Turn_ON

boolean

«Включит конвейер» команда на пускатель

BLOCK_UP

boolean

Блокировать конвейер

Don't_ON

boolean

Переменная состояния - «Конвейер не включился» передача в блок обработки аварий

Формирование слова состояния и управление конвейером производится в соответствии с графом его состояний представленном на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Граф алгоритм работы блока управления конвейером

Граф формирует возможные состояния конвейера. Описание состояний приводится в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Состояния конвейера

Имя	Описание	Примечание
1	2	3
Conveyior_Drive OFF	Конвейер отключен	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Ready_OFF	Конвейер готов к пуску	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
CD_OFF_Error	Авария, конвейер - отключен.	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
CD_ON_Normal	Конвейер включен - норма	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Warning	Конвейер включен - предупреждение	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Stop	Конвейер отключается	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Start	Конвейер включается	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Stop_for_Er	Отключается по аварии	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
CD_ON_ERROR	Конвейер включен - авария	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
CD_Dont_turn_OFF	Конвейер не отключился	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
CD_turn_ON Without_reason	Конвейер включился по неизвестной причине	1- состояние активно, 0- состояние неактивно

Алгоритм блока управления вентилятором.

Блок предназначен для:

– управления вентилятором;

– формирования слова состояния вентилятора.

На рисунке 2.8 представлена модель блока управления вентилятором типа «Черный ящик».



Рисунок. 2.8 - Модель блока управления вентилятором типа «черный ящик»

Входной информацией для данного блока являются переменные представленные в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Входные данные блока управления вентилятором

Переменная	Тип	Описание
1	2	3
Acknow	boolean	Квитированно
To_Run	boolean	Команда «Включить» от алгоритма верхнего уровня
OPd	boolean	«Вентилятор включен» сигнал с концевого выключателя клапана
Time	real	Время отводимое на включение/ отключение
Breake_List	boolean	Авария

Выходной информацией являются переменные представленные в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Выходные данные блока управления клапаном

Переменная	Тип	Описание
1	2	3
ErON	boolean	Переменная состояния - «вентилятор включился по неизвестной причине», передача в алгоритм более высокого уровня
DontOFF	boolean	Переменная состояния - «вентилятор не отключился», передача в алгоритм более высокого уровня
Turn_ON	boolean	«Включит вентилятор» команда на пускатель
Don't_ON	boolean	Переменная состояния - «Вентилятор не включился» передача в блок обработки аварий

Формирование слова состояния и управление вентилятором производится в соответствии с графом его состояний представленном на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Граф алгоритм работы блока управления вентилятором

Граф формирует возможные состояния вентилятора. Описание состояний приводится в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Состояния вентилятора

Имя	Описание	Примечание
1	2	3
Ventilator_OFF Normal	Вентилятор отключен	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Ventilator_ON Normal	Вентилятор включен	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Ventilator_OFF Error	Авария вентилятор - отключен	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Ventilator_turn_ON Without_reason	Вентилятор включился по неизвестной причине	1- состояние активно, 0- состояние неактивно

Ventilator_Don't Turn_OFF	Вентилятор не отключился	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Start	Вентилятор включается	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Stop	Вентилятор отключается	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Stop_Er	Вентилятор отключается по аварии	1- состояние активно, 0- состояние неактивно

Алгоритм блока широтно-импульсной модуляции.

Блок ШИМ предназначен для генерирования последовательности импульсов заданной продолжительности в соответствии с заданием.

На рисунке 2.10 представлена модель блока управления ШИМ типа «Черный ящик».

Рисунок 2.10 - модель блока ШИМ типа «черный ящик»

Входной информацией для данного блока являются переменные представленные в таблице 2.10.

Таблица 2.10 - Входные данные блока управления клапаном

Переменная	Тип	Описание
1	2	3
To_Turn	boolean	Команда «Включить» сформированная в алгоритме нагревателя
TR_swithing_ON	boolean	«Трансформатор тока включен» сигнал с трансформатора
Ttek	real	Значение времени в данный момент считываемое с таймера
Timp	real	Продолжительность импульса
Tper	real	Период

Выходной информацией являются переменные представленные в таблице 2.11.

Таблица 2.11 - Выходные данные блока управления клапаном

Переменная	Тип	Описание
1	2	3
imp	boolean	Импульс

Блок ШИМ функционирует в соответствии с графом его состояний, представленным на рисунке 2.

Рисунок 2.11 - Граф алгоритм работы блока управления широтно-импульсной модуляцией.

Граф формирует возможные состояния блока ШИМ. Описание состояний приводится в таблице 2.12.

Таблица 2.12 - Состояния ШИМ

Имя	Описание	Примечание
1	2	3
Stop_SHIM	Выдача импульсов остановлена	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Start_period	Начало периода	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
IMPULSE	Выдача импульса	1- состояние активно, 0- состояние неактивно
Wait_END_of period	Ожидание завершения периода	1- состояние активно, 0- состояние неактивно

2.2 Выбор технического обеспечения

В настоящее время автоматизация любых производственных процессов выполняется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств [5]. Это обусловлено следующими факторами:

– использование готовых технических средств устранит необходимость их проектирования;

– микропроцессорные системы отличаются высокой надежностью;

– сокращается время проектирования системы;

– унифицируется элементная база систем управления

Существуют следующие варианты технических решений при построении системы управления на базе микропроцессорной техники:

– система управления на базе персонального компьютера;

– система управления на базе локального контроллера PLC (programmable logic controller - программируемый логический контроллер);

– сетевой комплекс контроллеров (PLC, Network);

– полномасштабные распределенные системы управления (DCS, Full Scale).

Для построения системы управления электротермической линией целесообразно использовать система управления на базе локального контроллера PLC, это связанно с тем, что система управления на базе персонального компьютера не обладает достаточными возможностями для управления электротермической линией, сетевой комплекс и распределенная система управления напротив применяются для более сложных объектов и слишком дороги.

Поскольку система будет располагаться в термическом цехе контроллеры должны быть пригодны для работы при температуре до 45 єС. Так как для управления температурой решено применить широтно-импульсное управление, необходимо чтобы на базе применяемого контроллера возможно было организовать управлямый широтно-импульсный модулятор.

