дипломная работа по автоматизации. Модернизация вентиляционных систем в цехе обслуживания сборочног. Сроков их окупаемости и обеспечения наибольшего прироста продукции на
Скачать 1.54 Mb.
|
ВВЕДЕНИЕ Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развитие технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления. Развитие технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности. Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ. На современном этапе развития народного хозяйства страны одной из основных задач является повышение эффективности общественного производства на основе научно-технического процесса и более полное использования всех резервов. Эта задача неразрывно связана с проблемой оптимизации проектных решений, цель которых заключается в создании необходимых предпосылок для повышения эффективности капиталовложений, сокращения сроков их окупаемости и обеспечения наибольшего прироста продукции на каждый затраченный рубль. Повышение производительности труда, выпуск качественной продукции, улучшение условий труда и отдыха трудящихся обеспечивают системы вентиляции воздуха, которые создают необходимый микроклимат и качество воздушной среды в помещениях. Поэтому тема выбранной выпускной квалифицированной работы «Модернизация вентиляционных систем в цехе обслуживания сборочного производства», как ни когда актуальна на данный момент. Известно, что автоматизация - один из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве, роста качества продукции и услуг. Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данном этапе. Основные задачи, решаемые в проектирования - модернизация существующей на объекте внедрения - производственного цеха АО «Особая экономическая зона промышленно-производственного типа «Алабуга», департамент водоснабжения и водоотведения, управление эксплуатации и энергетики - системы вентилирования воздуха для обеспечения ее экономичности (экономия по расходу энерго- и теплоресурсов, сокращение затрат на обслуживание системы, уменьшение времени простоя), поддержанию комфортного микроклимата и чистоты воздуха в рабочих зонах, работоспособности и устойчивости, надежности работы системы в аварийных/критичных режимах. Актуальность проблемы дипломного проектирования обусловлена общим ростом заболеваемости дыхательных путей и простудных заболеваний рабочих, общим падением производительности труда и качества выпускаемой продукции на данном участке. Объект исследования – системы вентиляции с приточно-вытяжной установкой. Предмет исследования – автоматизация процессов вентиляции с приточно-вытяжной установкой. Цель исследования – разработка системы автоматического управления вентиляции с приточно-вытяжной установкой. Таким образом, была поставлена цель – разработка автоматического управления вентиляционных систем в цехе. Для решения и достижения этой цели были выделены и обусловлены следующие задачи: - рассмотреть теоретические основы автоматизации систем вентиляции с приточно-вытяжной установкой; - разработать структурную схему управления систем вентиляции с приточно-вытяжной установкой; - изучить участок вентиляционной сети производственных помещений как объекта управления; - разработать алгоритм управления системой вентилирования, с учетом отработки внештатных ситуаций; - моделирование переходных процессов в системе автоматического управления приточно-вытяжной вентиляцией (процессы регулирования подогрева воздуха посредством использования водяного калорифера). В ходе исследования были рассмотрены и изучены работы авторов: Л.И. Селевцова «Автоматизация технологических процессов», О.С. Колосова «Технические средства», «Автоматизация производства», а так же соавторские работы Д.В. Вершинина, Н.А. Прокофьева, А.А. Есюткина. В работе так же использовались электронные ресурсы, справочники и научные статьи. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Так же имеются приложения. ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ § 1.1 Аналитический обзор описания технологического процесса установки приточной вентиляции Целью управления вентиляционной системой является обеспечение и поддержание требуемых стандартов воздушной среды в рабочей зоне помещения. Для управления системой вентиляции обычно служит локальная автоматика. Одним и самым главным недостатком такого регулирования является то, что оно не учитывает реальный воздушный и тепловой баланс здания, а также погодные условия. Таким образом, можно сказать, что система вентиляции работает не в оптимальном режиме. При осуществлении оптимального управления системой вентиляции можно не только увеличить эффективность работы, но и сократить затраты энергетических ресурсов. Но для этого необходимо использовать комплекс программных и технических средств. С помощью ЭВМ можно найти оптимальный режим работы и определить соответствующее управляющее воздействие. В следствии, ЭВМ и комплекс, состоящий из программных и технических средств, образуют автоматизированную систему управления вентиляцией. В роли ЭВМ может выступать как пульт управления приточной системой вентиляции, так и компьютер с программой моделирования, которая на основе полученных данных устанавливает оптимальный режим работы вентиляционной системы. Система автоматического управления - комплекс устройств, предназначенный для получения из исходного сырья готового продукта при помощи автоматического изменения одного или нескольких параметров объекта управления. В случае с приточной системой вентиляции готовым продуктом является воздух с заданными параметрами (температура, влажность и т.д.) в производственном помещении.1 В основу системы автоматического управления приточной вентиляции, как и в любой системе управления, должна присутствовать обратная связь. Управляющие воздействия вырабатываются исходя из информации, полученной при помощи датчиков, расположенных на объекте. Каждая система автоматического управления вентиляции разрабатывается исходя из технологии обработки воздуха. Приточная система вентиляции может включать в себя как калорифер (обогрев воздуха), так и систему кондиционирования воздуха, что обязательно должно быть отражено при проектировании автоматики. При применении автономных устройств обработки воздуха со встроенной системой автоматического управления, необходимо производить монтаж и обслуживание оборудования в соответствии с указаниями в документации.2 При анализе технических решений современных приточных систем вентиляции, можно выделить две категории управляющих функций: - основные функции, определяется технология и оборудование обработки воздуха; - дополнительные функции, являются сервисными и используются как отличительные черты каждой фирмы. Основные функции управления приточной системы вентиляции могут выглядеть следующим образом (рис. 1): Рисунок 1 – Основные функции управления В соответствии с СНиП 2.04.05-91 обязательными параметрами контроля являются: - температура и давление в общих трубопроводах и на выходе каждого теплообменника; - температура наружного воздуха, приточного после теплообменника, а также температура в помещении; - нормы вредных веществ в вытягиваемом воздухе (газы, продукты горения, нетоксичная пыль). При проектировании автоматической системы часто предусматривают дистанционный контроль, это необходимо для изменения основных параметров системы. Данный контроль осуществляется с помощью преобразователей или датчиков, значения которых могут быть выведены на пульт управления или монитор ЭВМ.3 Одной из главных функций, которую необходимо реализовать является «последовательность пуска». Для обеспечения нормального пуска системы приточной вентиляции необходимо учитывать: Предварительный прогрев калорифера. Если заранее не начать прогрев калорифера, то холодный воздух может вызвать срабатывание защиты от замораживания. Таким образом, во время запуска системы следует открыть заслонки приточного воздуха, открыть клапан водяного калорифера и прогреть калорифер. Обычно данная функция должна включаться при температуре наружного воздуха ниже 12 °С. 2) Предварительное открытие воздушных заслонок. Это связанно с тем, что не все заслонки в закрытом состоянии могут выдержать перепад давления, вызванным работой вентилятора. 3) Распределение моментов запуска электродвигателей. Эта функция необходима в автоматизированной системе вентиляции, так как, зачастую, асинхронные электродвигатели имеют большие пусковые токи. Если одновременно запустить вентиляторы и приводы воздушных заслонок, то из- за большой нагрузки, на электрическую сеть сильно упадет напряжение, и двигатели не запустятся.4 Немало важную функцию, которую нужно предусмотреть при проектировании системы автоматического управления приточной вентиляции - это «последовательность остановки». При отключении системы необходимо учитывать: 1) Задержку остановки вентилятора приточного воздуха в системах с электрокалорифером. После снятия напряжения с калорифера, его следует охлаждать в течении некоторого времени, при помощи вентилятора приточного воздуха. На основании вышеперечисленных опций можно составить циклограмму работы системы автоматического управления (рис. 2): Рисунок 2 – Типовая циклограмма работы САУ ПВВ с водяным калорифером Весь представленный цикл (рис. 2), система должна отрабатывать автоматически. Стоит предусмотреть отдельный пуск каждого оборудования, который необходим при наладке и обслуживании оборудования.5 Любая система автоматического управления имеет регулирующие функции. Данные функции являются основными для автоматизированной системы приточной системы вентиляции, работающей с переменным расходом, а также с нагревом и охлаждением воздуха. Данные функции реализуются с помощью замкнутых контуров регулирования, в которых присутствует обратная связь. Информация об объекте, получаемая при помощи датчиков, поступает на регулирующие устройства и далее преобразуется в управляющее воздействие. На рис. 1.3 приведен пример контура регулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водяным теплообменником. Температура воздуха поддерживается при помощи водяного калорифера. Вода, проходящая через калорифер, нагревается. Температура воздуха после калорифера измеряется при помощи датчика температуры (Т), значения которого получает устройство сравнения (УС). Так же на устройство сравнения поступает задающий сигнал. В данной схеме устройство управления (Р) приводит в движение электропривод (М), там самым открывает или закрывает трехходовой клапан до положения, при котором ошибка регулирования формула (1.1) будет минимальна: 𝜀 = Тзад − Тизм (1) где Тзад – заданная температура; Тизм – измеренная температура. Рисунок 3 – Контур регулирования температуры приточного воздуха в воздуховоде с водяным теплообменником: Т - датчик; УС – устройство сравнения; Р - регулирующее устройство; М - исполнительное устройство Таким образом, если к системе автоматического регулирования применяются высокие требования точности температуры и других параметров, то необходимо уделить внимание выбору структуры и ее элементов, а также к определению параметров регулятора. Параметры настройки регулятора определяются динамическими свойствами объекта управления и выбранным законом регулирования.6 Самым простым законом регулирования является пропорциональный, в котором ∆ и Uр связаны между собой постоянным коэффициентом Кп. Регулятор с пропорциональным законом, называют П-регулятор, в котором Кп является параметром настройки. Как и в любом регуляторе у П-регулятора есть погрешность регулирования, которая определяется по формуле: ∆𝑢(𝑡) = Кр ∗ ∆𝑦(𝑡) (1.2) где ∆𝑢(𝑡), ∆𝑦(𝑡) – выходной и входной сигналы регулятора; Кр – коэффициент пропорциональности, являющийся параметром настройки П-регулятора. Такие регуляторы обычно называют релейными, так как их графические характеристики схожи с характеристиками реле. В технике автоматизации двухпозиционные реле нашли большое применение из-за своей просты и надежности.7 Несмотря на достоинства и простоту, П-регулятор имеет большую статическую ошибку при малых значениях Кр, а при больших значениях Кр регулятор склонен к автоколебаниям. Поэтому при высоких требованиях точности систем управления, используют более сложные законы регулирования, например, ПИ- и ПИД-законы. Существует несколько типовых схем автоматизированной системы вентиляции. Перед проектированием необходимо более подробно их изучить так как каждая схема имеет ряд достоинств и недостатков. Несмотря на существование большого количества схем, довольно сложно создать систему автоматического управления, которая была бы гибкой относительно производства, на котором внедряется. Исходя из этого при проектировании системы автоматического управления приточной системой вентиляции, необходимо провести тщательный анализ производственных процессов, анализ электро- и пожаробезопасности. Существует ряд требований к системе промышленной вентиляции и кондиционирования: 1) Нормы санитарного и гигиенического контроля, которые определяют минимально время на