Автоматизированная система производства комбикорма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание № 9

Автоматизированная система управления технологическим процессом производства комбикормов.

Система должна осуществлять контроль веса бункера-дозатора, бункера-смесителя и расходных бункеров; контроль состояния задвижек смесителя и дозатора; контроль времени смешивания компонентов; должна формировать сигналы управления двигателями шнековых питателей, смесителя и рыхлителя, сигналы управления задвижками дозатора и смесителя.

Погрешность дозирования компонентов комбикормов - 3%; число расходных бункеров дозируемых компонентов - 6; объем бункера дозатора - 1 т; объем расходного бункера - 20 т; число тензодатчиков на одном бункере - 3; максимальная удаленность точки измерения от диспетчерского пункта - 2,5 км; необходимо предусмотреть возможность автоматического формирования сигналов аварии при нештатном состоянии задвижек в любой точке контроля.

комбикорм бункер дозатор



Введение

В настоящее время трудно представить себе крупное производство, не имеющее в своем составе автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Автоматизация процессов производства во многом определяет его эффективность и рентабельность. АСУ ТП включает объект автоматизации, аппаратные и программные средства. Рынок средств автоматизации представлен большой номенклатурой наименований различных фирм-производителей аппаратуры, к которым относятся интеллектуальные и неинтеллектуальные датчики и исполнительные устройства, устройства связи с объектами (платыУСО), многофункциональные платы ввода/вывода сигналов, контроллеры, одноплатные компьютеры для промышленного применения и др. устройства.

Мировыми лидерами по производству и внедрению систем автоматизации являются такие компании как Advantech (Тайвань), PEP Modular Computers (Германия), National Instruments (США), Fastwel (Россия), ICP-DAS (Тайвань), Octagon Systems (США), Analog Devices(США), Siemens (Германия) и др.

На современном этапе развития средств вычислительной техники программируемые логические контроллеры (ПЛК) представляют собой достаточно мощные и быстродействующие «интеллектуальные» устройства, как правило имеющие высокую производительность, значительные объемы встроенной памяти программ и оперативной памяти, мощное вычислительное ядро с системой команд, ориентированной на решение задач управления и контроля в режиме реального времени.

Многие современные ПЛК имеют возможность подключения периферийного оборудования, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, мультиплексоры, масштабирующие усилители, набор быстродействующих последовательных интерфейсов и другие узлы.

Используемые в системах автоматизации ПЛК должны быть достаточно многофункциональными и универсальными по структуре, а также обеспечивать работу в составе промышленных локальных вычислительных сетей, содержащих рабочие станции, на которых реализуются автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов технологических процессов.

Специализированные промышленные локальные сети, используемые в системах автоматизации, могут объединять десятки и даже сотни узлов, имеют ряд специфических особенностей,

связанных с необходимостью обеспечения требуемого алгоритма функционирования, высокую надежность и производительность, низкую стоимость, простоту установки, наладки и обслуживания. Для решения указанных задач требуется высокая квалификация специалистов, связанных с автоматизацией производства. Одним из этапов автоматизации является алгоритмизация процессов контроля и управления, построение моделей объектов автоматизации, подбор аппаратных средств, разработка прикладного программного обеспечения.

Целью данной работы является проектирование автоматизированной системы управления технологическим процессом производства комбикормов.

Система должна осуществлять контроль веса бункера-дозатора, бункера-смесителя и расходных бункеров; контроль состояния задвижек смесителя и дозатора; контроль времени смешивания компонентов; должна формировать сигналы управления двигателями шнековых питателей, смесителя и рыхлителя, сигналы управления задвижками дозатора и смесителя, а также автоматического формирования сигналов аварии при нештатном состоянии задвижек в любой точке контроля.



1. Анализ задания

В состав технологического оборудования для производства комбикормов входят:

? 6 расходных бункеров, (каждый установлен на трёх тензодатчиках рис.2) содержащих дозируемые компоненты;

? 6 шнековых питателей предназначенных для подачи компонентов в бункер-дозатор при весовом тензометрическом дозировании(рис.3);

? бункер-дозатор грузоподъёмностью 1000 кг, установленный на трёх тензодатчиках (рис. 4);

? бункер смеситель-рыхлитель, оснащённый асинхронным двигателем смесителя мощностью 15 кВт и двигателем рыхлителя (рис.5);

? 2 задвижки винтовых с электрическим приводом, которые установлены на бункере-дозаторе и бункерк-смесителе. Задвижка приводится в действие с помощью электродвигателя и имеет два положения шибера - открытое и закрытое, задаваемые двумя датчиками положения электропривода.(рис. 6).

