Электроприводные системы агрегатов транспортно-технологического комплекса нагрева и подачи слитков к обжимному прокатному стану

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

ОТЧЕТ

по курсовой работе

Электроприводные системы агрегатов транспортно-технологического комплекса нагрева и подачи слитков к обжимному прокатному стану

Дисциплина

«Автоматические электроприводные системы машин и технологических комплексов»

Выполнил:

Студент группы 4404

Цофнас Д.А.

Проверил:

Белов М.П.



Описание технологического комплекса

Транспортно-технологический комплекс обеспечивает подачу нагретых слитков к приемному рольгангу обжимного прокатного стана.

Основными агрегатами, входящими в состав комплекса являются:

Электровоз. Осуществляет подачу охлажденных слитков в зону нагревательных колодцев.

Мостовой кран. Состоит из кабины управления, механизма передвижения крана, кабеля электропитания грузовой тележки, электрооборудования, моста крана, грузовой тележки, установки главного токоприемника, кабины для обслуживания троллеев. Крановый мост опирается на ходовые колёса и перемещается по подкрановым путям, уложенным на выступах верхней части стены цеха. Тележка движется по двум рельсам, закреплённым на главных балках моста. Питание крана осуществляется через жесткие троллеи, размещенные вдоль подкрановых путей. Питание механизмов тележки осуществляется через гибкий кабель, подвешенный на специальном монорельсовом пути при помощи подвижных кареток.

Слитковоз. Представляет собой тележку с установленным на ней оборудованием. Питание к электрическому оборудованию подводится через контактные провода.

Манипулятор. Осуществляет перегрузку слитков со слитковоза на рольганг. Имеет две степени свободы.

Приемный рольганг. Предназначен для транспортирования слитков вращающимися роликами.

В состав транспортно-технологического комплекса входят также следующие элементы: цеховая подстанция, распределительные шкафы, шкафы электрооборудования, датчики параметров технологического процесса (температуры, давления, путевые).

Упрощенно технологический комплекс представляет собой последовательность этапов приведенных далее. Охлажденные слитки подаются с помощью электровоза в зону нагревательных колодцев (нагревательный пролет) и перегружаются в колодцы мостовым краном с клещевым захватом. Слитки с помощью индукционного нагрева нагреваются до температуры пластичных деформаций.

После завершения нагревания слитки загружаются тем же краном в слитковоз и доставляются к приёмному рольгангу. Перегрузка нагретых слитков со слитковоза на рольганг осуществляется манипулятором (сталкивателем).

Движение транспорта (электровоза и слитковоза) осуществляется по рельсовому пути стандартной ширины 1540 мм. В исходном положении слитковоз находится у приемного рольганга.

Цикл обслуживания одного колодца состоит из следующих операций:

- автоматический пуск слитковоза с разгоном до максимально скорости, движение с этой скоростью до путевых датчиков, обеспечивающих снижение скорости до «ползучей», движение на «ползучей» скорости до путевых датчиков, обеспечивающих остановку на оси заданной группы колодцев;

- погрузка слитка на слитковоз мостовым краном;

- автоматический пуск загруженного слитковоза с разгоном до максимальной скорости, движение слитковоза с этой скоростью, замедление по сигналу путевого датчика до средней скорости движения и движения с ней, снижение скорости до уровня «ползучей» по сигналу следующего путевого датчика и движение с этой скоростью до путевого датчика, обеспечивающего точную остановку у рольганга;

- обеспечение необходимой паузы для перегрузки слитка на приёмный рольганг сталкивателем.

Далее слитки поступают на обжимной прокатный стан для производства полупродукта прямоугольного и квадратного сечения, из которых получают изделия из металла заданной формы.



1. Техническое задание

1.1 Наименование и область применения изделия

Проектируется гибко программируемая система управления агрегатами транспортно-технологического комплекса подготовки и подачи слитков к обжимному прокатному стану. Данная система предназначена для использования в металлургическом производстве при управлении транспортно-технологическим комплексом, обеспечивающим подачу слитков к приемному рольгангу обжимного прокатного стана для дальнейшего производства полупродукта прямоугольного или квадратного сечения.

