Системы автоматизации САПР

Введение

САПР направлено на повышение качества и эффективности общественного производства, всемирное ускорение научно-технического прогресса, повышение качества проектов все усложняющихся технических объектов и производительности труда инженеров-проектировщиков.

В современной конкурентной борьбе за продвижение своей продукции на рынки сбыта и завоевание доверия потребителей немыслимо обходиться без использования последних технологий в области автоматизации производства, повышения и контроля качества, а так же увеличения производительности. Это может быть внедрено в производство путем модернизации существующих автоматизированных систем или же разработкой принципиально новых систем, способных решать более широкий круг задач при минимальных затратах времени и человеческого труда.

Одной из таких отраслей, стремящихся максимально усовершенствовать технологию и качество продукции, является пивоваренное производство. Сегодня технологические линии представляют собой комплексное, полностью автоматизированное технологическое оборудование с возможностью подключения к централизованным управляющим системам предприятия. Задачей разработки автоматизированной системы является обеспечение максимальной автономности технологического процесса, минимальных затрат на контроль за параметрами со стороны операторского персонала. Объектом автоматизации выбран намывной фильтр, использующийся для осветления пива перед подачей на стадию розлива. Для этого процесса необходимо разработать систему автоматизации цикла фильтрации и процедур, предшествующих и заканчивающих работу намывного фильтра.

Новизна данной работы заключается в разработке схемы управления технологическим процессом фильтрации пива на современной элементной базе и более высокой степенью автономности работы фильтра под управлением микроконтроллера, позволяющего добиться наиболее эффективного результата фильтрации.

1. Техническое задание

1.1 Общие сведения

Полное название системы - автоматизированная система управления технологическим процессом фильтрации пива.

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение автоматизированной системы - управление технологическим процессом фильтрации пива.

Цель создания системы - повысить технико-экономические показатели производства в целом, снизить себестоимость продукции, поучить возможность точного учета сырья.

1.3 Краткие сведения об объекте автоматизации

Технологическая установка фильтрации пива применяется для осветления пива после процесса дображивания.

1.4 Требования к системе

Требования к системе в целом: Система должна обеспечивать управление технологическим процессом фильтрации пива в автоматическом режиме, при контроле оператором технологических параметров.

1.5 Требования к функциям, выполняемым системой

Система выполняет функции:

-автоматическое регулирование подачи суспензии фильтрующего порошка в установку;

-контроль параметров процесса фильтрации;

-автоматическое управление кранами подачи/слива воды в технологическую установку;

-автоматическое управление кранами подачи продукта;

-контроль уровня продукта в фильтре;

-контроль прозрачности продукта в процессе фильтрации;

-автоматическая промывка установки после процесса фильтрации;

-введение учета расхода продукта, сырья и энергоносителей.

1.6 Требования к составу и технической реализации системы

Система должна быть спроектирована с применением отечественных средств автоматизации и применением контроллеров фирмы Siemens, прошедших процедуру сертификации Госстандарта РФ.

АСУ должна удовлетворять требованиям:

-высокой эксплуатационной надежностью и безопасностью работы оборудования;

-удобством работы оперативного персонала в процессе контроля и управления;

-наличием аппаратных и программных средств для организации информационного обмена с системой управления верхнего уровня;

-дистанционное управление технологическим оборудованием;

-автоматическая аварийная остановка УСК по команде оператора;

1.7 Требования по безопасности

Конструктивное исполнение устройств, электрический монтаж должны обеспечивать безопасность эксплуатации и соответствовать требованиям:

-правил безопасности в промышленности;

-правил устройства электроустановок;

-правил технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей;

-правил эксплуатации и безопасного обслуживания средств автоматизации, телемеханизации и вычислительной техники.

2. Описание технологического процесса

сапр электрический автоматизация регулирование

При дображивании и созревании в цехе дображивания пиво осветляется недостаточно. В нем во взвешенном состоянии остаются дрожжевые клетки, белковые и полифенольные вещества, хмелевые смолы, соли тяжелых металлов, различные микроорганизмы, образующие муть. Поэтому после дображивания пиво подвергается осветлению сепарированием или фильтрованием, или тем и другим вместе.