В общей сложности на объекте автоматизации используется 10 асинхронных электродвигателей мощностью от 1,7 до 15 кВт.

Зерновое сырьё поступает в расходные бункеры с автомобильного терминала (рис.1). После загрузки расходных бункеров компоненты поочерёдно с помощью шнековых питателей поступают в бункер-дозатор, где в соответствии с заданным рецептом осуществляется дозирование. По окончании процесса дозирования всех компонентов общая масса поступает в бункер-смеситель. Время смешивания варьируется в зависимости от заданного рецепта. Полученная смесь поступает в бункер отгрузки готовой продукции.



Рис.1 Схема ТП производства комбикорма

Каждый из бункеров установлен на трёх тензодатчиках, с помощью которых осуществляется контроль за весом расходных бункеров, контролируется вес бункера-дозатора и бункера-смесителя. На Рис. 2 изображена общая схема крепления датчиков к расходным бункерам.

Рис. 2 Общая схема крепления тензометрических датчиков к расходным бункерам.



Рис. 3 Общая схема шнекового питателя.

Рис. 4 Общая схема крепления тензометрических датчиков к бункеру-дозатору.

Рис. 5 Общая схема крепления тензометрических датчиков к бункеру-смесителю.



Рис.6 Задвижка винтовая электрическая

В результате анализа функций известных систем дозирования было установлено, что система управления должна предусматривать ручной (используется для отладки и поиска неисправностей) и автоматический режимы дозирования. Система должна осуществлять контроль веса бункера-дозатора, бункера-смесителя и расходных бункеров; контроль состояния задвижек смесителя и дозатора; контроль времени смешивания компонентов; должна формировать сигналы управления двигателями шнековых питателей, смесителя и рыхлителя, сигналы управления задвижками дозатора и смесителя, а также автоматического формирования сигналов аварии при нештатном состоянии задвижек в любой точке контроля.

В целях достижения высокой надёжности программно-технический комплекс системы управления должен состоять, как минимум, из трёх уровней. Следует, однако, отметить, что эксплуатируемые на сегодняшний день АСУ ТП смешивания и дозирования, как правило, имеют

двухуровневую организацию.

Верхний уровень таких систем образует персональный компьютер с установленными ISA или PCI платами ввода-вывода информации. Нижний уровень формируется исполнительными приводами и

датчиками с соответствующими устройствами преобразования сигналов.

Для управления в реальном времени электроприводами шнековых питателей чаще всего используются два алгоритма. Один из них предполагает ступенчатое регулирование скорости двигателя. При этом возникает необходимость экспериментально определять и учитывать массу «падающего столба» из шнекового питателя в бункер-дозатор для каждого материала отдельно.

Ввиду того что свойства материалов изменяются (из-за разной дисперсности, влажности и т.п.), а остановка шнекового питателя при завершении дозирования происходит на большой скорости двигателя (для обеспечения высокой производительности), погрешность может существенно увеличиваться; меньшим же скоростям соответствует низкая производительность при более высокой точности.

Другой алгоритм заключается в автоматическом регулировании скорости двигателя с

использованием программно реализованного регулятора веса. Сигнал с выхода регулятора веса является заданием на скорость регулируемого электропривода. Так как в этом случае остановка двигателя производится на небольшой скорости (причём без ущерба производительности), масса «падающего столба» невелика, и нестабильность свойств материала сказывается на точности дозирования незначительно. Правильный выбор параметров регулятора веса позволяет оптимизировать соотношение производительности и точности, особенно на малых весах.

Поэтому мы выбираем второй из описанных алгоритмов управления шнековыми питателями.



Рис.7 Блок-схема процесса приготовления комбикорма



2. Расчетная часть.

2.1 Оценка системных параметров

Оценка системных параметров является важнейшим этапом проектирования системы, поскольку именно здесь определяется возможность реализации выбранной структурной схемы и в значительной мере верифицируются ее технические и метрологические характеристики .

Рассмотрим основные расчетные соотношения для оценки системных параметров ИИС. Пусть имеется n однотипных датчиков (каналов измерения). Максимальная частота в спектре сигнала датчиков равна f_max. Пусть - требуемая приведенная погрешность измерения. Требуется определить разрядность m и быстродействие АЦП, а также необходимую скорость ввода данных в ЭВМ. Получим расчетные соотношения в предположении квазистатического режима измерений, т.е. исключим из рассмотрения динамические погрешности.

Распределим результирующую погрешность между устройствами ИИС.