1.2 Основания для разработки, цели и источники разработки

Основанием для разработки является задание на курсовой проект, включающее в себя общие данные на проектирование и индивидуальное задание по функциям и режимам управления агрегатами. К целям разработки системы относятся: повышение уровня автоматизации, упорядоченности технологического процесса, энергосбережение за счет применения частотно-регулируемых приводов переменного тока с рекуперацией энергии в питающую сеть. В качестве источников для разработки используются типовые технические средства (электроприводы и системы автоматизации) следующих фирм: Siemens, Omron. прокатный станок рольганг

1.3 Технические требования

1.3.1 Состав продукции и требования к конструкторскому устройству

Состав проектируемой системы: собственно система управления и устройства, обеспечивающие и дополняющие ее работу (посты оператора (ПО), станции оператора (СО), программируемые логические контроллеры (ПЛК), персональные компьютеры (ПК), сетевые средства). Требования к конструкторскому устройству включают общие технические данные (табл.1), а также определяют функции и режимы управления агрегатами.

Функции и режимы управления агрегатами:

- автоматическое управление колодцами, по порядка с 1 по 7;

- полуавтоматическое управление колодцами;

- работа мостового крана

Таблица 1 - Технические данные согласно варианту задания

Параметр	Значение
Масса слитковоза (без двигателя), т	40
Масса слитка, т	8,5
Число поездок в час	32
Число пар ходовых колес слитковоза, шт.	2
Число пар ведущих колес, шт.	2
Диаметр колеса, мм	900
Диаметр цапфы колеса, мм	150
Передаточное число редуктора от двигателя к ведущим колесам (предварительное)	7,5
Число групп нагревательных колодцев	5
Расстояние между осями групп колодцев, м	16
Расстояние от приемной части рольганга до первой оси групп, м	50
Время погрузки слитка на слитковоз, с	10
Время выгрузки слитка на рольганг, с	7,6
Максимальная скорость движения, м/с	5,6
Средняя скорость на подходе к рольгангу, м/с	1,85
Значение ползучей скорости, м/с	0,4
КПД механической передачи, %	93

1.3.2 Показатели экономного использования сырья и энергии

В проекте предусматривается экономное использование сырья (за счет упорядочивания работы агрегатов) и энергии (благодаря рекуперации электрической энергии в питающую сеть) в процессе работы системы.



1.3.3 Требования к надежности

Соблюдены в покупных изделиях.

1.3.4 Требования к технологичности и метрологическому обеспечению разработки

Технологичность разработки обеспечивается применением готовых конструктивных решений.

1.3.5 Требования по унификации и стандартизации

Предусматривается использование средств, соответствующих национальным стандартам по по производителю и российским стандартам.

1.3.6 Требования к безопасности и охране окружающей среды

Предусматривается использование средств, соответствующих стандартам по электромагнитной совместимости и защиты от удара электрическим током.

1.3.7 Эстетические и эргономические требования

Эстетические и эргономические требования соблюдены в покупных изделиях.

1.3.8 Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту и др. требования

Условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту оговариваются в соответствующих документах по эксплуатации системы и в предъявляемых требованиях к персоналу.



1.4 Экономические показатели

При внедрении рассматриваемой системы предполагается достижение следующих экономических показателей: уменьшение эксплуатационных затрат, достижение заданного уровня производительности и качества технологического процесса.

1.5 Стадии и этапы разработки

Этапы разработки системы:

- Составление описания технологического комплекса;

- Постановка задачи на проектирование системы управления;

- Расчет системы, обоснование и выбор технических средств;

- Разработка и описание функциональной схемы системы;

- Разработка и описание принципиальной электрической схемы;

- Разработка алгоритмов управленияи их управление на ПК.

Расчет системы, обоснование и выбор технических средств

Расчет скоростной диаграммы и графика зависимости V=f(L)

Время цикла:

Значение допустимого ускорения:

Коэффициент сцепления колёс с рельсами



где - коэффициент сцепления (трения) колес с рельсами; - число ведущих колес; - общее число колес, - ускорение свободного падения.

Расчёт параметров временной диаграммы при движении от рольганга:

Время разгона до

Пройденный путь

Время замедления до

Пройденный путь

Время торможения до полной остановки

Пройденный путь



Время движения на ползучей скоростиопределяется из условия, что пройденный при этом путь будет примерно равен 5% от значения .

Пройденный путь

Время движения на максимальной скорости

До 1-й группы колодцев

До 2-й группы колодцев

До 3-й группы колодцев



До 4-й группы колодцев

До 5-й группы колодцев

До 6-й группы колодцев

До 7-й группы колодцев

Расчёт параметров временной диаграммы при движении к рольгангу:

Время разгона до .