Можно отметить что российский рынок на сегодняшний день предлагает достаточно широкий диапазон контроллерных средств среди них можно назвать контроллеры компаний Siemens и Advantech, Mitsubishi.

Для построения системы управления целесообразно применить контроллеры Siemens [18]. Это обусловлено их высокой надежностью, простотой программирования, приемлемой стоимостью и доступностью. Для наших целей применимы контроллеры серий S-300 и S-400.

Для объектов автоматизации средней сложности, к которым относится и ЭЛТА 8/45, можно выбрать один из контроллеров серии S-300, контроллеры серии S-400, стоят дороже, и применяются в основном для сложных объектов (объектов с большим количеством сигналов), в нашем случае их применение было бы необоснованным. Контроллеры S-300 имеют модульное построение, и могут включать в свой состав следующие компоненты:

– стойки (RACK), служащие для размещения модулей и соединения их между собой;

– блок электропитания (Power Supply, PS), обеспечивает подачу энергии к внутренним устройствам;

– центральное процессорное устройство (Central Processing Unit,CPU), хранит и обрабатывает программу пользователя;

– сигнальные модули (Signal Modules), адаптируют системные сигналы ко внутреннему уровню сигнала или управляют приводами посредством цифровых или аналоговых сигналов;

– функциональные модули (Function Modules, FM), выполняют сложную или критичную обработку по времени независимо от CPU;

– коммуникационные процессоры (Communication Processor, CP),

устанавливает соединение с вспомогательными сетями (подсетями);

– подсети (Subnets).

Раннее указанным требованиям к контроллеру (работоспособность при температуре до 45 єС, возможность программной реализации блока ШИМ), удовлетворяет контроллер Siemens S-317 2DP.

Для регулирования скоростей конвейеров в проекте применены частотные преобразователи серии MicroMaster (представлены на рисунке 2.12) производимые компанией Siemens (технические характеристики преобразователей MicroMaster представлены в приложении Б). Это связано с тем, что это привода удовлетворяющие требованиям технического задания, легко интегрируются в любые современные системы, позволяют управлять ими по промышленным вычислительным сетям (PROFIBUS).

Рисунок 2.12

Преобразователи серии MicroMaster (слева направо MicroMaster 410, MicroMaster 420, MicroMaster 440).

Применим, частотные преобразователи MicroMaster 440, так как они обладают наибольшими возможностями в данной серии, в том числе: наличие аналогового входа 4…20 А; возможность изменения оператором вольт-частотной характеристики, что облегчает его переналадку.

Подсистему визуализации (АРМ оператора), возможно, реализовать с помощью следующих технических средств:

– встраиваемая панель оператора;

– панельный компьютер промышленного исполнения;

– настольный компьютер.

Для технической реализации подсистемы визуализации технологического процесса применим панельный компьютер промышленного исполнения. Это обусловлено тем, что ни одна из существующих моделей встраиваемых панелей оператора не способна обеспечить выполнение всех функции, указанных в техническом задании, а настольный компьютер занимает слишком много места и его невозможно разместить в цехе.

2.3. Выбор программного обеспечения и структуры программного обеспечения проекта

Для обеспечения нормального функционирования системы необходимо, чтобы программное обеспечение решало две задачи:

– формирование управляющих сигналов для электротермической линией в соответствии с алгоритмами её работы;

– представление информацию о состоянии системы в форме понятной оператору и обеспечение взаимодействия между оператором и объектом управления, возможность управлять процессом.

Программное обеспечение, решающее указанные задачи, состоит из программного обеспечения HMI (Human-Machine Interface - человеко-машинного интерфейса) и программного обеспечения контроллера, интерфейса связи между АРМ и ПЛК, а так же интерфейса связи между контроллером и объектом управления.

Так как в качестве оборудования системы был выбран контроллер Siemens, то очевидно, что наиболее целесообразным будет использовать программное обеспечение также разработанное компанией Siemens и приспособленное для наиболее полного и эффективного взаимодействия с контроллерами того же производителя.

Для организации человеко-машинного интерфейса изберем систему исполнения SCADA WinCC 6.0. Фактически управление осуществляется контроллером.

WinCC позволяет осуществлять обмен информацией между оператором и контроллером [19].

Разработку проекта будем осуществлять, используя стандартные средства WinCC6.0 в том числе:

– графическую систему, редактор для создания кадров (Graphics Designer);

– система сообщений, редактор для конфигурирования сообщений (Alarm Login);

– система архивирования, редактор для определения архивируемых данных (Tag Logging);

– система отчетов, редактор для создания шаблонов отчетов (Report Designer);

– библиотека программных модулей используемых в проекте (Scripts);

– система администрирования.

Для создания программного обеспечения контроллера воспользуемся программным пакетом SIMATIC STEP7 [2]. Данный пакет позволяет так же сконфигурировать применяемое оборудование. STEP7 позволяет объединить все подсистемы, используемые в решении задач автоматизации от полевого уровня, до уровня управления процессом - в рамках однородной системной архитектуры в гомогенное целое. В SIMATIC STEP7 в соответствии со стандартом IEC 1131-3 предоставляются следующие языки программирования:

– STL (список инструкций);

– SCL (структурированный текст);

– LAD (язык контактных элементов);

– FBD (язык диаграмм функциональной логики).

В состав программного обеспечения контроллера входят:

– система конфигурирования оборудования;

– организационные блоки;

– функциональные блоки;

– блоки процедур;

– блоки данных.

Для организации интерфейса обмена данными между контроллером и автоматизированным рабочим местом воспользуемся стандартным протоколом семейства Simatic S7 PROTOCOL SUITE.

В качестве операционной системы на АРМ оператора применим Windows XP.

Структура программного обеспечения представлена на рисунке 2.13.

• Рисунок 2.14 - Структура программного обеспечения АСУ ЭЛТА
• 2.4 Разработка структурных схем КТС

Структурная схема представлена на чертеже 2021.082.000001.С1 включает в себя следующие элементы:

A 1.0 - модуль ввода дискретных сигналов в контроллер;

A 2.0 - модуль вывода дискретных сигналов контроллера;

B 1 - оптосемистор, выполняет функции гальванической развязки между цепью контроллера и цепью нагревателя;

EK1…EK3 - нагревательные элементы;

KM 1- катушка контактора, выполняет функцию коммутации цепи нагревателя;

KM 1:1…4 - контакты контактора KM 1;

K 1- катушка реле, предназначена для гальванической развязки силовых цепей и цепей управления;

K 1:1 - контакт реле K 1, при замыкании данного контакта на дискретный вход поступает сигнал;

QF 1 - автоматический выключатель, выполняет функцию защиты цепи нагревателя;

R 1- резистор;

TA 1…TA 3 - измерительные трансформаторы тока;

TV 1 - понижающий трансформатор напряжения 380/42 В;

X 1:1 - X 2:6 - клеммные контакты;

VS 1 - VS 3 - семисторы, предназначены для управления нагревателями.

Структурная схема 2021.082.000002.С1 включает в себя следующие элементы:

A 3.0 - модуль ввода аналоговых сигналов в контроллер;

A 4.0 - модуль вывода аналоговых сигналов из контроллера;

A 5.0 - блок управления семисторами и тиристорами;

R 2 - резистор, предназначен для преобразования сигнала на входе в БУСТ;

SF 1 - автоматический выключатель вибратора, выполняет функцию защиты питающей цепи;

X 2:1…X 6:2 - клеммные контакты;

Y 1- катушка электромагнита вибратора 3;

VS 4 - семистор управления вибратором;

UA 1 - нормализатор сигнала, преобразует сигнал 0ч5 А во входную величину модуля аналоговых входов 4ч20 мА.

2.5 Визуализации технологического процесса

Визуализация технологического процесса позволит отобразить о работе устройств системы в удобной для оператора наглядной форме. Для этого применимы мнемосхемы линии с изображением основных устройств входящих в ЭЛТА 8/45. На экране панели оператора целесообразно отображать текущие значения параметров системы: скорости конвейеров в печах, температуры и уровни жидкостей в закалочном баке и баке охлаждения, время до завершения обработки партии, дату и информацию об операторе.

На рисунке 2.14 представлена мнемосхема электротермической линии, реализованная в скада-пакете WinCC 6.0.

Рисунок 2.14 - Мнемосхема электротермической линии.

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИНТЕЗ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ЗАКАЛОЧНОЙ ПЕЧИ

3.1 Исследование тепловых процессов в закалочной печи

3.1.1 Построение модели нагрева закалочной печи

Как уже отмечалось, зоны нагрева в печах организованны идентично, поэтому нет необходимости рассматривать каждую зону, достаточно рассмотреть одну из зон нагрева.

Представим модель зоны нагрева в виде «черного ящика», представленную на рисунке 3.1. На входе черного ящика тепловой поток Ф₁, на выходе температура в закалочной печи. Возмущением является ДQ - относительно малые потери тепловой энергии при открывании заслонок шлюзования закалочной печи. Отметим, что заслонки шлюзования являются часть шлюзовой камеры закалочной печи, которая предназначена для минимизации тепловых потерь при загрузке. Это осуществляется за счет того, что одна из заслонок камеры шлюзования всегда закрыта и, следовательно, отсутствует непосредственный контакт между атмосферой печи и атмосферой цеха.

Рисунок 3.1 - Модель зоны нагрева в виде «черного ящика»

Температура в зоне нагрева зависит от следующих параметров: теплового поток от нагревателя зоны нагрева, потери тепла через стенки печи, которые в свою очередь определяются тепловым потоком между внешними стенками печи и атмосферой цеха, и тепловым потоком, идущим на нагрев стенок печи, теплоемкостью атмосферы печи, теплоемкостью материала, из которого изготовлена печь. Распределения теплового потока от нагревателей представлено схематично на рисунке 3.2.

1 - вентилятор зоны нагрева печи;

2 - секции нагревателя;

3 - внутреннее пространство печи;

4 - конвейер печи;

5 - стенки печи.

Рисунок 3.2 - Схема распределения тепла в зоне нагрева закалочной печи.

На рисунке Ф₁- тепловой потоки от нагревателя, Ф₁₂ - тепловой поток из рабочего пространства закалочной печи в её корпус, Ф₂ - тепловой поток от стенок печи в атмосферу цеха, Ф_1С - тепловой поток идущий на нагрев атмосферы печи, Ф_2С - тепловой поток идущий на нагрев стенок печи.

При построении модели приняты следующие допущения:

– утечка тепла из печи через заслонки отсутствует;

– распределение температуры в зоне нагрева равномерно за счет вентилятора;

• - температура во всех зонах печи одинакова;
• - теплообмен между соседними зонами нагрева пренебрежимо мал;
• - процессы протекающие в симисторах скоротечны, по сравнению с процессом нагрева поэтому для модели можно принять, что преобразование сигнала задания в величину входного тока нагревателя происходит по линейному закону.
• Исходные данные для построения математической модели зоны нагрева закалочной печи представлены в таблице 3.1.
• Таблица 3.1 - Исходные данные для построения модели зоны нагрева закалочной печи

Наименование параметра	Обозначение параметра	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Длина зоны нагрева	l1	м	1.5
Высота зоны нагрева	h1	м	0.8
Ширина зоны нагрева	l2	м	1.2
Высота печи	h2	м	1.2
Ширина печи	l3	м	1.8
Удельная теплоёмкость эндогаза			1.051·103
Плотность эндогаза	сэ		1.4
Коэффициент теплопередачи между материалом (шамотный кирпич/пеношамот) и атмосферой печи	б2		10ч12,5
Удельная теплоёмкость пеношамота			0,58·103
Плотность пеношамота	сш		0.83·103

Применяя метод электроаналогий [16], распределение тепла в зоне нагрева печи можно представить электрической схемой представленной на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Эквивалентная электрическая схема зоны нагрева закалочной печи

Для данной электрической схемы можно записать следующую систему топологических уравнений:

(3.1)

где - температура нагревателя в зоне нагрева, єС;

- температура в зоне нагрева печи, єС;

- температура материала печи, єС;

- температура воздуха в цехе, в котором располагается печь, єС;

- разница между температурой нагревателя и температурой атмосферы печи, єС;

- разница между температурами атмосферы печи и температуры материала корпуса печи, єС;

- разница между температурой материала корпуса печи и температурой воздуха в цехе, єС.

На основании системы уравнений (3.1) построим алгебраизированный граф связей между топологическими уравнениями системы.

Граф связей между топологическими уравнениями системы представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Алгебраизированный граф связей между топологическими уравнениями системы

Компонентные уравнения и соответствующие им передаточные функции представленные в таблице 3.2 определяют количественные взаимосвязи физических величин.

Таблица 3.2 - Физические уравнения и передаточные функции тепловой системы

Физические зависимости	Передаточные функции
1	2
	W1=б1 · А1
	W5=б2·А4
	W6=б2·А3
	W7=б2·А3

где А₁ - площадь нагревателя зоны закалочной печи, м²;

А₂ - площадь внутренней поверхности печи, м²;

А₃ - площадь внешней поверхности печи, м²;

б1 - коэффициент теплопередачи между воздухом и материалом

печи, ;

б₂ - коэффициент теплопередачи между материалом нагревателя и

атмосферой печи, ;

С₁ - теплоёмкость атмосферы одной зоны печи, ;

С₂ - теплоёмкость материала печи одной зоны нагрева, .

На основе таблицы можно построить структурную схему зоны нагрева закалочной печи (рисунок 3.5).



Рисунок 3.5 - Структурная схема зоны нагрева

3.1.2 Модель нагревателя закалочной печи

Исходные данные для построения математической модели нагревателя в зоне нагрева закалочной печи представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Исходные данные для построения математической модели нагревателя

Наименование параметра	Обозначение параметра	Единица измерения	Значение
1	2	3	4
Длина нагреваемого проводника нагревателя в зоне нагрева	l3	м	9
Диаметр нагреваемого проводника нагревателя	D	м	0.04
Масса нагревателя	m	кг	64
Удельная теплоемкость материала нагревателя (нихром)	с		0.4·103
Удельное сопротивление нихрома	с		110
Номинальный ток нагревателя	Iн	А	35
Температурный коэффициент сопротивления нихрома	бе		0.1·10-3
Коэффициент теплопередачи между материалом нагревателя и атмосферой печи	б1		7.5-11

Нагреватель представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в тепловую [11]. Для секции нагревателя можно записать уравнения электрической мощности:

, (3.2)

где I - ток нагревателя, А;

R_наг - сопротивление секции нагревателя, Ом;

з - коэффициент полезного действия.

Мощность, выделяемая секцией нагревателя, не является постоянной величиной, так как при изменении температуры нагревателя изменяется его сопротивление. Это изменение описывается следующим выражением:

, (3.3)

где R₀ - сопротивление секции нагревателя при температуре 20єС, Ом;

- температурный коэффициент сопротивления материала

нагревателя, ;

ДТ_наг - изменение температуры нагревателя, єС.

Сопротивление проводника нагревателя можно определить из формулы:

, (3.4)

где - удельное сопротивление материала нагревателя, ; l₃ - длина нагревателя, м;

S - площадь поперечного сечения нагревателя, м².

Мощность, выделяемую в нагревателе, можно представить как тепловой поток, поступающий в нагреватель.

Если проинтегрировать уравнение по времени, то можно получить количество энергии, выделившееся в нагревателе:

, (3.5)

Энергия, выделившаяся в нагревателе, расходуется на нагрев нагревателя и на нагрев атмосферы печи.

Для энергии расходуемой на нагрев материала нагревателя можно записать следующую формулу:

, (3.6)

где - энергия, расходуемая на нагрев нагревателя, Дж,

с - удельная теплоемкость вещества нагревателя, ;

- изменение температуры материала нагревателя при передаче ему энергии ;

m - масса секции нагревателя, кг.

Энергия, выделяемая нагревателем в атмосферу печи можно определить по формуле:

, (3.7)

где Q₁ - энергия, выделившаяся в атмосферу печи.

Исходя из выше рассмотренного, можно составить структурную схему нагревателя. Структурная схема нагревателя представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 - Структурная схема нагревателя

Применяя формулы (3.6) и (3.7) можно записать выражение для передаточной функций нагревателя:

, (3.8)

где с - удельная теплоемкость материала нагревателя,;

m - масса нагревателя, кг.

3.1.3 Построение САР температуры для зоны нагрева

Структурная схема САР температуры для зоны нагрева представлена на рисунке 3.7.

W_з.п. - передаточная функция зоны нагрева закалочной печи;

W_наг. - передаточная функция нагревателя;

W_ШИМ - передаточная функция широтно-импульсного модулятора;

W_рег. - передаточная функция регулятора температуры;

УУ_зад. - устройство управления, выдающее сигнал задания;

W_{дат.тем.} - передаточная функция датчика температуры.

Устройство управления, ШИМ и регулятор температуры реализованы в схеме на базе программируемого логического контроллера.

Рисунок. 3.7 - Структурная схема САР температуры

3.1.4 Определение коэффициентов передаточных функций модели нагрева закалочной печи и модели нагревателя

Площадь поверхности нагревателя определяется по формуле:

, (3.9)

где - длина нагревателя в зоне нагрева, м;

D - диаметр проводника нагревателя, м;

- площадь нагревателя, м².

Подставляя в формулу значения из таблицы 3.3 получим:

=0.0036, м².

Площадь внутренней поверхности зоны нагрева печи можно определить следующим образом:

, (3.10)

где - длина зоны нагрева, м;

- ширина зоны нагрева, м;

- высота зоны нагрева, м;

- площадь внутренней поверхности зоны нагрева, м².

Подставляя значения из таблицы 3.1 получим:

= 6, м².

Площадь внешней поверхности зоны нагрева печи можно определить следующим образом:

, (3.11)

где - длина зоны нагрева, м;

- ширина зоны нагрева, м;

- высота печи, м;

- длина нагревателя в зоне нагрева, м.

Подставляя значения из таблицы 3.1 определим площадь внешней поверхности:

=9, м² .

Определим теплоемкость атмосферы зоны закалочной печи, для этого воспользуемся следующей формулой:

, (3.12)

где V₁ - объем зоны нагрева печи, ;

с₁ - удельная теплоемкость эндогаза, ;

- плотность эндогаза, ;

С1 - теплоемкость атмосферы печи, .

Объем можно определить из геометрических размеров зоны печи указанных в таблице 3.1:

, (3.13)

где - длина зоны нагрева, м;

- ширина зоны нагрева, м;

- высота зоны нагрева, м.

Подставляя значения из таблицы 3.1 в формулы (3.12, 3.13) рассчитаем значение теплоемкости атмосферы в зоне нагрева печи:

, м³;

тогда теплоёмкость атмосферы зоны печи:

,.

Аналогично можно определить теплоёмкость части корпуса, которая расположена вокруг зоны нагрева печи:

, (3.14)

где V2 - объем занимаемый материала корпуса печи в зоне нагрева,

с₂ - удельная теплоемкость материала печи, ;

- плотность материала печи, ;

С₂ - теплоемкость стенок печи граничащих с зоной нагрева, .

Объем можно определить из геометрических размеров зоны печи,

указанных в таблице 3.1:

, (3.15)

где V₁ - объем зоны нагрева печи, ;

- длина зоны нагрева, м;

- высота печи, м;

- длина нагревателя в зоне нагрева, м.

Подставляя значения из таблицы 3.1 в формулe (3.15) определим теплоемкость материала корпуса печи в зоне нагрева:

, м³;

тогда теплоемкость корпуса по (3.14):

, .

При подстановке значений из таблицы 3.1 и выше рассчитанных значений в математические выражения передаточных функций указанные в таблице 3.2, передаточные функции примут вид:

W1=0.0018 · 14=0.0504;

;

;

W5=12.5 · 9=112,5;

W6=12.5 · 6=75;

W7=12.5 · 6=75.

Передаточная функция нагревателя при подстановке в формулу (3.8) данных из таблицы 3.3 примет вид:

.

3.1.5 Определение передаточной функций датчика температуры

Устройство, измеряющее температуру в печи, представляет собой термопару. На выходе датчика формируется сигнал в виде унифицированного сигнала 4ч20 мА.

Диапазон измерения датчика (DТизм) 0 ч 1000 єС.

Сигнал с датчика поступает в программируемый логический контроллер, на входе которого находится аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП преобразует сигнал датчика из аналогового значения в значение температуры (Тк) в диапазоне 0 ч 1000 єС. Поэтому если рассматривать термопару совместно с АЦП как единый датчик получим передаточную функцию датчика

, (3.16)

где Т_к - максимальное значение температуры определяемое контроллером, єС;

T_{изм.макс} - максимальное значение температуры измеряемое датчиком, єС.

Подставляя в формулу (3.16) получим:

.

3.1.6 Передаточная функция преобразователя

Целесообразным будет рассматривать блок-ШИМ (широтно-импульсный модулятор), реализованных на базе контроллера, и симисторный преобразователь как единое устройство, далее именуемое «Преобразователь».

ШИМ выдает последовательность импульсов, продолжительность которых зависит от величины ошибки на входе преобразователя. Ток, подаваемый на нагреватель, пропорционален скважности импульсов. Запишем выражение для скважности импульса:

, (3.17)

где t_имп - продолжительность импульса, с;

Т - период импульса, с.

Симисторный преобразователь преобразует продолжительность импульса во входной ток нагревателя.

Таким образом, передаточная функция преобразователя выглядит следующим образом:

, (3.18)

где I_н - номинальный ток нагревателя, А;

Т_{зад.макс} - максимальная величина задания температуры.

Подставляя значения номинального тока (таблица 3.3) и диапазона задания температуры получим:

, А/єС.

• 3.2 Программирование алгоритмов работы устройств ЭЛТА 8/45

Программную реализацию алгоритмов работы устройств электротермической линии представим на примере клапана и широтно-импульсного модулятора, алгоритмы котрых приведены в разделе техническое предложение.

Программа составляется на языке SCL встроенном в программный пакет Simatic Step 7:

• FUNCTION_BLOCK FB1
• // Block Parameters
• VAR_INPUT
• OPd:BOOL;// клапан открылся (с пускателя)
• Acknow: BOOL; // квитированно
• To_OP:BOOL; // команда открыть от верхнего алгоритма
• Breake_List:BOOL; // сигнал наступления аварии
• END_VAR
• VAR_IN_OUT
• // I/O Parameters
• END_VAR
• VAR_OUTPUT
• OPtoValve:BOOL; // открыть клапан (команда на пускатель)
• Dont_OP:BOOL; // клапан не открылся
• END_VAR
• VAR_TEMP
• // Temporary Variables
• cur_time:DATE_AND_TIME;
• re_val:INT;
• END_VAR
• VAR
• // Static Variables
• ErNotCl:BOOL; // клапан не закрылся
• ErOp:BOOL // клапан открылся по неизвестной причине
• Closed_Error:BOOL; // клапан закрыт и в аварии
• OPd_Er:BOOL;// клапан открыт ошибка
• NormalOP:BOOL; // клапан открыт и в норме
• NormalCL:BOOL; // клапан закрыт и в норме
• Cl_ing:BOOL; // клапан открывается
• Op_ing:BOOL; // клапан закрывается
• Cl_ing_ER:BOOL; // сигнал задания снимается по ошибке
• timer1: BOOL;//TIMER
• timer1_start:DATE_AND_TIME;
• interval:TIME;//INTERVAL
• END_VAR
• BEGIN
• interval:=T#0s;
• re_val:=READ_CLK(CDT :=cur_time);
• interval:=SB_DT_DT(DT1 :=cur_time,
• dt2:=timer1_start);
• IF interval>T#5s THEN
• timer1:=true;
• END_IF;
• IF NOT To_OP AND NOT OPd AND NOT Closed_Error AND NOT OPd_ER THEN
• OPtoValve:=0;
• NormalCL:=1;
• END_IF;
• IF To_OP AND (NormalCL OR Closed_Error) THEN
• Op_ing:=1;
• NormalCL:=0;
• Closed_Error:=0;
• OPtoValve:=1;
• END_IF;
• IF OPtoValve AND OP_ing THEN
• timer1_start:=cur_time; timer1:=false;
• END_IF;
• IF Op_ing AND OPd THEN
• NormalOP:=1;
• Op_ing:=0;
• END_IF;
• IF Op_ing AND NOT OPd AND timer1 THEN
• Cl_ing_ER:=1;
• Op_ing:=0;
• OPtoValve:=0;
• Dont_OP:=1;
• END_IF;
• IF NormalOP AND NOT To_OP THEN
• Cl_ing:=1;
• NormalOP:=0;
• OPto_Valve:=0;
• END_IF;
• IF NOT OPtoValve AND Cl_ing THEN
• timer1_start:=cur_time; timer1:=false;
• END_IF;
• IF (Cl_ing AND OPd AND timer1) THEN
• ErNotCl:=1;
• Cl_ing:=0;
• END_IF;
• IF NormaCl AND OPd THEN
• NormalCL:=0;
• ErOp:=1;
• END_IF;
• IF ErOp OR ErNotCl THEN
• OPd_Er:=1;
• ErOP:=0;
• ErNotCL:=0;
• END_IF;
• IF OPd_Er AND NOT OPd AND Acknow THEN
• OPd_Er:=0;
• END_IF;