Пусть _Д, _К, _УВХ, _АЦП - погрешности соответственно датчика, коммутатора, УВХ и АЦП. Значения указанных погрешностей, как правило, выбираются из паспортных или справочных данных. Основной вклад в погрешность преобразования АЦП вносит погрешность квантования. Поэтому для m-разрядных АЦП в дальнейшем будем полагать _АЦП 1/ 2^m.

Допустим, что погрешности устройств между собой некоррелированы. Для исключения потери информации при прохождении сигнала по каналу должно выполняться условие

_{Д К УВХ АЦП} .



При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением

= (²_Д + ²_К + ²_УВХ + ²_АЦП)^1/2 .

Причем должно соблюдаться условие . Необходимая разрядность АЦП определится выражением

m int log2 ( 1/ _АЦП ).

Если выбран быстродействующий АЦП, то устройство выборки-хранения можно не использовать. Поэтому принимаем: _УВХ=0%.

По заданию погрешность измерения по этим каналам =3%. Датчики (n=24) имеют одинаковую полосу пропускания f_MAX=2кГц. Погрешность выбранных датчиков класса точности С-3 составляет 0,02% у каждого. Следовательно, погрешность преобразования

Зададимся

_К=0,4% и _АЦП=0,3%.

При этом суммарная среднеквадратическая погрешность оценивается выражением

=(²_Д+²_К+²_АЦП)^1/2=(0,48²+0,3²+0,4²)^1/2=0,69%.

В суммарной погрешности не учитывается погрешность преобразования аналоговым каналом: составными частями универсального измерительного преобразователя. Если выбрать погрешность УИП



_УИП()=3-0,69=2,31%,

то измерительный канал будет соответствовать требованию "Задания" по точности измерения.

Необходимая разрядность АЦП определится выражением

mint[log₂(1/ 0,003)]

или

m8.

При этом погрешности

_АЦП0,29%, =0,685%.

2. Определение временных параметров

Вычисляем длительность измерения по одному каналу:

t_ИЗМ1/2nf_MAX=80 мкс.

Пусть длительности коммутации и выборки равны соответственно 17 мкс и 10 мкс. Тогда на долю АЦП и микро ЭВМ остается временной ресурс

t_АЦП + t_ВВ 80-27 = 53 мкс

Выбираем АЦП фирмы Fastwel выполненный на микросхеме ADS7820, у которой m=12, t_АЦП=20 мкс. Следовательно, длительность ввода информации в микро ЭВМ не должна превышать



t_ВВ 53- 20 = 33 мкс .

Необходимая скорость передачи данных через входной интерфейс микро ЭВМ составит

С_ВВ 1/t_ВВ = 30 кслов/c.

Для микро ЭВМ, имеющих параллельный порт байтового формата, посылка 12 разрядного кода происходит за два цикла, поэтому скорость ввода должна быть удвоена. Если скорость ввода недостаточна, то необходимо использовать буферное ОЗУ.

Передача информации осуществляется в параллельном коде в микроконтроллер по управляющему сигналу с МК. Затем МК мультиплексирует входные сигналы и процесс повторяется.

После обработки всех линий, МК анализирует полученные данные. Причем в это время АЦП не выбран. Это означает, что его выходы находятся в высоко импедансном состоянии и при необходимости могут обслуживать другое устройство.

Рис.8 Схема включения АЦП ADS7820.



Рис.9 Внутренняя структура АЦП.

Для настройки данного АЦП на работу необходимо на выход BYTE подать сигнал низкого уровня. При этом на D0 ... D11 будет поступать код, соответствующий входному аналоговому преобразующему сигналу.

R/C - Чтение/Преобразование. При перепаде из ноля в единицу (положительном фронте) на этом входе разрешается считывание кода с параллельного порта. При перепаде из единицы в ноль (отрицательном фронте) запуск преобразования аналогового сигнала в код.

CS - Выбор кристалла. При логическом нуле на этом входе происходит активация АЦП. Вместе с R/C - запускает преобразование. При логической единице на этом входе происходит перевод всех линий параллельного порта в высокоимпедансное состояние.

BUSY - При запуске преобразования на этом выходе устанавливается логический ноль. Сброс нуля происходит, когда преобразование закончится.

Предлагается подвести от вывода R/C АЦП линию к выводу INT0 и INT1 микроконтроллера через логическую схему.



3. Програмно-аппаратная реализация АСУ ТП производства комбикорма

Система имеет трёхуровневую структуру (рис. 10). Нижний уровень содержит датчики и исполнительные устройства. Средний уровень включает в себя управляющий контроллер и модули релейной коммутации. Верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера. Взаимодействие между верхним и средним уровнем осуществляется посредством интерфейса RS-232/FO на физическом уровне по специально разработанному для проекта протоколу обмена.