Пройденный путь

Время замедления до

Пройденный путь

Время замедления до

Время движения на средней скорости. Пройденный путь



Время движения на ползучей скорости

Пройденный путь

Время торможения до полной остановки

Пройденный путь

Время движения на максимальной скорости

От 1-й группы колодцев

От 2-й группы колодцев



От 3-й группы колодцев

От 4-й группы колодцев

От 5-й группы колодцев

От 6-й группы колодцев

От 7-й группы колодцев



Результаты расчетов для средней (4-ой) группы колодцев приведены в табл.2. Скоростная диаграмма для этого случая показана на рис.1.

Места расположения путевых датчиков определяются исходя из данных табл.2.

Датчики располагаются таким образом, чтобы обеспечить необходимую точность остановки тележки у осей групп колодцев и рольганга, а также, чтобы фиксировать текущее местонахождение тележки. Места расположения датчиков (см. табл.3) представляют собой расстояния в метрах от приёмной части рольганга до соответствующего датчика по ходу движения тележки.

Таблица 3.1.1 - Результаты расчетов для средней группы колодцев скоростной диаграммы.

Участок	0 - 1	1 - 2	2 - 3	3 - 4	4 - 5	5 - 6
Скорость, м/с	Разгон (с нуля)	5,7	Торможение	0,35	Торможение	0
Время, с	7,3	8,98	6,8	2,9	0,45	9
Путь, м	20,8	51,2	20,57	1,02	0.079	0
Участок	6 - 7	7 - 8	8 - 9	9 - 10	10 - 11	11 - 12	12 - 13
Скорость, м/с	Разгон	5,7	Торможение	1,9	Торможение	0,35	Торможение
Время, с	7,3	8,7	4,87	0.4	1,99	2,9	0,45
Путь, м	20,8	49,7	18,5	0.8	2,24	1,02	0,079
Участок	13 - 14	14 - 15	15 - 16	16 - 17	17 - 18	18 - 19	19 - 20
Скорость, м/с	0	Разгон	1,8	Торможение	0,4	Остановка	Выгрузка слитка
Время, с	7,5	5,87	0,6	2,22	2,99	0,63	8
Путь, м	0	21,43	1,07	2,44	1,2	0,13



Рис.3.1.1 График зависимости скорости от времени

Рис.3.1.2 График зависимости скорости от пути

Таблица 3.1.2 - Место установки результатов по данным датчиков.

Датчик	SQ1	SQ2	SQ3	SQ4	SQ5	SQ6	SQ7
Место установки, м	0,079	3,33	22,639	20,8	27,2	36,8	43,2

Датчик	SQ8	SQ9	SQ10	SQ11	SQ12	SQ13	SQ14
Место установки, м	52,8	59,2	68,8	75,2	84,8	91,2	100,8



3.2 Расчёт нагрузочной диаграммы M=f(t)

Предварительный выбор мощности двигателя.

Предварительная мощность двигателя:

- масса груженого слитковоза;

- коэффициент допустимой перегрузки по моменту;

= 1 - коэффициент, характеризующий механические свойства двигателя;

- коэффициент сопротивления движению в установившемся режиме;

- коэффициент, учитывающий моменты инерции вращающихся частей механизма при их приведении к поступательному движению;

- КПД механической передачи.

G?= Gсл+ Gсв= 40000+5700=45700 кг, где

Gсл= 40000 кг - массаслитка;

Gсв= 5700 кг - масса слитковоза.

Тогда, = 150·103 Вт

Так как на слитковозе 2 ведущих колеса, то используется 2 двигателя с мощностью каждого



P==75·103 Вт

Необходимая частота вращения двигателя:

щд=

где - диаметр колеса слитковоза, ориентировочное значение передаточного числа редуктора.

щд= 111,3 рад/сек

nд=;

nд= 1063,4 об/мин

Выбираем асинхронный двигатель АИР250 М4

Характеристики выбранного двигателя приведены в таблице 4.

Таблица 3.2.1 - Характеристики выбранного двигателя

Ном мощность, кВт	Ном момент, Нм	Ном скорость, Об/мин	Ном Ток А	Момент инерции кг·м2	КПД %	cos?	Вес кг
90	579	1485	164	1,20	95	0,88	515

Jд = 1,2 кг·м2

щдном= ;

щдном= 155,43 рад/сек

После выбора двигателя уточним передаточное число редуктора

ip= ;



ip= 11,7

Вычислим значения приведённых к валу двигателя статических моментов сопротивлений.

