отражающая организацию и взаимосвязи программных компонентов, представленных в исходном коде, двоичных или выполняемых файлах. Связи в данном типе диаграммы представляют зависимости одного компонента от другого и имеют специальное отображение через значок «зависимости».

Для каждого из классов создается два файла: заголовочный (с расширением .h), который содержит описание класса, и файл реализации (с расширением .cpp), где содержится программная реализация методов класса.

Поэтому каждый класс на диаграмме компонентов будет представлен двумя компонентами: Package Specification и Package Body. Первый компонент представляет собой определение пакета (заголовочный файл с расширением .h), второй - тело пакета (файл с расширением.cpp).

Компоненты на диаграмме на рисунке 3.10 для простоты имеют те же названия, что и класс, который они представляют.

На диаграмме связями зависимости показано, что для заголовочного файла контроллера требуются файлы датчиков и устройств, которые в свою очередь используются для компиляции самих файлов датчиков и устройств.

Для каждого класса системы, проектируемой в Rational Rose, необходимо указать стереотип класса, язык, на основе которого будет создаваться программный код, и определить компонент, в котором этот класс будет храниться. При создании заголовочного файла класса для каждого атрибута или операции в спецификации классов будет определена область видимости (public, private или protected).

Структура кода класса, создаваемого в Rational Rose, включает:

- директивы #include, которые создаются при добавлении атрибутов и связей классов;

- декларация класса, его имя, тип и наследование;

- переменные Data members, создаваемые по описанию атрибута класса и его связей;

- декларация методов класса и скелет этих методов для дополнения операций, заданных в описании класса;

- документация для каждого создаваемого класса, переменных и методов;

- идентификатор ID - модели, включаемый в код в виде комментария создаваемого класса, атрибута или метода.

Для использования класса в проекте, его необходимо ассоциировать с выбранным языком

Листинги созданного для проектируемой системы кода генератором Rational Rose Visual C++ приведены в приложении Б.

4. ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

4.1 Требования к оборудованию

Главное требование ко всем датчикам и контроллеру это их совместимость, поэтому я выбирал оборудование одной фирмы.

Основным требованием для датчика уровня является то, чтобы он могли работать под воздействием высоких температур, а так же измерять уровень ППУ бесконтактным способом (ультразвук). Компания SIEMENS имеет для данного случая датчики, специально приспособленные для детектирования уровня ультразвуком, таким является датчик серии Pointek ULS 200. Этот датчик отлично подходит для измерения уровня 5 метров. Он имеет подстройку чувствительности. Сигнализатор уровня имеет прочную конструкцию. Компактный прибор состоит из сенсора и электроники. У него нет подвижных частей, и он практически не нуждается в техническом обслуживании.

Основным требованием для датчика скорости транспортера является то, чтобы он могли работать под воздействием высоких температур. Таким является датчик серии MD-256.

Основными требованиями для данной системы к промышленным контроллерам является:

- объем памяти 32 Кбайт.

- возможность подключения через стандартный кабель PROFIBUS FC

- Установки дополнительных блоков расширения.

- Не менее 1модуля аналоговых входов и выходов.

4.2 Программируемый логический контроллер SIMATIC S7-300

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Данный контроллер изображен на рисунке 4.1.

Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

Модуль центрального процессора, модули блоков питания, сигнальные модули, коммуникационные процессоры, функциональные модули, интерфейсные модули.

Контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам. Все модули работают с естественным охлаждением. Общий вид ПЛК и подключаемых модулей изображен на рисунке 4.2.

Основные технические данные центрального процессора S7-312:

- Рабочая память 32 КБ;

- Загружаемая память (MMC) 64КБ - 4 МБ;

- Время выполнения операций, мкс:

- логических 0.2;

- с фиксированной точкой 5.0;

- с плавающей точкой 6.0.

- Кол-во флагов/таймеров/счетчиков 1024/128/128;

- Кол-во каналов ввода-вывода, дискретных/аналоговых, не более 256/64;

- Встроенные интерфейсы MPI;

- Кол-во активных коммуникационных соединений, не более 6;

- Габариты, мм 40х125х130.

Для нашего техпроцесса необходим следующий набор модулей:

- CPU 312;

- ПО STEP 7 V5.4;

- Блок питания PS 307 Вход: ~120/230В; выход: =24В;

- Профильная шина DIN, длиной 160 мм;

- Модули ввода-вывода аналоговых сигналов SM 334 и SM 335;

- 4 AI 0…10В/0..20мА, 2 AO 0…10В/0..20мА;

- Стандартный кабель PROFIBUS FC.

4.3 Датчик скорости MD-256

Датчик Скорости MD-256 изображенный на рисунке 4.4 предназначен для работы с конвейерами.

Рисунок 4.4 -Датчик Скорости MD-256

Он передает сигнал на интегратор, который вычисляет скорость транспортируемого материала. При весе всего 1.22 кг, он является одним из самых легких и долговечных устройств, которые когда-либо разрабатывались для контроля скорости ленты конвейера. Датчик, имеющий прочный литой алюминиевый корпус, подходит и для наружной установки, а его небольшой вес способствует продлению срока службы подшипников.