Рис.10 Структурная схема АСУ ТП производства комбикорма

Преобразователи для последовательной передачи данных

В настоящее время для передачи данных в промышленности используются различные процессы и интерфейсы. В связи с этим у потребителя часто возникает необходимость преобразования существующего интерфейса в другой интерфейс. Для простых двухточечных соединений чаще всего используется стандарт RS-232 (V.24), а для многоточечных соединений - стандарт RS-422 или RS-485, при этом в настоящее время имеется тенденция все более широкого использования оптических волокон.

Для преобразования различных интерфейсов ABB ENTRELEC предлагает использовать соединительные интерфейсы серии ILPH, в которую входят различные изделия для использования

в промышленности. Использование преобразователей позволяет соединять два устройства с помощью различных интерфейсов. Добавлять новое оборудование к существующим системам. Для защиты чувствительного оборудования иногда необходимо использовать преобразователи с гальванической развязкой. Некоторые интерфейсы являются более чувствительными к шумам. С электрической точки зрения в некоторых случаях является предпочтительным изменить интерфейс или поддержку.

Некоторое оборудование предназначается для использования только двухточечной связи RS232. В этом случае для обеспечения связи с несколькими устройствами в многоточечном режиме необходимо использовать преобразователи интерфейса RS232 в интерфейсы RS422, RS485, BDC или FO.



Каждое соединение имеется свои собственные пределы, для увеличения расстояния связи необходимо с помощью устройства ILPH изменить тип соединения (преобразователь) или усилить сигнал (ретранслятор).

Тип соединения Макс. расстояния

RS232 30 м

RS422 1.2 км

RS485 1.2 км

CL 300-500 м

FO 4 км



Исходя из условий задания, максимальная удаленность точки измерения от диспетчерского пункта - 2,5 км, выбираем тип соединения OF между средним и верхним уровнем с максимальным расстоянием до 4 км.

Интерфейс - Оптоволоконный интерфейс

Двухточечное соединение

Дуплекс

Расстояние передачи от 40 м до 4 км в зависимости оптоволоконного материала (пластик / стекло) и длины волны используемой до 10 Мбит/с. Отличные характеристики ЭМС.



3.1 Аппаратные средства

Двигатели задвижек бункера-дозатора и бункера-смесителя, двигатели смесителя и рыхлителя включаются в сеть непосредственно через силовые контакторы фирмы Moeller. Все используемые автоматические выключатели также производства этой фирмы.

Для шнековых питателей требуется плавное регулирование скорости, поэтому их двигатели управляются посредством преобразователя частоты, в качестве которого выбран преобразователь «Веспер» EI-7011.

Рис.11 Схема подключения преобразователя частоты «Веспер» EI-7011.

Так как технологический процесс не требует одновременной работы двух и более шнековых питателей, все двигатели подключаются к одному и тому же преобразователю частоты по очереди через коммутатор из силовых контакторов. При данных параметрах системы достаточно дискретности управления регулируемым электроприводом на уровне 1…2 Гц. Такую дискретность управления вполне может обеспечить встроенный в преобразователь частоты интерфейс RS-232 с протоколом обмена ModBus RTU.



Входными дискретными сигналами от технологического оборудования являются сигналы типа «сухой» контакт от концевых выключателей задвижек всех бункеров, датчика блокировки открытия смотрового окна бункера-смесителя, датчика уровня бункера отгрузки готовой продукции, а также датчика движения нории. Кроме того, в контроллер вводятся дискретные сигналы подтверждения включения контакторов. Напряжение питания «сухих» контактов в схеме составляет 5 В или 24 В. Измерение текущего веса каждого расходного бункера осуществляется тремя тензодатчиками CSP-M -1-C3 .

Рис.13 Габаритные параметры тензодатчика CSP-M -1-C3 .



Измерение текущего веса бункера-дозатора, бункера смесителя осуществляется тремя тензодатчиками МК2-1-С3 .

Рис.14 Габаритные параметры тензодатчика

Таблица размеров, мм

Нагрузка, кг	L	L1	L2	L3	L4	L5	B	D	d
500 - 2000	130	54.2	15.8	25.4	76.2	15	31.8	18	13.5
2500 - 5000	171.5	77.2	19.1	38.1	95.3	20.5	38.1	25	19.8
- номинальный диапазон: 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 5000 кг; - погрешность (от полной шкалы): 0.02%; - номинальный выходной сигнал: 2±0.003мВ/В ; - нелинейность (от полной шкалы): 0.03%; - гистерезис (от полной шкалы): 0.03%; - ползучесть (от полной шкалы/10мин): 0.02%; - баланс нуля (от полной шкалы): ±1%; - входное сопротивление: 350±5 Ом; - выходное сопротивление: 350±3 Ом; - сопротивление изоляции: ?5000 MОм (100В пост.); - питание: 9 ... 12В (постоянный ток); - рабочий температурный диапазон: -20 ... +55 ?; - допустимая перегрузка с сохр. параметров: 120%; - максимальная перегрузка: 150%; - материал: алюминиевый сплав; нержавеющая сталь, герметичный клеевой состав, IP68; - класс защиты: IP68.