локализацию и удаление вредных выделений в рабочем помещении, создание комфортной обстановки для персонала; 2) Звуковые. Шумность работы оборудования не должна превышать существующие требования; 3) Противопожарные. Компоненты промышленной вентиляции для помещений подбираются и устанавливаются строго с учетом требований противопожарной безопасности; 4) Эксплуатационные. Способы монтажа всех приборов и трубопроводов должен учитывать необходимость систематических осмотров и технического обслуживания; 5) Энергосберегающие. Вентиляция должна быть максимально эффективна при минимальных затратах электроэнергии. При проектировании системы вентиляции необходимо рассматривать следующие группы: 1) Общие данные: территориальное расположение объекта; назначение объекта. 2) Сведения о здании и помещениях: планы и размеры помещения; категории помещений с противопожарными нормами; расположение и характеристики имеющихся систем вентиляции. 3) Сведения о технологическом процессе: спецификации и расположение технологического оборудования; режимы работы оборудования; выделение веществ в окружающую среду. 4) Сведения о имеющейся системе вентиляции: производительность (мощность, воздухообмен). При расчете автоматической системы приточной вентиляции в качестве исходных данных выносят: 1) Пределы регулирования; 2) Параметры воздуха, подлежащего регулированию; 3) Работа автоматики при поступлении сигналов от других систем. Исходя из возложенных задач на систему автоматического управления приточной вентиляции, проектируются исполнительные системы автоматики. Рассмотрим некоторые схемы системы управления вентиляцией, охарактеризуем некоторые из них относительно решения задачи дипломного проекта (рис. 4). Рисунок 4 – САУ приточной вентиляции Данные схемы имеют не значительные отличия друг от друга. В приточной системе вентиляции с функцией обогрева (рис. 4а) имеется автоматические жалюзи, угол которых изменяется при помощи электропривода. Далее в системе установлен подогрев воздушного клапана и фильтр с контролем засорения. Функцию обогрева воздуха осуществляет водяной теплообменник с контролем обмерзания и контролем температуры обратной воды. Перед обслуживаемым помещением расположен приточный вентилятор, который оснащен датчиком перепада давления. 8 В схеме также присутствуют датчики, предоставляющие информацию о температуре на входе в систему, температуру теплообменника, а также температуру притока и внутри обслуживаемого помещения. Схема (рис. 4б) отличается от схемы (рис. 4а), только тем, что в схеме присутствует водяной охладитель. Данные системы автоматики нашли свое применение на производстве и в офисных помещениях. В данных схемах обычно объектом управления валяется шкаф автоматики (пульт управления). Охлаждение воздуха не является основной функцией системы вентиляции, так как охлаждение производственных помещений малоэффективно, а подогрев является основным условием функционирования системы автоматического управления приточной вентиляции. В приточной системе вентиляции сброс излишнего давления осуществляется за счет открывания окон. В зависимости от способов стабилизации существуют несколько видов теплообменников: 1) Водяной. Для выработки тепла используется вода из системы отопления или специального прибора – калорифера. 2) Электрический. Для выработки теплоэнергии используется сеть электроэнергии помещения. 3) Грунтовый. Для выработки тепла используется природная температура. 4) Рекуператор. Данный вид теплообменника используется в приточно- вытяжных системах. Изменение температуры происходит за счет смешивания приточного и вытяжного воздуха. В приточной вентиляции одновременно может просовывать от двух до четырех рядов водяных теплообменников. У водяного теплообменника имеется недостаток, а именно невозможность регулировки температуры втягиваемого воздуха. Для того, чтобы была возможность регулировки температуры используют трехходовой кран. Трехходовой смеситель работает в трех режимах: 1) Рециркуляция (большой круг); 2) Циркуляция без смешивания (малый круг); 3) Смешивание пополам. Трехходовые раны бывают как ручные, так и автоматические. Водяные теплообменники являются уязвимым местом в системе вентиляции, так как он может выйти из строя, если температура воздуха на улице значительно ниже нуля (происходит замерзание калорифера), система