Он непосредственно подсоединяется к вращающему валу заднего или отклоняющего ролика для точного определения скорости ленты, устраняя проблемы, связанные с проскальзыванием ленты и отложениями материала на ней. MD-256 преобразует вращательное движение вала в серию импульсов 256 импульсов на оборот, используя высокоточный вращающийся оптический датчик положения. Цифровой сигнал передается как входной сигнал скорости на любой интегратор Milltronics для вычисления скорости ленты, расхода и суммарного веса.

Датчик скорости MD-256, имеющий высокую разрешающую способность, выдает частотный сигнал пропорциональный скорости вала, обеспечивая точное измерение при малой или изменяющейся скорости вала. Импульсный датчик положения вала предотвращает появление ошибочных сигналов величины скорости вследствие вибрации или колебания вала. MD-256 легко устанавливается и может работать в двух направлениях, при движении ленты по и против часовой стрелки.

Технические параметры:

- Вспомогательная энергия:

- 10 до 15 В DC, 30 мА (от измерительного преобразователя).

- Внешняя температура:

- от минус40° до плюс 55°C(-40°F до 131°F).

- Вход:

- обороты вала, 0.5 до 470 оборотов/минуту, оба направления

вращения.

- Выход:

- открытый коллекторный выход, одно направление вращения;

- плюс 5 В DC, 25 мА макс. (на измерительный преобразователь);

- 256 импульсов на оборот;

- 2 до 2000 Гц.

- Корпус:

- общее использование;

- алюминий.

- Допуски:

- NEMA 4x;

- IP65;

- CE.

- Вес 1,22 кг (2,68 Ib.).

4.4 Датчик уровня Pointek ULS 200

Pointek ULS 200 - это бесконтактный ультразвуковой сигнализатор уровня с двумя точками переключения для регистрации уровня сыпучих веществ, жидкостей и взвесей во многих отраслях промышленности. Датчик уровня Pointek ULS 200 изображен на рисунке 4.5.

4.5 -Датчик уровня Pointek ULS 200

Преимущества:

- встроенная температурная компенсация;

- питание AC или DC;

- 2 коммутационных выхода для макс./макс., макс., мин. и мин./мин. сигнализация уровня, а также управления заполнением и опорожнением;

- электроника с функцией Failsafe (безопасное положение);

- подсоединения к процессу через резьбу и гигиенические зажимы согласно 3A;

- корпус из поликарбоната или алюминия, IP67/ NEMA 6;

- простое программирование двумя клавишами;

Технические параметры:

- Принцип работы:

- Принцип измерения ультразвуковой сигнализатор уровня.

- Диапазон измерения:

- Диапазон измерения для жидкостей 0,25 до 5 м;

- Диапазон измерения для сыпучих веществ 0,25 до 3 м.

- Выход:

- Исполнение AC (Реле) 2 переключающих контакта, ном. мощность 5 A при AC 250 V, омическая нагрузка;

- Исполнение DC (Реле) 2 переключающих контакта, ном. мощность 5 A при DC 48 V;

- Исполнение DC (Транзистор) 2 переключателя, ном. Мощность макс. 100 мА, DC 48 V.

- Точность измерения:

- Исполнение AC-/DC;

- разрешение 3 мм;

- воспроизводимость 0,25 % от диапазона измерения.

- Условия монтажа:

- место монтажа внутри/снаружи;

- ультразвуковой конус 12°.

- Внешние условия:

- внешняя температура -40 до +60 °C;

- при монтаже в металлическую резьбу или при допуске ATEX;

-20 до +60 °C.

- Свойства материала:

- давление процесса 0.5 бар макс.

- Конструктивные особенности:

- материал (корпус) поликарбонат или алюминий с эпоксидным покрытием с уплотнением;

- вес около 1,5 кг;

- материал сенсора PVDF сополимер;

- подключение к процессу 2" NPT, 2" BSP или PF2;

- опциональный фланцевый адаптер для 3" ANSI, DN65 PN10 и JIS 10K3B.

- питание АС AC 100 до 230 В ±15% 50/60 Гц, макс. 12 VA (5 W);

- интерфейс индикации/управления:

- индикатор жидкокристаллический, трехпозиционный, высота 9 мм, для индикации расстояния между поверхностью излучения и материалом, многосегментная графика для отображения состояния.

- сертификаты и допуски:

- CE (EMC сертификат по запросу), CSANRTL/C, FM;

- CSA/FM класс I, Div. 1, группы A, B, C, D; класс II; группы E, F, G; класс III; ATEX II 2G EEx md II C T5.

5. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ОХРАНА ТРУДА

5.1 Анализ условий труда

Анализ условий труда на участке производства поролона, приводит к заключению о потенциальной опасности данного участка. Суть опасности заключается в том, что воздействие присутствующих опасных и вредных производственных факторов на человека, приводит к травмам, заболеваниям, ухудшению самочувствия и другим последствиям вплоть до получения инвалидности, при несоблюдении правил и норм техники безопасности.