Применение высокопроизводительных фильтров во многом более выгодно с точки зрения снижения затрат на производство, чем применение сепараторов-осветлителей. В качестве намывного слоя фильтровального порошка используют диатомит(кизельгур), фильтроперлит и др. Производительность фильтров составляет от 5000 до 15000 дм³/ч и площадь поверхности фильтрования от 22 до 60 м³.

Объектами управления служат: дозатор фильтровального порошка; насос, обеспечивающий циркуляцию жидкости по замкнутому контуру через дозатор; линии подачи и откачивания воды в фильтрующую установку, линии подачи пива, а также сама фильтрующая установка.

Технологический процесс фильтрации состоит из следующих этапов. Подготовленную к работе установку заполняют водой, одновременно подается вода в дозатор и приступают к нанесению на листы опорного картона первого слоя фильтровального порошка путем прокачивания суспензии из дозатора.

Для приготовления суспензии в бункер дозатора засыпают фильтровальный порошок(диатомит сорта А), из расчета 0,6 кг на 1 м² фильтрующей поверхности. Затем обеспечивают циркуляцию жидкости насосом через дозатор. Суспензию фильтровального порошка прокачивают до тех пор, пока вода в смотровом стекле станет прозрачной. После чего наносят второй фильтрующий слой порошка (диатомит сорта Б) из расчета 0,7 кг на 1 м² фильтрующей поверхности.

После нанесения фильтрующего слоя приступают к фильтрованию пива. Для этого обеспечивается подача пива миную дозатор, а также подача суспензии фильтровального порошка в поток пива. Расход порошка составляет 1,5-2 кг на 1000 дм³ пива. При нормальной работе дозатора в окне расходомера видно поступление фильтровального порошка в пиво. В зависимости от степени осветления дозу порошка можно регулировать.

Пиво фильтруют до момента, когда давление в фильтре повысится до 0,5 МПа или резко упадет скорость фильтрования. Тогда подачу пива прекращают и вытесняют его из фильтра водой. Насос останавливают и фильтр раскрывают, включая привод зажимного механизма, отводящий нажимную плиту. Рамы и плиты фильтра промывают холодной водой, удаляя слой диатомита с отфильтрованным осадком в канализацию.

При необходимости суспензию и промывные воды спускают из резервуара дозатора. Затем фильтр, дозатор и трубопроводы промывают холодной, а затем горячей водой (85-90°С) в течение 15-20 мин. Горячую воду затем вытесняют холодной водой и фильтр оставляют заполненным водой до следующего цикла фильтрации.

Если опорный картон будет использоваться в следующем цикле, то его промывают водой в направлении, обратном потоку пива, пропуская за 1 ч до 100 л воды.

Рисунок 2.1 - Диатомитовый намывной фильтр (общий вид).

3. Выбор комплекса технических средств

К комплексу технических средств относятся: датчики, в частности датчик давления МИДА-ДИ-13П с нормированным выходным сигналом 4..20 мА, точность измерений составляет ± 0,25%, что удовлетворяет техническому заданию. А также турбинный расходомер MaxiFlo КOT-F-B-S с нормированным выходным сигналом 4...20 мА, точность измерений которого составляет ±0,5%, что удовлетворяет техническому заданию и турбидиметр для измерения мутности Kemtrak TCP 007 с нормированным выходным сигналом 4...20 мА, диапазоном измерений 350 - 2500 нм, и точностью измерений ±0,5%, что удовлетворяет техническому заданию. Также используются двухходовые клапаны Danfoss VS2 с электроприводами AMV и AME, и трехходовые клапаны DANFOSS VRG 3 с электроприводами AMV и AME, управляемые бесконтактным реверсивным пускателем ПРБ3.

Информационные сигналы поступают на ПМК S7-200, где производиться обработка и отображение на экране монитора ЭВМ в виде численных значений технологических параметров объекта.

Программное обеспечение составляется с помощью пакета STEP 7 MicroWIN.

Для электрических схем используем: предохранители плавкие ПН2.600 для переменного тока напряжением 220 В, автоматические выключатели АП50Б 3МТ для переменного тока напряжением 220 В, лампу зеркальную, мощностью 100 Вт и для напряжения 220 В, лампы сигнальные ENR-22 для сигнализации, выключатель концевой ВП15-211 для напряжения 440 В, выключатель кнопочный АЕА-22 для напряжение 400 В, 1-фазные трансформаторы напряжения НОМ-10-66 на 36 В и 24 В, диоды КД-521А для сети 220 В.

4. Описание схемы автоматизации

В основе схемы автоматизации кизельгурового намывного фильтра лежит управление всеми контурами регулирования с помощью микроконтроллера фирмы Siemens. Основная задача автоматизации - управление потоками входящего пива, фильтрата, и промывной воды, а так же контроль длительности процесса исходя из параметров фильтрации. Для заполнения подготовленного к работе фильтра водой, открываются краны 1а, 1б, 1в, 2б при открытом воздушных кране 2а. Управление ими обеспечивается с помощью электроприводов (AMV и AME). Причем краны 1а, 1б, 1в являются трехходовыми, и поэтому обеспечивается проток воды к фильтру. Включение электроприводов производится бесконтактным реверсивным пускателем ПБР-3. Одновременно включается подача воды через кран 2в в дозатор-смеситель. И приступают к нанесению фильтровального слоя путем покачивания суспензии из дозатора. Затем дозирующий механизм на дозаторе и трехходовые краны 1а, 1б, 1в, 1г устанавливают в положение, обеспечивающее циркуляцию жидкости насосом по замкнутому контуру через дозатор. Краны 2а и 2б при этом закрыты. Суспензию прокачивают до тех пор, пока вода не станет прозрачной. Это определяется с помощью мутномера Kemtrak TCP 007 (поз. 3а). После чего наносят второй фильтрующий слой порошка.

После этого приступают к фильтрованию пива. Для этого краны 1в, 1б устанавливаются в положении, обеспечивающем проход пива через них, минуя дозатор, открывается кран 2г и вода вытесняется из фильтра через кран 1д. Кран 1е открывается для подачи фильтровального порошка в поток пива. После окончания фильтрации пиво вытесняется из фильтра водой. Для контроля расхода пива устанавливается счетчик расхода (поз 2а). Он передает контроллеру импульсы по истечению заданного количества продукта через него. Если какой-то из параметров выйдет за границы допустимых технологических норм, то сработает световая сигнализация (лампы HL2 и HL3).

5. Описание принципиальных электрических схем

5.1 Описание ПЭС сигнализации

В данной работе рассматривается сигнализация превышения нормы следующих технологических параметров: давление пива в фильтре и скорость входного потока в фильтр. При выходе технологического параметра за допустимые пределы, сигнал обрабатывается контроллером и замыкается его выходной контакт S1 или S2. Например, при замыкании S1 срабатывает катушка К2 и своим замыкающим контактом подает напряжение с шины 801 на НL2. Второй замыкающий контакт К2 подает через размыкающий К1 питание на гудок НА1. Для снятия звуковой сигнализации нажимается SB1. При этом напряжение через К2 и кнопку SB1 подается на катушку К1. К1 срабатывает и становится своим замыкающим контактом на самоблокировку. Размыкающий К1 прерывает питание гудка. Переключатель SA1 служит для выбора режима работы схемы проверки или работы. В положении З - проверка звуковой сигнализации. В положении С - световой. Диоды исключают одновременное горение всех ламп при замыкании любого из К2, К3.

5.2 Описание схемы регулирования

Регулирование производится посредством регулирующего органа AMV и AME (двигатель) и исполнительного механизма (краны и трехходовые краны). Функции регулятора выполняет контроллер (S7-200).

Исполнительный механизм подключается к контроллеру через реверсивный магнитный пускатель (ПБР-3).

Включение и отключение насоса производится через магнитный пускатель.

5.3 Описание схемы питания

Напряжение питания сети 220 В. Питание контроллера и его модулей осуществляется от блока питания постоянного напряжения 24 В S-307. Используются плавкие предохранители для сети переменного тока напряжением 220 В (FU1-FU4) и автоматические выключатели для сети переменного тока, 220 В (SF1-SF4).

6. Расчет надежности схемы сигнализации

Надежность это свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в заданных пределах при заданных условиях эксплуатации.

Расчет надежности произведем методом дифференциальных уравнений. Метод основан на допущении о показательных распределениях времени между отказами и восстановлениями. Для составления управления, на котором окружностями изобразим возможные состояния системы, возникающие при отказе ее элементов. При составление графа примем допущение о том, что невозможен одновременный отказ двух и более элементов и что отказавшие объекты начинают немедленно восстанавливать, отсутствуют ограничения на количество восстановлений, надежность средств контроля идеальна.

Граф состояний представлен на рисунке 6.1.

Рисунок 6.1 - Граф состояний системы,

Где л_i - интенсивность отказа i-го компонента;

м_i - интенсивность восстановления i-го компонента.

Расшифруем возможные состояния системы, изображенной на рис. 6.1.

Таблица 6.1 - Расшифровка состояний системы

Значения интенсивностей отказов и интенсивностей восстановления элементов системы из таблицы приведем в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Показатели надежности элементов системы

В соответствии с графом состояний системы составим математическую модель надежности, представляющую собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, на основании мнемонического правила:

- в левой части каждого уравнения записывают производную по времени от вероятности нахождения системы в i состоянии в момент времени t;

- в правой части число членов равно числу стрелок, соединяющих рассматриваемое состояние с другими;

- каждый член правой части равен произведению интенсивности перехода из одного состояния в другое на вероятность того состояния, из которого стрелка выходит;

- знак произведения положителен, если стрелка выходит в рассматриваемое состояние, и отрицателен, если выходит;

- систему дифференциальных уравнений дополняют нормировочным условием:

Так как в начальный момент времени подразумевается, что система находится в полностью работоспособном состоянии, то получим следующие значения начальных условий:

Найдем значения всех вероятностей в конечный момент времени t=44000 ч, используя Mathcad, методом Рунге-Кутта с фиксированным шагом:

Сумма всех вероятностей равна:

Следовательно можно сделать вывод о том, что значения всех вероятностей были вычислены правильно, так как их общая сумма равна 1.

Вероятность безотказной работы системы в целом в течение времени t определяется по формуле:

Где л_У - сумма интенсивностей отказов всех элементов системы.

Тогда вероятность безотказной работы в целом в течение времени равна t равна:

Следовательно, подобранный комплекс технических средств по показателям надежности удовлетворяет необходимым требованиям технического задания.

7. Расчет надежности контура регулирования

Надежность это свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных показателей в заданных пределах при заданных условиях эксплуатации.

Расчет надежности произведем методом дифференциальных уравнений. Метод основан на допущении о показательных распределениях времени между отказами и восстановлениями. Для составления управления, на котором окружностями изобразим возможные состояния системы, возникающие при отказе ее элементов. При составление графа примем допущение о том, что невозможен одновременный отказ двух и более элементов и что отказавшие объекты начинают немедленно восстанавливать, отсутствуют ограничения на количество восстановлений, надежность средств контроля идеальна.

Граф состояний представлен на рисунке 7.1.

Рисунок 7.1 - Граф состояний системы,

Где л_i - интенсивность отказа i-го компонента;

м_i - интенсивность восстановления i-го компонента.

Расшифруем возможные состояния системы, изображенной на рис. 7.1.

Таблица 7.1 - Расшифровка состояний системы

Значения интенсивностей отказов и интенсивностей восстановления элементов системы из таблицы приведем в таблице 7.2.

Таблица 7.2 - Показатели надежности элементов системы

Расчет производится аналогично как в пункте 6.

Найдем значения всех вероятностей в конечный момент времени t=44000 ч, используя Mathcad, методо Рунге-Кутта с фиксированным шагом:

Сумма всех вероятностей равна:

Следовательно можно сделать вывод о том, что значения всех вероятностей были вычислены правильно, так как их общая сумма равна 1.

Вероятность безотказной работы системы в целом в течение времени t определяется по формуле:

Где л_У - сумма интенсивностей отказов всех элементов системы.

Тогда вероятность безотказной работы в целом в течение времени равна t равна:

Следовательно, подобранный комплекс технических средств по показателям надежности удовлетворяет необходимым требованиям технического задания.

8. Разработка структуры САПР

САПР -- система автоматизированного проектирования технических объектов, которая решает весь комплекс задач от анализа задания до разработки полного объема конструкторской и технологической документации. Это достигается за счет объединения современных технических средств и математического обеспечения, параметры и характеристики которых выбираются с максимальным учетом особенностей задач проектно-конструкторского процесса. САПР представляет собой крупные организационно-технические системы, состоящие из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимосвязанного с подразделениями конкретной проектной организации. Как и любая сложная система, САПР состоит из подсистем. Различают подсистемы проектирующие и обслуживающие. Проектирующие подсистемы непосредственно выполняют проектные процедуры. Обслуживающие подсистемы обеспечивают функционирование проектирующих подсистем, их совокупность часто называют системной средой (или оболочкой) САПР.

Рассмотрим некоторые элементы САПР пивоваренной отрасли.

Рисунок 8.1 - Элементы САПР пивоваренной отрасли.

8.1 Техническое обеспечение

Используются рабочие станции IntelliStation Z Pro -- 2 процессора Intel® Xeon. Корпус -- Mini Tower.

Графическая система построена на графических картах 3Dlabs® Wildcat Realizm® 800, ATI® FireGL V7100, NVIDIA® Quadro FX 4500.

А также IBM BladeCenter HC10, 2.66 GHz, 8 GB, графические карты NVIDIA Quadro FX 1600M, операционные системы XP, XP64, Vista, Vista64.

Используется сервер Sun Fire E2900 на базе двухъядерных 64-разрядных процессоров Sun UltraSPARC IV+, имеет 192 Гбайт оперативной и 292 Гбайт дисковой памяти. С применение архитектуры SMP(Symmetric Multi-Processor - вычислительная система, в которой несколько процессоров разделяют общую оперативную память), интерфейсов Gigabit Ethernet, шин PCI Express и Infiniband.

8.2 Программное обеспечение

При создании САПР использовалось следующее программное обеспечение.

Программа Project Smeta CS предназначенная для определения стоимости разработки проектно-сметной документации на новое строительство, расширение, реконструкцию и техническое перевооружение действующих предприятий, отраслей промышленности, в том числе и пивоваренной, а так же для определения стоимости изыскательских работ.

Программа CSoft Development, предназначенная для хранения, поиски и отображения нормативных документов и стандартов применяемых в РФ и регламентирующих деятельность предприятий различных отраслей, в том числе и пивоваренной.

Также используется интегрированная система трехмерного проектирования промышленных предприятий Plant Design System (PDS). Она предостовляет полный цикл работ по проекту, от импорта информации из систем моделирования технологических процессов до выдачи готовых монтажных чертежей.

Программный пакет AutomaticCS АДТ предназначенный для автоматизации проектирования, реконструкции и эксплуатации систем контроля и управления КИПиА.

Также для автоматизации проектирования, построения чертежей используется AutoCAD 2010 и для расчета математических моделей пакет MathCad 2001.

Заключение

В результате проведенной работы была разработана структура САПР в пивоваренной отрасли. С использованием её элементов разработан проект автоматизации процесса фильтрации пива, были спроектированы схема автоматизации и принципиальные электрические схемы питания, сигнализации и регулирования. Был произведен расчет проектируемой надежности с использованием пакета Mathcad 2001.

Размещено на Allbest.ru