IF (Cl_ing_ErR AND NOT OPd THEN

Closed_Error:=1;

Cl_ing:=0;

END_IF;

IF Closed_Error AND NOT Breake_List AND Acknow THEN

Closed_Error:=0;

END_IF;

END_FUNCTION_BLOCK

FUNCTION_BLOCK FB2

VAR_INPUT

TR_swithing_ON:BOOL;//трансформатор включен

Turn_ON:BOOL; // команда включить от алгоритма нагревателя

time1:S5TIME; // время импульса

END_VAR

VAR_IN_OUT

// I/O Parameters

END_VAR

VAR_OUTPUT

timer1:BOOL; // выдать ипульс

timer2:BOOL //ожидать разрешения на следующий импульс

timer1_start:BOOL;// переменная запуска таймера 1

timer2_start:BOOL;// переменная запуска таймера 2

END_VAR

VAR_TEMP

// Temporary Variables

cur_time:DATE_AND_TIME;

re_val:INT;

END_VAR

VAR

// Static Variables

timer1_start:DATE_AND_TIME;

timer2_start:DATE_AND_TIME;// переменные разрешения работы таймеров

interval:TIME;

interval1:TIME; //стандартные переменные функций таймера

END_VAR

BEGIN

END_IF;

interval:=T#0s;

re_val:=READ_CLK(CDT :=cur_time);

interval:=SB_DT_DT(DT1 :=cur_time,

dt2:=timer1_start);

IF interval<time1 THEN

timer1:=true;

interval1:=T#0s;

re_val:=READ_CLK(CDT :=cur_time);

interval1:=SB_DT_DT(DT1 :=cur_time,

dt2:=timer2_start);

IF interval<time1 THEN

timer2:=true;

END_IF;

IF TR_swithing_ON AND Turn_ON AND NOT timer2 THEN

timer1_start:=cur_time; timer1:=false;

timer2_start:=cur_time; timer2:=false;

END_IF;

END_FUNCTION_BLOCK

ORGANIZATION_BLOCK OB1

VAR_TEMP

// Reserved

Info: ARRAY[0..19] OF BYTE;

// Temporary Variables

END_VAR

// Instructions

FB1.DB1;

FB2.DB2;

END_ORGANIZATION_BLOCK

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВНЕДРЕНИЯ АСУ ЭЛТА

Автоматизация производства и производственных процессов, как правило сопряжена со значительными финансовыми затратами, в том числе на разра-ботку проекта, приобретение технических средств, на проведение подготови-тельных работ и подготовку персонала. Поэтому для того чтобы избежать необоснованных затрат и финансовых потерь, ещё до внедрения систем автоматизации должно быть произведено экономическое обоснование целесообразности внедрения системы. Исходя из вышесказанного, необходимо произвести расчет эффективности применения системы автоматизации.

Основными показателями, определяющими экономическую целесообразность затрат, являются: ожидаемый годовой экономический эффект, экономическая эффективность капитальных вложений, срок окупаемости капитальных вложений.

В данном проекте будет оценена экономическая эффективность проекта по внедрению системы автоматизации процесса термообработки для электротермической линии ЭЛТА 8/45. Электротермическая линия предназначена для термической обработки металлических деталей используемых в автомобильной промышленности.

Целью внедрения данной системы является снижение экономических потерь связанных с браком, а так же сокращение расходов на энергоресурсы.

Ожидаемые результаты внедрения:

– уменьшение влияния человеческого фактора на технологический процесс;

– сокращение количества продукции отправляемой в брак;

– повышение отказоустойчивости системы;

– исключение длительной перенастройки при необходимости внести изменения в параметры процесса термической обработки.

Факторы, обуславливающие повышение эффективности системы:

– самостоятельная остановка работы электротермической линии при возникновении нештатной либо аварийной ситуации;

– возможность задания параметров техпроцесса с АРМ оператора;

– совершенная система самодиагностирования;

– более точное поддержание параметров процесса.

За базу для сравнения при расчете экономической эффективности примем процесс термообработки на существующем аналоге СКЗА 6-30, на котором отсутствует система автоматизации.

Основные источники данных для расчета:

– договор на разработку системы автоматизации между ОАО «БелЗАН» и ООО ИПФ «АСУПРОМ»;

– задание на проектирование системы АСУ ЭЛТА;

– результаты предпроектного обследования объекта автоматизации.