На участке имеются следующие вредные и опасные факторы:

- механические факторы, характеризующиеся воздействием на человека кинетической, потенциальной энергий и механическим вращением (зона конвейерной ленты);

- электрические факторы, характеризующиеся наличием токоведущих частей оборудования;

- термические факторы, характеризующиеся тепловой энергией и аномальной температурой. К ним относятся температура нагретых предметов, поверхностей и окружающей среды (зона ППУ);

- повышенный уровень шума (зона смесителя);

- микроклиматические факторы, характеризующиеся наличием в окружающем воздухе загазованности.

При разработке мероприятий по улучшению условий труда необходимо учитывать весь комплекс факторов, воздействующих на формирование безопасных условий труда.

5.2 Защита от движущихся частей, шума и вибрации

На проектируемом станке предусмотрено ограждение опасных мест станка таких как: вращающиеся детали привода, барабаны, ролики.

Шум и вибрация на производственном участке наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека и снижая производительность труда. Шум возникает при механических колебаниях. Различают три формы воздействия шума на органы слуха:

- утомление слуха;

- шумовая травма;

- посредственная тугоухость.

Для снижения шума, возникающего в цехе, предусмотрено: массивный бетонный фундамент, шумопоглащающие лаки, применение звукоизолирующих кожухов и акустических. Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах для трудовой деятельности разных категорий тяжести и напряженности представлены в таблице 5.1. Предельно допустимые значения производственной локальной вибрации представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.1 -Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах для трудовой деятельности разных категорий тяжести и напряженности в дБА

Категориях напряженности Трудового процесса	Категория тяжести трудового процесса
	легкая физическая нагрузка	Средняя физическая нагрузка	тяжелый труд 1 степени	тяжелый труд 2 степени	тяжелый труд 3 степени
Напряженность легкой степени	80	80	75	75	75
Напряженность средней степени	70	70	65	65	65
Напряженный труд 1 степени	60	60	-	-	-
Напряженный труд 2 степени	50	50	-	-	-

Таблица 5.2 -Предельно допустимые значения производственной локальной вибрации

	Допустимые значения по осям Х0,Уо,Zо
Среднегеометрические частоты полос, Гц	виброускорения	виброскорости
	м/с2	ДБ	м/с2-10-3	ДБ
8	1,4	123	2,5	119
16	1,4	123	1,4	109
31,5	2,6	188	1,4	109
63	6,6	135	1,4	109
126	11	141	1,4	109
250	22	147	1,4	109
500	45	153	1,4	109
1000	88	159	1,4	109
Корректированные и эквивалентные корректированные значения и их уровни	2,0	126	2,0	122

5.3 Пожарная безопасность

Пожары на конвейерных линиях представляют большую опасность для работающих и могут причинить огромный материальный ущерб. К основным причинам пожаров, можно отнести: нарушение технологического режима, неисправность электрооборудования (короткое замыкание, перегрузки), самовозгорание промасленной ветоши и других материалов, склонных к самовозгоранию, несоблюдение графика планового ремонта, реконструкции установок с отклонением от технологических схем. На участке производства поролона возможны следующие причины возникновения пожара: перегрузка проводов, короткое замыкание, возникновение больших переходных сопротивлений, самовозгорание различных материалов, смесей и масел. Для локализации и ликвидации пожара внутрицеховыми средствами создаются следующие условия предупреждения пожаров: курить только в строго отведенных местах, подтеки и разливы масла и растворителя убирать ветошью, ветошь должна находиться в специально приспособленном контейнере.

В электроустановках причины взрывов и пожаров могут быть механического и электрического характера, а именно:

- Искрение в электроустановках и машинах;

- В результате удара молнии;

- Токи короткого замыкания;

- Токовые перегрузки проводов;

- Авария с маслонаполненным аппаратом;

- Перегрузки и неисправность изоляции.

Для устранения вышеперечисленных причин пожаров и взрывов предусматривают следующие мероприятия:

- Использование в качестве молниеотводов металлических конструкций цехов и установка стержневых молниеотводов;

- Все контактные соединения выполняют сваркой или болтами, что обеспечивает прочный контакт соединяемых проводников;

- В каждом цехе и на каждом рабочем участке имеются первичные средства пожаротушения: огнетушители оу - 5, ОВП-100, ящики с песком, лопаты, ведра и т.д.

5.4 Электробезопасность

Широкое применение в промышленности электродвигателей, систем управления, работающих в различных условиях, связана с применением электрической энергии и требует обеспечения электробезопасности, разработки мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от воздействия электрического тока.

Электрический ток, проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое, и биологическое воздействие, вызывая местные и общие электротравмы. Основными причинами воздействия тока на человека являются:

- случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям;

- появление напряжения на металлических частях оборудования в результате повреждения изоляции или ошибочных действий персонала;

- шаговое напряжение в результате замыкания провода на землю.

Применяют следующие защитные мероприятия от поражения человека электрическим током: