Проектирование системы регулирования потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

(ч) или t₅=39 (с).

Следовательно, за это время валок должен сделать три четверти оборота, отсюда, полный оборот будет совершен за

(с),

т.е. минимальная скорость вращения валка:

(с^-1).

При этом неравномерность распределения градиента температур по поверхности бочки валка составит не более _t=5С.

2.3 Требования к проектируемой системе управления, регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей

Исходя из проведенных выше расчетов и требований, указанных в задании на проектирование, можно сделать следующие выводы:

автоматизированная система управления должна позволять автоматическое регулирование скорости вращения валка для обеспечения равномерного распределения градиента температур по поверхности бочки валка, что также позволит несколько снизить потребление природного газа за счет оптимального вращения валка (автоматическое управление гидроприводами - регулируемый привод вращения валка и следящий привод торцового ориентирования);

автоматизированная система регулирования потребления энергоносителей (природного газа) должна таким образом настраивать регуляторы расхода (схема пневматическая газовая принципиальная - чертеж ДП10.), чтобы подача газа была минимально возможной при сохранении оптимальных параметров нагрева в печи ПСН (согласование работы привода вращения валка и системы подачи газовоздушной смеси на горение);

автоматизированная система контроля потребления энергоносителей (природного газа и электроэнергии) должна производить замеры потребления энергоносителей и в случае отклонения от допустимых параметров (увеличение силы тока, снижение напряжения, увеличение или снижение расхода или давления газовоздушной смеси) выдать предупреждающий или аварийный сигнал на пульт оператора (а при работе в автономном режиме проанализировать - возможно ли дальнейшее функционирование ПСН до окончания цикла прогрева и, в зависимости от принятого решения либо заблокировать работу объекта сразу либо завершить цикл нагрева валка и после этого запретить дальнейшее функционирование до устранения неисправности);

автоматизированная система регистрации потребления энергоносителей должна обеспечивать запись, хранение и считывание информации о потреблении энергоносителей (природного газа и электроэнергии) за некоторое время работы ПСН (один цикл прогрева валка, смена, либо любой другой на выбор оператора). Причем хранение информации должно обеспечиваться даже при отключении напряжения питания сети.

Кроме того, алгоритмы работы проектируемой системы управления не должны вносить каких-либо кардинальных изменений в общий алгоритм работы участка ДТО, который управляется от одной общей управляющей ЭВМ на базе микропроцессора семейства INTEL Pentium II. Все средства сопряжения должны быть рассчитаны на подключение к портам ввода-вывода именно этого типа ЭВМ и, в то же время, обладать достаточной гибкостью и поддерживать нормальное функционирование в случае замены микропроцессора на другой, более новый или построенный по отличающейся архитектуре.



3 Специальная часть

3.1 Разработка структурной схемы системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей

Определим структуру проектируемой системы управления процессом градиентного нагрева.

В состав системы управления (рисунок 3.1) входят следующие структурные блоки:

объект управления (горелки, двигатели и цилиндры приводов);

регулирующие и управляющие органы (регуляторы расхода и давления);

регистрирующие органы (блок памяти и накопитель на магнитном диске управляющей ЭВМ);

измерительные преобразователи обратных связей (датчики расхода, давления, скорости, перемещения, температуры, тока и напряжения);

устройства согласования (ЦАП, АЦП, генераторы стабильного тока, блоки сопряжения);

формирователи адресов устройств (дешифраторы адреса, демультиплексоры каналов ввода-вывода, аналоговые и цифровые ключи);

регистры промежуточного хранения информации;

гальванические развязки силовой, измерительной и управляющей цепей (оптические, трансформаторные).

УЭВМ- центральная управляющая ЭВМ; RG - буферные регистры данных; DAC - цифро-аналоговый преобразователь; ADC - аналого-цифровой преобразователь; MUX - аналоговые двунаправленные дешифраторы-демультиплексоры; DCA - дешифратор адреса; ПМУ - пульт местного управления; БАС - блок аварийной сигнализации; ГСТ - генераторы стабильного тока; РР - гидравлические и пневматические регуляторы расхода; ИП - промежуточные преобразователи; ИПОС - измерительные преобразователи обратных связей.

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы управления ПСН

3.2 Разработка средств сопряжения объекта с системой управления

3.2.1 Выбор первичных измерительных преобразователей

По полученным ранее значениям скорости вращения валка, величины перемещения при торцовом ориентировании, расходов газа и воздуха, давлений газа и воздуха, давлений в гидросистеме, токов и напряжений и заданным значениям температур и уровня масла в баке принимаем к установке следующие типы измерительных преобразователей:

для измерения и контроля давления в поршневых полостях гидроцилиндров, в статорах гидродвигателей и на выходе насоса: датчики давления типа «САПФИР - 22ДИ» с техническими характеристиками:

измеряемое давление, МПа 100;

максимальный выходной ток, мА 20;

напряжение питания, В 360.72;

сопротивление нагрузки, кОм 0.1…2.5;

тип блока питания 22БП36 по ТУ25-02720159-81;

закон изменения выходного тока

;

для измерения и контроля тока статоров двигателей приводов насосной станции и вентиляторов: трансформаторы тока типа ТКЛМ-0.5-300/5 с технической характеристикой:

номинальное напряжение, кВ 0.66;

номинальный первичный ток, А 300;

номинальный вторичный ток, А 5;

номинальный класс точности 0.5;

номинальная частота, Гц 50;

технические условия

ГОСТ 7746-78;

техника безопасности ГОСТ 12.2.007.0-75;

для измерения и контроля напряжений на двигателях приводов насосной станции и вентиляторов: трансформаторы напряжения типа И-50-0.2-3/0.1 с характеристиками:

номинальное первичное напряжение, кВ 3;

номинальное вторичное напряжение, В 100;

номинальная мощность, ВА 10;

максимальная мощность, ВА 200

номинальная частота, Гц 50;

для измерения и контроля температур двигателей, насоса и масла в гидробаке: терморезистор прямого подогрева типа СТ3-19 с характеристиками:

предел измерения температур, С 0…150;

номинальное сопротивление, кОм (при 20С) 5,1;7,5;10;15;100;

номинальная мощность, Вт 0,125;

номинальное напряжение, В до 300.

для измерения и контроля температуры в рабочем пространстве печи: термоэлектрический преобразователь ТХК-51Б с характеристиками:

предел измерения температуры, С 0…1100;

максимальная термо-ЭДС, В 1,25;

длина рабочей части, мм 1200;

масса, кг 4,25;

для измерения и контроля расхода газа и воздуха: расходомер ДРПГ-60 с характеристиками:

номинальное давление, МПа 0,6;

максимальный контролируемый расход, м³/ч 12;

максимальный выходной ток, А 0,02;

напряжение источника питания, В 24;

сопротивление нагрузки, Ом, не менее 10;

для измерения и контроля скорости вращения валка: тахогенератор ТГ-14/400 с характеристиками:

максимальная измеряемая частота, с^-1 400;

ЭДС при максимальной частоте, В 11;

масса, кг 2,35;

для измерения и контроля величины перемещения при торцовом ориентировании: фотоэлектрический линейный датчик перемещения HSM-150/2 с характеристиками:

длина рабочей части, м 0,85;

погрешность измерения по всей длине, % 0,01;

дискретность, имп./мм 150;

напряжения источников питания, В +5;-5;+12;

уровень выходного сигнала ТТЛ;

тип выходных сигналов: 2 последовательности, сдвинутых на 90 относительно друг друга для определения направления движения.

3.2.2 Разработка средств сопряжения с датчиками давления

Схема включения датчика давления приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема включения датчика давления типа САПФИР-22ДИ

Определим величину сопротивлений R1 и R2. Максимальный измеряемый ток I_MAX=20 мА, выходное напряжение датчика U_ВЫХ=36 В, измеряемое напряжение U_ИЗМ=10 В, тогда:

;

откуда:

.



По техническим характеристикам датчика R1=0.1…2.5 кОм, принимаем R1=1.5 кОм, тогда:

= 576.9 (Ом).

Принимаем R2=560 Ом, тогда:

В.

3.2.3 Сопряжение с датчиками тока типа ТКЛМ-0.5-300/5

Трансформатор тока типа ТКЛМ-0.5Т3 на вторичной обмотке выдает ток 5 А частотой 50 Гц. Для подключения АЦП необходимо получить постоянное напряжение, пропорциональное току. Для этого применим двухполупериодное выпрямление измерительного сигнала и амплитудное детектирование (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Принципиальная схема измерительного канала тока

Определим параметры элементов схемы.

Величина сопротивления резистора R1. На вход операционного усилителя должно подаваться напряжение не более 10 В. Тогда напряжение (синусоидальное) на резисторе R1: U_R1=20 В, откуда:



R1=U_R1/I_T1=20/5=4 Ом,

мощность резистора R1:

P_R1=I²R1=5²4=100 Вт.

Принимаем резистор R1 типа ПЭЛ-100-3.9. Тогда: U_R1=IR1=19.5 В.

Для определения параметров диодов моста необходимы параметры операционного усилителя (ОУ). Принимаем ОУ типа 140УД7, входной ток которого I_ВХ.ОУ=0.55 А. По этому значению тока и напряжения U_R1 принимаем диоды моста VD1, VD2 типа КД521Б. Стабилитроны VD3, VD4 предназначены для защиты ОУ от перегрузок по входному напряжению. По максимальному входному напряжению ОУ (U_ВХ.ОУ=10 В) выбираем стабилитроны типа КС210А. Диод VD5 - КД521А (U_VD5=10 В, I_MAX=0.55A). Транзистор VT1:

напряжение затвор-сток

U_ЗС=U_ВЫХ.ОУ+U_ПИТ=10 + 15=25 В;

напряжение затвор-исток U_ЗИ0;

напряжение сток-исток

U_СИ=U_ВЫХ+U_ПИТ=10 + 15=25 В;

ток стока (по входному току АЦП) I_С 10 мА.

По этим данным принимаем VT1 типа КП303В.

Резистор R2 - ограничитель тока стока VT1. Для нормальной работы детектора I_СI_ВЫХ.ОУ=10…15 мА, тогда:



R2= U_ПИТ/I_С= 15/(1510^-3)=1 кОм.

Постоянная времени интегрирования:

(с).

На не инвертирующий вход ОУ поступает импульсный сигнал. На инвертирующий - постоянное напряжение с выхода детектора. Усиленный ОУ DA1 разностный сигнал заряжает конденсатор с1, и образующееся на нем напряжение передается через истоковый повторитель (VT1) на выход устройства. Если напряжение на истоке транзистора VT1, а, следовательно, и на инвертирующем входе ОУ DA1 становится больше входного импульсного напряжения, разностный сигнал на выходе последнего исчезает и конденсатор начинает разряжаться через резистор R1. Разрядка продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе детектора не станет меньше входного на несколько милливольт, в результате чего на выходе ОУ DA1 вновь появляется усиленный разностный сигнал и конденсатор с1 снова заряжается. Таким образом, создается динамический следящий режим работы, обеспечивающий равенство входного и выходного напряжений детектора с точностью до нескольких милливольт.

Резистор R3 ограничивает ток истока транзистора VT1 при коротком замыкании в нагрузке детектора.

3.2.4 Сопряжение с датчиками напряжения

Трансформатор напряжения типа И-50-0.2-3/0.1 на вторичной обмотке выдает напряжение 100 В. для подключения АЦП необходимо получить постоянное напряжение, пропорциональное входному. Для этого применим еще один понижающий трансформатор напряжения, двухполупериодное выпрямление и пиковое детектирование измерительного сигнала (аналогично каналу тока).



Рисунок 3.5 - принципиальная схема измерительного канала напряжения

Трансформатор TV2 - типа ТПП207-127/220-50. Используются обмотки I' - к трансформатору TV1 и III' -к диодам моста. В остальном схема измерительного канала напряжения полностью повторяет схему канала тока.

С помощью каналов тока и напряжения строим канал измерения мощности - электронный фазометр [ ] - его схема приведена на чертеже ДП10.96502.007Э3 в графической части дипломного проекта.

Устройство позволяет измерять угол сдвига фаз в пределах 180. Сигналы на входе - в пределах 0.05…30 В. с выхода ФНЧ, собранного на микросхеме 140УД6 выходит аналоговый сигнал, пропорциональный углу сдвига фаз между двумя входными сигналами, который потом поступает на вход АЦП. С выхода индикатора знака сдвига фаз, собранного на микросхемах 555ЛА3 и 555ТМ2 в систему управления поступает дискретный сигнал “0” или “1”. Причем “0” обозначает, что угол сдвига фаз положительный, т. е. напряжение опережает ток.

Входной усилитель-ограничитель с коэффициентом усиления малого сигнала порядка К_У=5 усиливает и ограничивает сигнал до уровня срабатывания формирователя прямоугольных импульсов на микросхемах 140УД6. С выхода формирователя на устройство-смеситель поступают импульсы ТТЛ-уровня, получаемые с помощью мостового выпрямителя-ограничителя (диоды КД521А и стабилитрон КС133А). Смеситель, построенный на микросхемах 555ЛП5, смешивает два сигнала (ток и напряжение) в импульсной форме. В результате чего на вход ФНЧ поступает последовательность импульсов различной скважности - получается своеобразная широтно-импульсная модуляция. ФНЧ интегрирует эти импульсы, преобразуя их в непрерывный сигнал, пригодный для аналого-цифрового преобразования с большими периодами квантования.

На вход фазометра следует подавать сигналы непосредственно с датчиков тока и напряжения, а не с преобразователей, обеспечивающих непрерывный несинусоидальный сигнал.

После преобразования трех сигналов: тока, напряжения и угла сдвига фаз микропроцессорная система управления может вычислить мощность, потребляемую двигателем:

.

Это позволит определить потребление электроэнергии двигателями приводов, путем интегрирования значения потребленной мощности по времени, что в результате даст значение работы тока.

3.2.5 Сопряжение с датчиками температуры статоров двигателей

Датчиками температуры являются терморезисторы типа СТ3-19 прямого подогрева. Принимаем мостовую схему включения с операционным усилителем в одном из плечей измерительного моста (рисунок 3.6).



Рисунок 3.6 - Принципиальная схема сопряжения с датчиком температуры

В качестве датчика температуры принимаем терморезистор прямого подогрева типа СТ3-19 с номинальным сопротивлением (при 20С) равным 15 Ком.

3.2.6 Сопряжение с датчиками температуры в рабочем пространстве печи

Датчиками температуры в рабочем пространстве печи являются термоэлектрические преобразователи типа ТХК-51Б - термопары погружения с длиной рабочей части 1200 мм. Термо-ЭДС таких преобразователей не превышает 1.5 В при максимальной температуре (1100С) и при нулевой температуре холодных концов выводов. Фирмой Analog Devices была разработана микросхема AD594 - компенсатор точки таяния льда специально для термопар типов ТХК, ТХА, ТПП.

Функциональное назначение этой микросхемы - компенсация избыточной температуры холодных концов термопары (в идеале точное преобразование происходит при температуре холодных концов термопары, равной 0), линеаризация передаточной характеристики термодатчика и усиления уровня сигнала до величины, заданной на выводах напряжения управления микросхемы (выводы 6 и 9).



Рисунок 3.7 - Измерительный канал температуры в рабочем пространстве печи ПСН

Балансировка микросхемы производится при накоротко замкнутых дифференциальных входах «+» и «-». С помощью резистора R2 добиваются нулевого напряжения на выходе компенсатора.

На вход АЦП должно подаваться напряжение порядка 11 В. Для этого после компенсатора необходимо установить нормирующий усилитель с коэффициентом усиления К_У=2. Входное ограничивающее сопротивление R5=10 кОм, следовательно, величина сопротивления резистора обратной связи:

Ом.

Принимаем R7=22 кОм для обеспечения напряжения на выходе усилителя U_ВЫХ=11 В.

Кроме того, в микросхеме AD594 встроено устройство сигнализации предельной температуры: при достижении заданной температуры (величина задается напряжением смещения на выводе U0) срабатывают транзисторные ключи, и загорается светодиод HL1. В случае необходимости в схему можно ввести устройства звуковой сигнализации, для этого в микросхеме предусмотрен выход сигнала с частотой 400 Гц и максимальным током нагрузки 10 мА. Но, т. к. в общей системе управления участком ДТО звуковая сигнализация уже предусмотрена (температура контролируется модулем LOGO), то этот вывод микросхемы оставлен свободным.

3.2.7 Сопряжение с датчиками расхода

Выходным сигналом датчика расхода является сила тока, следовательно, для передачи его в блок аналого-цифрового преобразования, необходимо изменение его в пропорциональный сигнал напряжения. Для этого, на выходе преобразователя установлен резистор R1 - датчик напряжения (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Сопряжение с датчиками расхода

Рассчитаем элементы схемы.

Величина сопротивления резистора R1: максимальный выходной ток датчика равен 20 мА, напряжение на входе операционного усилителя принимаем равным 3,6 В, тогда:

(Ом);

мощность резистора R1:



(Вт).

Принимаем в качестве датчика напряжения резистор ОМЛТ-0.125-180.

Определим коэффициент усиления операционного усилителя:

;

и величину сопротивления резистора обратной связи:

(Ом).

Принимаем резистор R4 типа ОМЛТ-0.125-30К.

Для улучшения параметров схемы и защиты ОУ от перегрузок по входу и выходу параллельно резистору-датчику можно включить стабилитрон КС136А (на схеме не показан).

3.2.8 Сопряжение с электромагнитными гидроусилителями (регуляторами расхода)

Гидроусилитель управляется электромагнитом с пропорциональным электрическим управлением. Следовательно, для регулирования скорости движения резцовой коронки необходимо сигнал, поступающий от микропроцессорной системы управления, преобразовать в аналоговый сигнал тока. Для этого после ЦАП включается генератор тока управления, выдающий на выходе ток, пропорциональный входному напряжению. Так как для полноценного управления электромагнитом необходимо формирование токов разной амплитуды и полярности, в качестве генератора тока принимаем схему, описанную в [ ] (рисунок 3.9). Эта схема может быть получена из общей функциональной схемы генераторов тока при условии, что два одинаковых источника тока - один для положительной полярности, а другой для отрицательной - работают на общий датчик тока (резистор R25) и общую нагрузку с комплексным сопротивлением Z_Н и имеют общую цепь обратной связи.

Рисунок 3.9 - Принципиальная схема источника тока

В этой схеме выходной ток I_Н в точности повторяет форму входного напряжения U_ВХ и определяется выражением

.

При указанных на схеме номиналах источник тока преобразует входное напряжение от -10 В до +10 В в ток от -1 А до +1 А. Для достижения высокой точности преобразования нужно использовать резисторы R18-R25 с допуском не более 1 %.

В этой схеме можно использовать практически любые ОУ с соответствующими цепями коррекции. Следует учитывать, что более высокая точность преобразования напряжения в ток получается при использовании ОУ с малыми входными токами и напряжениями смещения. Принимаем ОУ типа 140УД6 - операционный усилитель с супер-бета транзисторами на входе. В качестве регулирующих транзисторов VT1 и VT2 можно взять любые транзисторы средней мощности с максимальным коллекторным напряжением более 50 В и током коллектора 0.5 - 1.5 А.

Рассчитаем величину сопротивления резистора R25:

(Ом).

Для получения выходного сигнала тока разной полярности необходимо получение входного напряжения разной полярности, т. е. на вход опорного напряжения ЦАП нужно подавать напряжение разной полярности. Для этого применим схему формирователя опорного напряжения - рисунок 3.10.

Рисунок 3.10 - Принципиальная схема источника опорного напряжения (ИОН) для ЦАП

Принцип работы источника опорного напряжения (ИОН)- повторение или инвертирование входного сигнала. Управление ИОН производится по одной дискретной линии связи: «0» или «1». При поступлении «1» ИОН работает в режиме повторителя, на вход опорного напряжения ЦАП поступает положительное напряжение, следовательно, на выходе будет отрицательное и наоборот.



3.2.9 Сопряжение с тахогенераторами

Со статорной обмотки тахогенератора снимается сигнал напряжения, пропорциональный частоте вращения вала ротора. При максимальной измеряемой частоте 400 с^-1 ЭДС статорной обмотки равно 11В. Частота вращения валка составляет 2-20 с^-1, следовательно, пропорционально уменьшается снимаемая с обмотки ЭДС:

(В).

Следовательно, необходим промежуточный усилитель, с коэффициентом усиления по напряжению равным:

,

схема которого аналогична схеме сопряжения с датчиками расхода (исключается резистор - датчик напряжения R1). Величина сопротивления резистора обратной связи:

(Ом).

3.2.10 Проектирование модулей АЦП и ЦАП

Модуль аналого-цифрового преобразования построен на интегральной схеме АЦП типа К1113ПВ1 - десятиразрядный АЦП, сопрягаемый с микропроцессором. Эта микросхема не требует дополнительных устройств выборки и хранения и промежуточных буферных регистров. Для нормальной работы преобразователя необходимо ввести промежуточный нормирующий усилитель на интегральной микросхеме ОУ типа 140УД8.

Сигналы для преобразования поступают от 24 измерительных преобразователей непрерывного действия. Для упрощения схемы модуля АЦП (установки только одной микросхемы К1113ПВ1 и уменьшения числа оптопар для гальванической развязки силовой и информационной цепей) необходимо включение аналоговых мультиплексоров общей структурой 24-1. Применим микросхемы типа К590КН6 - аналоговые коммутаторы 8-1, для полного переключения всех сигналов необходимы три такие микросхемы. Для выбора одного из 24 каналов необходимы 5 разрядов адреса: 3 для выбора канала в микросхеме и 2 для выбора необходимой микросхемы.

Микросхема К1113ПВ1 содержит устройство выборки и хранения, собственно АЦП и промежуточные буферные регистры, - т. е. в случае ее применения не требуется включения каких либо дополнительных устройств.

Модуль цифро-аналогового преобразования построен на интегральной микросхеме ЦАП типа К572ПА1 - восьмиразрядный цифро-аналоговый преобразователь. Для получения сигналов напряжения разной полярности был разработан управляемый источник опорного напряжения. Для получения сигналов тока, необходимых для управления пропорциональными распределителями, разработаны генераторы стабильного тока управления.

Максимальный выходной ток генератора составляет 1 А. Дискретность преобразования микросхемы К572ПА1 составляет 256. Максимальный ход золотника управления в пропорциональных распределителях равен 1 мм, при этом скорость вращения валка является максимальной - 20 с^-1, следовательно, минимальная скорость вращения, которую позволит такая система управления, будет составлять 0,078 с^-1.

Для системы регулирования подачи воздуха и газа на горелки: максимальный ход золотника управления равен 100мм, при этом расход газа через распределитель равен 10 м³/ч, следовательно, минимальный расход составляет 0,039 м³/ч, что позволяет управлять процессом градиентного нагрева в очень широких пределах, за счет раздельного согласованного регулирования частоты вращения валка и подачи газовоздушной смеси в рабочее пространство печи.

3.2.11 Сопряжение с датчиками перемещения

Датчики перемещения типа HSM-150/2 представляют собой фотоэлектрические преобразователи величины линейного перемещения в две последовательности импульсов ТТЛ-уровня, сдвинутых относительно друг друга на 90, что позволяет определять не только величину перемещения, но и направление движения. По техническим характеристикам датчика: дискретность составляет 15 импульсов на миллиметр, или:

(имп.),

где N - число импульсов за полное перемещение линейки;

d - паспортная дискретность датчика, имп./мм;

l - длина рабочей части датчика, мм.

Для преобразования величины перемещения в параллельный код необходимо счетное устройство с параллельным выводом информации. Для организации такого устройства применим двоичные реверсивные счетчики типа 555ИЕ7. Определим необходимое число микросхем для полного подсчета числа импульсов при полном перемещении подвижной линейки датчика. Необходимое число двоичных разрядов:

,

принимаем N_ДВ=17 двоичных разрядов.

Т.к. микросхемы 555ИЕ7 имеют четырехбитовую организацию, то необходимое число микросхем:



.

Принимаем 4 микросхемы 555ИЕ7 (16 двоичных разрядов) и одну микросхему 555ТМ2 (два асинхронных D триггера с прямыми и инверсными выходами и раздельными установкой и сбросом).

Причем D-триггеры необходимо включить в режиме счетных T-триггеров, для чего необходимо соединить инверсный выход триггера с тактовым входом (принципиальная схема устройства приведена в графической части проекта - чертеж ДП10.96502.007Э3).

Организация работы микросхем 555ИЕ7 позволяет без каких-либо дополнительных устройств автоматически определять направление счета - два счетных входа «+1» и «-1» работают синхронно по фронту поступающего импульса: когда на входе «+1» появляется высокий уровень, а на входе «-1» проходит фронт импульса, счетчик воспринимает это как декремент текущего состояния триггеров, и наоборот - когда на входе «-1» высокий уровень, а на входе «+1» - фронт импульса - происходит инкрементирование текущего значения.

Вход R - сброс текущего состояния - имеет приоритет над всеми остальными входами микросхемы и используется для обнуления содержимого счетчиков в конце каждого заданного перемещения валка, чтобы избежать появления постоянно нарастающей накопленной погрешности, составляющей 0.01% на одно полное перемещение подвижной линейки датчика, а с учетом фазового сдвига между последовательностями на счетных входах микросхем 555ИЕ7 эта погрешность будет зависеть еще и от частоты прохождения импульсов, т.е. - от скорости перемещения валка.



3.3 Выбор необходимых источников питания для устройств сопряжения и согласования

По рассчитанным ранее элементам принципиальной схемы системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей определим необходимые величины питающих напряжений для обеспечения нормальных режимов работы всех блоков системы.

Для устройств, в состав которых входят микросхемы операционных усилителей (140УД6, 140УД7, К544УД2) необходимы источники питания, обеспечивающие двухполярное напряжение 15В, при токе (общий ток потребления устройствами сопряжения от такого источника) около 2.5А.

Для устройств, в состав которых входят микросхемы серии 555, необходим источник питания с напряжением +5В и током нагрузки не менее 1-2А.

Для генераторов стабильного тока необходим источник напряжения 24В с током нагрузки не менее 25А по каждому каналу.

Кроме того, для питания первичных преобразователей нужны следующие напряжения:

+5В, -5В, +12В - для питания датчика перемещения HSM-150/2;

36В - для питания измерительных преобразователей давления САПФИР-22ДИ;

+24В - для питания измерительных преобразователей расхода ДРПГ-60.

Принимаем к установке следующие типы блоков питания:

22БП36 - для питания преобразователей САПФИР-22ДИ (входят в комплект поставки);

БПМ-303М - для питания преобразователей HSM-150/2 и ДРПГ-60 (обеспечивает следующие величины напряжений:

+5В при токе 5А;

-5В при токе 5А;

+12В при токе 0.5А;

+24В при токе 0.1А);

УБП-24/50-3 УХЛ4.2 - для питания генераторов стабильного тока (обеспечивает напряжение 24В при токе нагрузки 50А по каждому каналу);

УБП-15/10-2 УХЛ4.2 - для питания устройств, в состав которых входят микросхемы операционных усилителей (обеспечивает напряжение 15В при токе нагрузки 10А по каждому каналу);

D2-10M - для питания устройств, в состав которых входят микросхемы серии 555 (обеспечивает напряжение +50,5В при токе нагрузки до 2.5А).



Выводы и рекомендации

Результатом данного дипломного проекта является спроектированная система регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева (ПСН) участка дифференцированной термической обработки прокатных валков, установленной в термическом цехе №2 ЗАО НКМЗ, ориентированная на снижение затрат на ремонт и эксплуатацию как самой печи, так и валков.

Решение о необходимости данной разработки было принято в результате анализа объекта. Было выяснено, что на состояние рабочей поверхности валков значительное влияние оказывает режимы термической обработки. В соответствии с этим были сделаны выводы о необходимости контроля режимов прогрева валка и потребления природного газа и их оптимизации. Выполнение этих функций было возложено на проектируемую систему.

Анализ существующей системы управления выявил недостаточную точность, поэтому была спроектирована новая система, обеспечивающая контроль, регулирование и регистрацию потребления энергоносителей, а также оптимизацию процесса нагрева валка путем синхронизации работы регуляторов подачи газовоздушной смеси и привода вращения валка.

В качестве центральной ЭВМ системы используется промышленный контроллер фирмы Siemens, управляющий всем участком дифференцированной термической обработки. Для связи системы управления с приводами и регуляторами, были разработаны блоки сопряжения с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями.

Для определения экономической целесообразности проекта был проведен расчет технико-экономических показателей, который показал, что применение данной системы позволит получить годовой экономический эффект в размере 2979,66 грн. и обеспечить полную окупаемость затрат за 3,41 года.

Были проведен анализ опасных и вредных производственных факторов и определены пути минимизации их влияния на здоровье оператора. Так же был произведен анализ устойчивости объекта к воздействию ударной волны при взрыве 116 тонн пропана на расстоянии 455 метров и намечены мероприятия, направленные на повышение устойчивости объекта.

Таким образом, спроектированная система обеспечивает все требования предъявленные в задании. Кроме основного назначения, заключающегося в обеспечении регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей, система позволяет оптимизировать процесс прогрева валка. Невысокая стоимость, простота и гибкость позволяют применить эту систему для модернизации существующего оборудования на металлургических предприятиях тяжелого машиностроения.