где - коэффициент, учитывающий боковое трение ребер колес о рельсы; - массаслитковоза с грузом (или - без груза); - коэффициент трения в подшипниках цапф; - радиус цапфы колеса; - коэффициент трения качения колес о рельсы; mд=mд1+mд2=1030 - масса двигателей

Для пустого слитковоза:

МСП=

МСП = 0,159·103Н·м

Для груженого слитковоза:

МСГ =

МСГ = 0,182·103Н·м

Вычислим значения динамических моментов при разгоне и торможении по формуле:

МДИН = ;

МДИН = =



где- суммарный момент инерции слитковоза, приведенный к валу двигателя, равный сумме моментов инерции двигателей, редуктора, тормоза и поступательно движущихся масс слитковоза:

Момент инерции слитковоза:

Без груза:

JСП = ;

JСП = 55,2 кг·м2 ;Jт =0,1кг·м2

J?СП = JСП + Jт + Jд

J?СП = 56,5 кг·м2

МДИН.СП =

МДИН.СП = 1,2·103 Н·м

С грузом:

JСГ = ;

JСГ = 62,86 кг· м2

J?СГ = JСГ + Jт + Jд

J?СГ = 64,16 кг· м2



МДИН.СГ =

МДИН.СГ = 1,36·103 Н·м

Суммарный вращающий момент на валу электродвигателя при разгоне и торможении:

Для пустого слитковоза:

МРП = МСП + МДИН.СП

МТП = МСП - МДИН.СП

МРП = 1,359·103 Н·м

МТП = -1,041·103 Н·м

Для груженого слитковоза:

МРГ = МСГ + МДИН.СГ

МТГ = МСГ - МДИН.СГ

МРГ = 1,422·103 Н·м

МТГ = -1,178·103 Н·м



Таблица 3.2.2 - Результаты расчетов для средней группы колодцев нагрузочной диаграммы.

Участок	0,1	1,2	2,3	3,4	4,5	5,6	6,7	7,8	8,9
Момент, Нм	1359	159	-1041	159	-1041	0	1422	182	-1178
t,c	7,3	8,98	6,8	2,9	0.45	9	7.3	8.7	4.87
l,м	20,8	51,2	20,57	1,02	0.079	0	20.8	49,7	18.5
Участок	9,10	10,11	11,12	12,13	13,14	14,15
Момент, Нм	182	-1178	182	-1178	0	0
t,c	0.4	1.99	2.9	0.45	7,5
l,м	0.8	2.24	1.02	0.079	0	0

Рис.3.2.1 Нагрузочная диаграмма

3.3 Расчёт и выбор электродвигателя

Рассчитаем эквивалентный момент двигателя:

Mэр =

где - вращающие моменты двигателя и продолжительности каждого из участков диаграммы; - суммарное время работы двигателя в установившемся режиме; - суммарное время работы двигателя в переходных режимах; - время покоя слитковоза, включающее в себя время загрузки слитка, время выгрузки и время ожидания.

= 1,3·107 (Н·м2)·с

= 0,04·107 (Н·м2)·с

= 0,78·107 (Н·м2)·с

= 1,7·107 (Н·м2)·с

= 0,04·107 (Н·м2)·с

= 1,014·107 (Н·м2)·с

Mэр = 691Н·м

Рассчитаем относительную продолжительность включения:

ПВ%р = Тц = 102

?tp+?(tn+tm) = 41,225+17,3217

ПВ%р = %

ПВ%р = 68 %

Mэст = Mэр·Mэст = Mэр·

Mэст = 569Н·м

Стандартная мощность:

Pэст = Mэст·щдном

Pэст = 0,88·105 Вт

Условия выбора двигателя выполняются:

Mэст = 569Н·м Мн = 579 Н·м

Pэст = 0,88·105 ВтPд = 0,9·105 Вт

Проверка по перегрузочной способности:

= 2,45 2,5

3.4 Расчёт и выбор тормозных устройств

Тормозной момент, обеспечивающий остановку слитковоза без проскальзывания колёс по рельсам:

Н·м

По полученному значению тормозного момента выбираем тормоз постоянного тока ТКП-400, его основные характеристики представлены в таблице 6.

Таблица 3.4.1- Основные характеристики тормоза

Параметр	Значение
Максимальный тормозной момент, Нм	540
Момент инерции, кг·м2	0,068
Тормозной шкив, мм
Диаметр	400
Ширина	185
Отход колодки, мм
начальный	1
наибольший	1,59
Электромагнит
Ход якоря наибольший, мм	3
Напряжение, В	220
Сила тяги, Н	4512
Время включения, с	0,5
Время отпадания, с	0,3

Проверка пригодности выбранного тормоза.