Сигналы от них поступают в суммирующий блок, а затем в нормирующий усилитель НУ-420DC, который находится в непосредственной близости от датчиков. Одноканальные усилители НУ-420DC имеют гальваническую развязку входных цепей питания и 3 фиксированных значения коэффициента усиления входного сигнала (настраивается установкой перемычек). Двухкаскадная схема усилителя позволяет производить независимую регулировку усиления и компенсации начальной нагрузки.

Здесь сигнал усиливается, гальванически изолируется и нормализуется до уровня стандартного токового сигнала 4…20 мА.

Рис. 15 Внешний вид НУ-420DC

В таком виде информация о весе поступает в контроллер. Выбор элементной базы среднего уровня обусловлен, в первую очередь, требованиями технического задания и стремлением к минимизации финансовых затрат при необходимом уровне надёжности. В качестве основного устройства на этом уровне используется контроллер RTU188-BS фирмы Fastwel. Данный контроллер имеет 16 дискретных неизолированных входов-выходов, 16 оптоизолированных входов, 8 аналоговых входов с разрешением 12 бит, последовательные порты RS-232 (порт 0) и RS-232/RS-485 (порт 1), флэш-память 512 кбайт, ОЗУ 512 кбайт. Тактовая частота его процессора -- 40 МГц. Контроллер является конструктивно законченным устройством и может устанавливаться на DIN-рейку.

Рис.16 Блок-схема микроконтроллера

Модуль микроконтроллера RTU-188 выполнен в виде автономного устройства и может быть подключён к сетям RS-232/RS-422/RS-485, что делает возможным использование контроллера в распределенных системах. Модуль RTU-188 может быть установлен как на DIN-рельс, так и на панель.

Процессор

Am188ES, частота 40 МГц

Супервизор и сторожевой таймер

Модуль процессора имеет супервизор (микросхема отслеживающая сбои напряжения питания) и сторожевой таймер.

Супервизор формирует аппаратный сигнал RESET при понижении питания ниже 4.6 В или при нажатии кнопки сброса.

Сторожевой таймер может использоваться для исключения программных зависаний . Срабатывание сторожевого таймера происходит при отсутствии программных подтверждений (см. описание расширения BIOS. INT17) в течении примерно 1.6 секунды.

Оперативное Запоминающее Устройство (ОЗУ)

Модуль имеет внутреннюю статическую оперативную память размером 512 Кбайт, и флэш-память

объемом 512 кбайт с поддержкой файловой системы. Из этого объема около 256 кбайт занимают операционная система и BIOS. Таким образом, для программ пользователя остается свободным также около 256 кбайт. Количество гарантированных циклов перезаписи флэш-памяти равно 10⁶.

Перепрограммируемое Постоянное Запоминающее Устройство (FDD)

Для хранения кодов программ и долговременной информации в модуле установлена микросхема электрически перепрограммируемой памяти (далее FFD- Fastwel Flash Disk) размером 512 Кбайт с поддержкой файловой системы.

Часы реального времени RTC

RTU188 имеет часы реального времени, построенные на микросхеме DS1307. Эта микросхема содержит 56 доступных пользователю байт энергонезависимой статической памяти. Для питания микросхемы DS1307 используется встроенная литиевая батарея.

Последовательные порты (X3,J4,J6)

Микроконтроллер имеет два асинхронных последовательных порта.

Встроенный в RTU188 порт COM1 (соединитель J4) консольный и содержит полный состав сигналов интерфейса RS232.

Встроенный в RTU188 порт COM2 (соединитель J6) может быть использован как не изолированный последовательный асинхронный порт RS232 с не полным набором сигналов, либо как изолированный порт (соединитель X3) для работы в сети RS485/RS422.

Микроконтроллер имеет 16-ть каналов оптоизолированного дискретного ввода. Все каналы имеют общую землю. Предусмотрен один диапазон входного сигнала 24 вольта. Резистор в цепи сигнала имеет сопротивление 4,7 кОма. Для питания сухих контактов микроконтроллер поставляется со встроенным гальванически изолированным DC/DC преобразователем.

Порт изолированного аналогового ввода (X1, X2)

Модуль RTU188 имеет изолированный порт аналогового ввода и позволяет измерять 8 аналоговых входов с точностью 12-бит в диапазонах 0..5 В, 0..10 В, ±5 В, ±10 В (диапазон устанавливается программно по любому каналу) или 0..20 mA.

Универсальный порт дискретного ввода - вывода (J5)

RTU188 содержит 16 -ть не изолированных каналов дискретного ввода -вывода. Уровни сигналов каждого канала соответствуют уровням ТТЛ логики . Нагрузочная способность каждого канала 12 мА. Каналы 8-14 выводятся на соединитель J5 как непосредственно так, и через буферные

схемы с возможностью коммутации сигналов 24 В, 300 мА.

Каналы этого порта могут быть использованы следующим образом:

* Каждый канал может быть настроен либо на ввод либо на вывод данных.

* Любое число пар каналов с нулевого по седьмой (до четырёх) может быть настроено на работу с аналоговыми модулями серии 73L фирмы Grayhill. При этом каналы с чётными номерами должны быть настроены на режим вывода, а с нечётными - на режим ввода.

Остальные каналы могут быть использованы произвольно.

Удалённый сброс.

Подсоединение к соединителю J3 внешней кнопки, позволяет формировать удаленный изолированный от системы сигнал сброса модуля RTU188.

Порт расширения минимальной конфигурации UNIO48

(J1, J2)

Универсальный порт ввода - вывода UNIO48 (разъемы J1, J2) совместим по выходным контактам и управлению с модулем UNIO48-5 фирмы Fastwel. Порт реализован на программируемых логических микросхемах FPGA и предназначен для ввода-вывода 48 логических сигналов. Схема порта может изменяться непосредственно в системе без выключения питания.

Каналы порта могут использоваться для подключения модулей УСО с гальванической развязкой, счета импульсов, измерения и формирования частоты, формирования временных диаграмм и т.д. Этот порт позволяет использовать имеющиеся прошивки для платы UNIO48 Fastwel фирмы.

Электропитание модуля RTU188

Электропитание модуля RTU188 производится через соединитель X6.

Такой набор параметров и невысокая цена контроллера сделали его в полной мере соответствующим требованиям и условиям данного проекта. Сопряжение порта выходных сигналов контроллера и обмоток силовых контакторов осуществляется через два модуля релейной коммутации TBR 8 (Fastwel).

Рис. 17 Внешний вид модуля релейной коммутации TBR 8 (Fastwel).

Каждый из них имеет 8 нормально разомкнутых однополюсных каналов, обеспечивающих возможность коммутации цепей при токе нагрузки до 10 А и напряжении 270 В переменного тока или 30 В постоянного тока. В нашем случае модули используются для управления силовыми контакторами двигателей смесителя и дозатора, а также для коммутации выходной цепи частотного преобразователя. Конструкция модулей TBR-8 предполагает монтаж на DIN-рейку.

Подключение платы к 24-канальному порту дискретного ввода-вывода осуществляется через 26-контактный соединитель X1 кабелем соединительным FC-26.

Для управления 8-ю каналами релейной коммутации платы используется 8 каналов порта, настроенных на вывод. Остальные 16 каналов порта, которые не используются платой, выведены в 26-канальный соединитель X2. Если для управления платой применяется порт дискретного ввода-вывода, совместимый с адаптером параллельного интерфейса 82C55 (580ВВ55), то включение /выключение каналов релейной коммутации платы осуществляется линиями группы C порта дискретного ввода-вывода.

Сигналы управления каналами релейной коммутации, имеющие уровни ТТЛ, поступают на схему установки уровня включения, состоящую из 8-ми элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Если при этом переключатель SW1 находится в замкнутом положении, то включение каналов релейной коммутации (замыкание контактных групп реле) осуществляется сигналом с уровнем логической 1. Если переключатель SW1 переведен в разомкнутое положение, то включение канала релейной коммутации производится уровнем логического 0.

Выходы схемы установки уровня включения соединены с буферами-усилителями, которые выполнены на базе полупроводниковых ключей с повышенной нагрузочной способностью в интегральном исполнении и предназначены для управления катушками реле.

Индикаторы состояния каналов релейной коммутации включены параллельно катушкам реле. При включении канала релейной коммутации происходит включение соответствующего светодиодного индикатора состояния.

Параллельно с контактной группой реле включено устройство защиты от кратковременны выбросов напряжения, которые происходят при коммутации контактной группой высокоиндуктивных нагрузок и снижают ресурс контактной группы.

Схема электрическая принципиальная одного канала релейной коммутации приведена на рис. 18.