4.1 Исходные данные для расчета

В качестве исходных данных для расчета принимаются данные о затратах на разработку и внедрение системы, данные о сроках разработки системы, данные о функционировании разрабатываемой системы, указанные в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Исходные данные для расчета затрат на разработку и внедрение системы

Наименование	Условное обозначение	Единица измерения	Значения
1	2	3	4
Оклад иниженера-программиста	ОКЛпрогр	руб.	14500
Оклад главного инженера проекта	ОКЛгип	руб.	16000
Оклад инженера пусконаладочных работ	ОКЛпнр	руб.	15000
Паспортная мощность рабочих станций в совокупности	Мраб.с	КВт/ч	1.2
Стоимость одного кВт/ч электроэнергии	Стэ/э	руб.	1.25
Отчисления во внебюджетные фонды	Овнбф	% от ФОТ	18.5
1.Пенсионный фонд	Опф	% от ФОТ	14
2. Фонд социального страхования	Осоц	% от ФОТ	0.7
3. Фонд обязательного медицинского страхования	Омед	% от ФОТ	3.6
4. Фонд страхования от несчастных случаев на производстве и профессио-нальных заболеваний	Онсп	% от ФОТ	0.2
Число рабочих дней в месяце	РДмес	День	22
Число рабочих дней в году	РДгод	День	250
Продолжительность рабочего дня	Пр.дн	Час	8
Затраты на материалы	Змат	% от бал. Ст-ти оборудования	2.5
Расходы на транспортировку и установку оборудования	Зтранс	% от бал. Ст-ти оборудования	10
Амортизация оборудования	Аоб	% от бал. Ст-ти оборудования	20
Затраты на текущий ремонт оборудования	Зрем	% от бал. Ст-ти оборудования	5
Прочие затраты	Зпроч	% от бал. Ст-ти оборудования	10
Накладные расходы	Знакл	% от ФОТ	20
Балансная стоимость оборудования применяемого на этапе проектирования системы	Сбаланс	Руб.	214000
Региональный коэффициент	Крег	% от ФОТ	15
Коэффициент готовности оборудования		Кгот	0.95
Количество единиц вычислительной техники необходимых для разработки	Колрс	Шт	4
Базовая стоимость комплекта оборудования необходимого для внедрения системы	Стбко	руб.	1742000

Данные о сроках отводимых на разработку и внедрение системы приведены в таблице 4.2

Таблица 4.2 - Сроки на разработку и внедрение системы

Стадия разработки	Условное обозначение	Ед. изм	Фонд рабочего времени отводимый на стадию	В том числе машинное время	Число сотруд-ников занятых на этапе проекта
Предпроектный анализ	Танализ	день	5		3
Разработка техни-ческого задания	Ттз	день	30	10	3
Разработка техни-ческого обеспечения	Трто	день	40	15	2
Разработка программно-математического обеспечения	Тпо	день	50	40	2
Монтаж оборудования	Тмо	день	10		2
Пусконаладочные работы и сдача в эксплуатацию	Тпнр	день	10		2

Данные для расчета экономической эффективности приведены в таблице 4.3

Таблица 4.3 - Данные для расчета экономической эффективности.

Наименование	Условное обозначение	Единица измерения	Значение
			Базовый вариант	Внедряе-мый вариант
Стоимость продукции обрабатываемой линией за год	Стпр	руб.	12340000	12340000
Потери на брак	Кпот	% от стоимости обрабатываемой продукции	7	4
Расходы на обслуживание линии (совместно с АСУ)	С	руб.	3821440	3279290
Нормативный Коэффициент эффективности кап. вложений	Ен		0.2	0.2

4.2 Расчет экономической эффективности

4.2.1 Расчет временных затрат на разработку системы.

В течение срока работы над системой затраты времени инженера-программиста составили [4]:

(4.1)

Временные затраты главного инженера проекта на разработку проекта:

, (4.2)

Временные затраты главного инженера проекта на внедрение проекта:

, (4.3)

Временные затраты инженера ПНР на разработку системы:

, (4.4)

Временные затраты инженера ПНР на внедрение системы:

, (4.5)

где Танализ - время необходимое для анализа и изучения объекта автоматизации;

ТТЗ - время на разработку технического задания;

ТРТО - время необходимое для разработки технического обеспечения;

ТПО - время на разработку программно-математического обеспечения;

ТМО - время необходимое для монтажа оборудования;

ТПНР - время, отводимое на пусконаладочные работы.

Таким образом, подставив в формулы (4.1 - 4.5) значения из таблицы 4.2, получим:

дней

дней

дней

дней

дней

4.2.2 Расчет затрат на разработку и ввод в эксплуатацию системы

Затраты на разработку системы можно определить из следующей формулы [4]:

, (4.6)

• где ЗЗПразраб - затраты на оплату труда;
• Овнбф - отчисления во внебюджетные фонды;
• Знакл - накладные расходы;
• Зэвм - затраты на эксплуатацию ЭВМ.
• В пункте 4.2.1 были определены временные затраты сотрудников проекта: главного инженера проекта, инженера-программиста, инженера пусконаладочных работ; используем полученные данные для расчета фонда заработной платы.
• Расходы на заработную плату можно рассчитать по формуле:
• , (4.7)
• где ОКЛпрогр - оклад инженера-программиста;
• ОКЛГИП - оклад главного инженера проекта;
• ОКЛПНР - оклад инженера ПНР;
• Крег - региональный коэффициент;
• СР прогр - срок работы инженера-программиста над проектом (мес.);
• СРГИП - срок работы главного инженера проекта над проектом (мес.);
• СРПНР - срок работы инженера ПНР над проектом (мес.);
• Подставив исходные данные из таблицы 4.1, в формулу (4.7) определим расходы на заработную плату:
• руб.

Отчисления во внебюджетные фонды рассчитаем по формуле:

, (4.8)

• где ОПФ - отчисления в пенсионный фонд;
• Осоц - отчисления в фонд социального страхования;
• Омед - отчисления в фонд обязательного медицинского страхования;
• Онсп - отчисления в фонд страхования от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний.
• руб

Рассчитаем накладные расходы:

, руб

Затраты на эксплуатацию ЭВМ можно определить по следующей формуле:

, (4.9)

где Смаш/ч - себестоимость машино-часа;

ТЭВМ - машинное время необходимое для разработки проекта.