Для этого должно выполняться условие:

FЭ·h ;

где - тяговое усилие; - ход якоря; - радиальный отход колодок тормоза;- коэффициент трения колодок и тормозного шкива;- коэффициент использования хода якоря электромагнита;- КПД тормоза.

После проведения расчётов получим:

FЭ·h = 13,536 Н·м

= 1,9Н·м

Из полученных данных видно, что выбранный тормоз отвечает вышеприведёному соотношению и может использоваться в проекте.

3.5 Выбор технических средств системы управления

Выбор преобразователя частоты.

Исходя из того, что необходимо использовать привод слитковоза в рекуперативном режиме (при торможении), был выбран преобразователь частоты фирмы SiemensSinamicsG130, основные характеристики которого приведены в таблице 7.



Таблица 3.5.1 - Основные характеристики ПЧ

Обозначение	Напр. сети, В	Мощность, кВт	Номинальный ток, А	Перегрузка в течении 1 мин, %	Степень защиты
6SL3310-1GE33-8AA3	380	200	380	110	IP 20

Рис.3.5.1 Схема преобразователя частоты

Выбор контроллера.

Для управления слитковозом выбирается контроллер производства фирмы SimensS7в следующей конфигурации:

- Базовая панель S7-200;

- Модуль питания контроллера - C200HW-PA204;

- Модуль центрального процессора- CPU221 (6ES7-211-0AA23-0XB0);

- Модуль дискретных входов -EM-221 (6ES7 221-1EF22-0XA0);

- Модуль дискретных выходов -EM-222 (6ES7 222-1HF22-0XA0);

- Модуль аналоговых входов -EM-231 (6ES7 231-0HF22-0XA0);

- МодульEthernet - CPU 243-1 (6GK7 243-1EX01-0XE0);

- Модуль питания терминала - E24/3.5 (6EP1 332-1SH31) ;

Выбор датчиков

В качестве путевых датчиков и датчика наличия слитка на тележке выбраны датчики фирмы OmronZ-15H (механический ресурс - 20 млн. срабатываний, исполнение - IP62, коммутируемый ток 2А(30VCD)).

В качестве датчиков температуры слитков использую инфракрасные датчики типа ODE 350 GWR (Р60031) с диапазоном измеряемых температур 300…2000 С.

Разработка и описание функциональной схемы

Функциональная схема разрабатывается исходя из полученных в предыдущих пунктах данных.

Обозначения на функциональной схеме:

- А1.1 - А1.4 - электрические шкафы;

- А2 - цеховая подстанция;

- UZ1 - UZ6 - распределительные шкафы с оборудованием;

- PLC1 - PLC5 - программируемые логические контроллеры

- OP-посты оператора;

- SZ - слитковоз с установленным на нём оборудованием;

- OS - станция оператора;

- MP - магистральный преобразователь;

- М - двигатели;

- SQ1 -SQ17 - путевые датчики;

- ЕК1 - ЕК7 - нагревательные колодцы;

- BK1 - BK7 - датчики температуры;

- YB1 - YB2 - тормоз с электромагнитным приводом.

Разработка и описание принципиальной схемы

Принципиальная схема разрабатывается применительно к одному агрегату-слитковозу. Она построена на основе технических средств выбранных ранее в проекте.

Разработка алгоритмов управления

Алгоритмы управления разрабатываются в соответствии с созданием для автоматического режима, полуавтоматического режима и ручного управления работой агрегата.

Алгоритм аварийного режима предусматривает выполнения необходимых действий для недопущения возникновения аварий.



Заключение

В данной работе была разработана система управления электропривода слитковоза. Выбран преобразователь частоты, двигатель, контроллер со всеми необходимыми модулями и датчики. Составлены функциональная схема. Разработана принципиальная схема и алгоритмы управления для различных режимов работы.



Список литературы

1. Электроприводные системы машин и технологических комплексов. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Автоматические электро-приводные системы машин и технологических комплексов» / Сост.: В. А. Новиков, А. С. Ануфриев, Р.М. Нуриахметов. Авторская редакция. Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”. СПб., 2011.

2. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: Учебное пособие для вузов / [М.П.Белов, О.И.Зементов, А.Е.Козярук и др.] Под редакцией В.А.Нови-кова, Л.М.Чернигова - М: Издательский центр “Академия”, 2006. -368 с

3. http://abb.nt-rt.ru/images/manuals/TSP111.pdf

4. Руководство по эксплуатации приводов ACS550-01/U1

5. http://www.ste.ru/siemens/pdf/rus/S7_300_Modul_Data_p1_r.pdf

Размещено на Allbest.ru