Рис. 18 Схема электрическая принципиальная одного канала релейной коммутации

Электрическое питание логических цепей платы напряжением 5 В осуществляется от модуля дискретного ввода-вывода, управляющего платой, через 26-контактный соединитель X1. Наличие напряжения 5 В, поданного на плату, отражается свечением светодиодного индикатора “+5V”. Ток,

потребляемый платой по цепи 5 В, составляет не более 20 мА.

Электрическое питание катушек реле осуществляется напряжением (24,0±2,4)В внешнего источника питания. Присоединение положительного полюса внешнего источника питания 24 В производится к одному из клеммных соединителей “+24V”. Присоединение общего провода производится к одному из клеммных соединителей “GND”. Наличие напряжения 24 В, поданного на плату, отражается свечением светодиодного индикатора “+24V”. Ток, потребляемый платой по цепи 24 В, составляет не более 300 мА. Допустимая площадь сечения провода не более 2,5 мм2.

Местоположение соединителей показано на рис. 19.

Рис.19 Расположение соединителей на панели релейной коммутации TBR8

Контроллер и модули релейной коммутации запитаны от источников серии LOGO! Power фирмы Siemens с выходными номиналами 5 В и 24 В. Эти источники имеют модульную конструкцию, тоже предполагающую монтаж на DIN-рейку.

Всё оборудование среднего уровня системы и частично устройства нижнего уровня расположены внутри герметизированного электротехнического шкафа со степенью защиты IP66 (рис.20). Коммутация внешних сигналов выполнена с помощью клемм WAGO.

Рис.20 Шкаф системы управления



3.2 Программные средства

Программное обеспечение на верхнем уровне разработано в среде Delphi 7 и работает под управлением ОС Windows XP. На среднем уровне программное обеспечение реализовано на языке программирования C++ версии 3.11. В качестве ОС используется предустановленная дисковая операционная система FDOS фирмы Fastwel. Такой выбор средств в основном обусловлен опытом их использования в подобных системах.

3.3 АРМ оператора

Взаимодействие оператора с АСУ ТП осуществляется через компьютер АРМ, расположенный на расстоянии 2,5 км от самого цеха по производству комбикорма. Поэтому взаимодействие между верхним и средним уровнем осуществляется посредством интерфейса RS-232 на физическом уровне по специально разработанному для проекта протоколу обмена со скоростью 9600 бод.

При разработке пользовательского интерфейса системы были учтены требования к простоте управления как в ручном, так и в автоматическом режиме. Все основные действия (просмотр мнемосхемы, базы данных готовой продукции, текущего состояния расходных бункеров, выбор требуемого рецепта) оператор может выполнять с помощью мыши. Мнемосхема содержит необходимый набор элементов для визуализации и управления технологическим процессом. Так, например мнемосхема ручного режима управления (рис. 17) содержит кнопки пуска/останова шнековых питателей, открытия/закрытия задвижек дозатора и смесителя, индикаторы наличия аварий и технологических ошибок, блокировки разрешения отгрузки из смесителя. Кроме того, в реальном времени отображаются состояния бункера-дозатора и бункера-смесителя. Переключение между мнемосхемой, списком событий, базой данных готовой продукции и состоянием расходных бункеров осуществляется путём выбора требуемой закладки. Справа от мнемосхемы на рабочем поле отображаются заданный вес по каждому бункеру, заданное количество циклов дозирования, количество выработанных порций, текущее время смешивания, а также панель выбора режима управления (ручной, автоматический). Статусная панель отображает состояние связи с контроллером, номер текущей смены, уровень доступа («оператор», «зоотехник», «мастер цеха»), номер текущего рецепта. Описанный интерфейс обладает максимальной информативностью и в то же время простотой управления. При необходимости оператор может просмотреть информацию не только о выработке по текущему рецепту, но и всю информацию за последний месяц через окно базы данных.

Все изменения, происходящие в системе как на нижнем, так и на верхнем уровне, а также действия оператора записываются в журнал событий. Глубина записи событий составляет до двух месяцев без переполнения дискового пространства. При возникновении аварийных ситуаций система управления включает звуковую сигнализацию и добавляет соответствующее описание неисправности в журнал событий. Многопользовательский интерфейс системы позволяет разграничить права доступа к различным её элементам. Так, например, пользователь «оператор» имеет доступ к базам рецептов и готовой продукции (только ввод объёма отгруженной продукции), а также к запуску и останову дозирования и смешивания комбикормов. Пользователь «мастер цеха» имеет полный доступ ко всей информации, хранящейся в базах данных. Пользователь «зоотехник» имеет как полный доступ к информации, хранящейся в базах данных, так и к изменению технологических параметров (времени смешивания, максимально дозируемого веса в бункере-дозаторе), проверке наполнения и выгрузки бункера-дозатора, использованию рыхлителя при смешивании, назначению автодозирования в ручном режиме. В случае потери связи с персональным компьютером (например, по причине его «зависания») контроллер выполнит заданное количество циклов дозирования и выйдет в режим ожидания. Терминальная программа на верхнем уровне, в свою очередь, после перезагрузки компьютера автоматически продолжит работу.