Машинное время необходимое для разработки системы определим по формуле:

, (4.10)

где - время работ на ЭВМ на стадии технического задания (дней);

- число сотрудников разрабатывавших техническое задание;

- время работ на ЭВМ на стадии разработки технического

обеспечения (дней);

- число сотрудников разрабатывавших техническое

обеспечение;

- время работ на ЭВМ на стадии разработки ПО;

- количество сотрудников участвовавших в разработке ПО;

Праб.дн - продолжительность рабочего дня.

Себестоимость одного машино-часа определяется по формуле:

, (4.11)

где Зобор - суммарные затраты за год, связанные с содержанием и

эксплуатацией оборудования;

Fп - годовой фонд полезного времени;

Кгот - коэффициент готовности оборудования.

Для определения годового фонда полезного рабочего времени воспользуемся формулой:

, (4.12)

• где РДгод - число рабочих дней в году.
• Таким образом, годовой фонд полезного рабочего времени составит:
• часов
• Суммарные затраты связанные с содержанием и эксплуатацией оборудования рассчитаем по следующей формуле:
• , (4.13)
• где Змат - затраты на расходные материалы;
• Аоборуд - величина амортизационных отчислений;
• Зремонт - затраты на текущий ремонт;
• Зэ/э - затраты на электроэнергию;
• Зпрочие - затраты прочие.

Для определения затрат потребуется балансовая стоимость оборудования

Сбаланс - используемого для разработки, которая определяется как сумма стоимости оборудования и затрат на его транспортировку и установку.

Из таблицы 6.1: Сбаланс= 214000 руб. Тогда затраты на эксплуатацию составят:

• , (4.14)
• руб
• , (4.15)
• руб.
• , (4.16)
• руб.
• , (4.17)
• где М - суммарная мощность всего оборудования;
• - стоимость одного кВт/ч электроэнергии;

Подставив имеющиеся данные (таблица 4.1), получим:

руб.

, (4.18)

руб.

Подставляя полученные значения в формулу (4.13) получим годовые затраты связанные с содержанием и ремонтом оборудования:

руб.

• Теперь стало возможным рассчитать стоимость одного машино-часа, подставив полученные значения в формулу (4.11):
• руб.

Величина себестоимости машино-часа при разработке АСУ ЭЛТА составит 43.8 руб.

Рассчитаем фонд машинного времени для разработки проекта:

часов

Таким образом, затраты на эксплуатацию ЭВМ составят:

руб.

Соответственно затраты на разработку системы составят:

руб.

4.2.3 Расчет затрат на внедрение системы

Затраты на внедрение систем определяются по формуле [4]:

• , (4.19)
• где ФОТвн - фонд оплаты труда за период внедрения системы;
• Овнбф.вн - отчисления во внебюджетные фонды за период внедрения;
• Знакл.вн - накладные расходы при внедрении системы;
• - стоимость базового комплекта оборудования необходимого для
• внедрения системы.
• В ходе внедрения затраты на применение ЭВМ пренебрежимо малы.
• Для расчета ФОТвн - воспользуемся формулой:
• , (4.20)
• Подставив табличные значения, получим заработную плату сотрудников на внедрение:
• руб.
• Отчисления во внебюджетные фонды за период внедрения можно определить следующим образом:
• , (4.21)
• Подставив данные из таблицы 6.1 в формулу получим:
• руб.
• Определим накладные затраты на внедрение системы:
• руб.

Стоимость базового комплекта оборудования указана в таблице 4.1

Подставив полученные данные в формулу (4.22)

руб.

4.2.4 Расчет ожидаемой экономии по основным технико-экономическим показателям.

Условная годовая экономия за счет сокращения расходов на эксплуатацию определяется по формуле [4]:

, (4.23)

• где С1 - расходы на эксплуатацию по базовому варианту (таблица 4.3);
• С2 - расходы на эксплуатацию по внедряемому варианту (таблица 4.3);

Таким образом, получим:

руб.

Ожидаемая годовая экономия за счет сокращения потерь на брак:

• , (4.24)
• где - стоимость продукции обрабатываемой электротермической
• линией за год;
• - коэффициент потерь на брак по базовому варианту;
• - коэффициент потерь на брак по внедряемому варианту.
• Подставив в формулу (4.24) данные из таблицы 4.3, получим:
• руб.

Таким образом, сложив экономию за счет сокращения расходов на эксплуатацию с экономией за счет сокращения брака, получим суммарную годовую экономию:

руб.

4.2.5 Рассчет ожидаемого годового экономического эффекта

Ожидаемый годовой экономический эффект рассчитывается по формуле:

, (4.25)

где Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности:

К - величина капитальных вложений (затраты на создание и внедрение

системы).

, (4.26)

• Подставляя рассчитанные данные получаем:
• Согласно формуле (4.25) получим:
• руб.

4.2.6 Расчет коэффициента экономической эффективности и срока окупаемости

Коэффициент экономической эффективности Ер капитальных вложений на создание системы рассчитывается по формуле [4]:

• , (4.27)
• Подставив в формулу имеющиеся данные получим:
• Срок окупаемости капитальных вложений Т определяется по формуле:
• , (4.28)
• Подсчитаем срок окупаемости капитальных вложений:
• , года
• Таким образом, срок окупаемости капитальных вложений составляет 2.2 года.
• Сведем результаты экономической эффективности в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 - Результаты расчетов экономической эффективности

Показатели расчетов	Единица измерения	Значение
Затраты на создание системы	Руб.	358492
Затраты на внедрение системы	Руб.	1786886.6
Ожидаемый годовой экономический эффект	Руб.	483274.3
Расчетный коэффициент экономической эффективности		0.44
Расчетный срок окупаемости капитальных вложений	год	2.2

Расчетный показатель экономической эффективности должен быть выше нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений [4].

лет

Таким образом, Ер больше Ен (0.44>0.2), Тр ниже Тн (2.2<5)

Сравнив расчетные и нормативные коэффициенты экономической эффективности и сроки окупаемости, можно сделать вывод, что внедрение АСУ ЭЛТА является целесообразным.