Рис.21 Пример окна мнемосхемы АСУ ТП



4. Функциональные возможности разработанной системы управления

Разработанная система АСУ ТП производства комбикорма функционирует в трёх режимах.

1. Автоматический режим. В этом режиме оператор задаёт требуемый рецепт из базы рецептов и количество циклов дозирования (суммарный вес одной порции до 1000 кг).

2. Ручной режим с автодозированием. Управление в этом режиме осуществляется с использованием виртуального пульта. Оператор обеспечивает запуск дозирования, открытие и закрытие задвижек дозатора и смесителя, запуск и останов смесителя. Остановка шнековых питателей происходит автоматически при достижении массой дозируемого компонента заданного значения.

3. Ручной режим без автодозирования. Управление процессом дозирования и смешивания осуществляется также, как и в ручном режиме с автодозированием, но в отличие от него остановка шнековых питателей осуществляется оператором. Данный режим используется для отладки и поиска неисправностей.

Кроме того, АСУ ТП производства комбикорма выполняет следующие функции:

? обеспечение параллельной работы подсистем дозирования, смешивания и отгрузки;

? анализ текущего состояния исполнительных устройств нижнего уровня управления (преобразователя частоты, силовых контакторов);

? проверка на перегрузку бункера-дозатора и бункера-смесителя, проверка состояния бункера готовой продукции;

? косвенный анализ ряда технологических неисправностей путём контроля веса бункера-дозатора при загрузке и выгрузке компонентов из него;

? звуковая и визуальная сигнализация с блокировкой работы исполнительных механизмов при возникновении аварийной ситуации;

? отображение состояния бункера-дозатора, бункера-смесителя и расходных бункеров;

? ведение базы рецептов;

? учёт используемых рецептов за смену;

? автоматический учёт и ведение баз данных расхода дозируемых компонентов в процессе производства и выхода готовой продукции, расчёт остатка компонентов на конец дня;

? установка требуемого времени смешивания компонентов и конфигурирование защит;

? ведение журнала событий.

На рис.22 изображена функциональная схема АСУТП производства комбикорма.

Рис. 22 Функциональная схема АСУТП производства комбикорма



Заключение

В результате проделанной работы была разработана АСУ ТП производства комбикорма.

Система имеет трёхуровневую структуру. Нижний уровень содержит датчики и исполнительные устройства. Средний уровень включает в себя управляющий контроллер и модули релейной коммутации. Верхний уровень представляет собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера

Разработанная АСУ ТП осуществляет контроль веса бункера-дозатора, бункера-смесителя и расходных бункеров; контроль состояния задвижек смесителя и дозатора; контроль времени смешивания компонентов; формирует сигналы управления двигателями шнековых питателей, смесителя и рыхлителя, сигналы управления задвижками дозатора и смесителя.

Погрешность дозирования компонентов комбикормов не превышает 3%;

Максимальная удаленность точки измерения от диспетчерского пункта - 2,5 км;

В разработанной системе предусмотрена возможность автоматического формирования сигналов аварии при нештатном состоянии задвижек в любой точке контроля.

При этом в штатном режиме для обслуживания системы управления достаточно одного оператора.

Внедрение представленной системы позволит повысить точность дозирования компонентов комбикорма.

Увеличится производительность технологической линии производства комбикорма. Кроме того, значительно улучшится качество готовой смеси вследствие более точного соблюдения рецептуры и требований технологии производства комбикорма.



Список литературы

1. Справочник инженера по АСУТП. Проектирование и разработка. Ю. Н. Федоров. Инфра-Инженерия, 2008 г.

2. Современные датчики. Фрайден Дж. Техносфера, 2006 г.

3. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации. Новиков В.А., Чернигов Л.М. Академия, 2006 г.

4. Электронные элементы устройств автоматического управления. Схемы, расчет, справочные данные. Академкнига, 2006 г.

5. Автоматизация производственных процессов на элеваторах и зерноперерабатывающих предприятиях. М.: Колос, 1981.,Новицкий В.А., Сергунов В.С.

Размещено на Allbest.ru