была неправильно подключена. Исходя из анализа существующих схем, в выпускной квалифицированной работе для рассмотрения и решения задачи автоматизации была выбрана приточная система вентиляции с водяным теплообменником. Работа системы заключается в следующем. Приточный (свежий воздух с улицы) подается в систему воздуховодов, пройдя предварительную подготовку - фильтрацию, нагрев или охлаждение. После чего он распределяется в необходимом по расчетам количестве по помещениям. В то же время из каждого помещения, куда подается свежий воздух, удаляется «отработанный» воздух в таком же количестве для обеспечения баланса давления. Таким образом, происходит «воздухообмен» - постоянная смена воздуха в помещениях.9 Итак, рассматривая устройство приточно-вытяжной системы вентиляции здания, следует знать, что включает в себя подобная система. Воздуховоды - необходимы для проведения и подачи воздушного потока. Форма воздуховодов, материал, а также их параметры определяются исходя из расчетов. Вентиляторы - создают необходимое давление для подачи/удаления воздуха. Используют осевые и центробежные. Преимущества осевого: малый вес, легкость монтажа; преимущество центробежного (радиального): высокая производительность и высокий напор. Воздухораспределители (диффузоры, решетки) - служат для подачи воздуха в помещения. Могут выполнять декоративную функцию - при желании можно заказать решетку любого цвета, размера или даже формы. Регулировочные клапаны, шиберы, заслонки - выполняют роль регулирования расходов воздуха и балансировки системы. Фильтры - предназначены для защиты системы и помещения как от относительно крупного мусора (пыль, насекомые, пух), так и от мелких загрязнений. Калориферы (нагреватели - водяные, электрические) - служат для подогрева подаваемого в помещение воздуха в зимний период года до комнатной температуры. Рекуператор - служит для подогрева, подаваемого в воздух помещения за счет отводимого воздуха. Состоит из узких каналов, расположенных через один (горячий, холодный, горячий, холодный и т.д.), по которым перемещаются потоки воздуха. При этом происходит нагрев холодного воздуха теплым. Системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла позволяют экономить до 70% тепла, тем самым снижая в разы потребление электроэнергии на нагрев. Шумоглушитель - служит для снижения уровня шума, при высоких скоростях воздуха в канале. Решетка наружная воздухозаборная, защищает вентиляцию от попадания внутрь посторонних предметов. Шкаф автоматики - выполняет функцию управления системой и взаимодействие компонентов системы. Он отвечает за следующие функции: 1) включение/отключение системы; работу электронагревателя или водяного калорифера; управление заслонками с приводами; изменение режимов работы (скорости, температура и т.д.); безопасность и аварийные режимы системы. Самым важным, и наиболее сложным оборудование приточно-вытяжной системы вентиляции является приточно-вытяжная установка. Она может быть сборной или моноблочной. Сборные установки - делают под конкретные задачи каждого клиента, производство компонует установку из нескольких отдельных блоков с элементами - блок с рекуператором, блок охлаждения, блок фильтрации и т.д. Такие установки, как правило, делают большой производительности (от 3000 м3/ч) и используются там, где нужно скомпоновать оборудование под конкретные требования объекта. Обычно это крупные объекты. Моноблочные установки - бывают обычно небольшой производительности (от 200 до 3000 м3/ч) и продаются готовым изделием, к которому необходимо просто подвести систему воздуховодов и электропитание. Их используют на небольших объектах, где важна компактность и невысокая стоимость системы. Проект вентиляции преимущественно зависит от площади помещения, количества людей, рода их деятельности, уровня физической активности, оборудования (если это производственный цех или что-то подобное).10 § 1.2 Основные требования к установке приточной вентиляции Областью применения автоматической приточно-вытяжной системы является поддержание заданных параметров в системе вентиляции и кондиционирования воздуха, защита дорогостоящих агрегатов. Предусматривается использование системы в строящихся и реконструируемых зданиях. В представленной работе разрабатывается система управления приточно-вытяжной вентиляцией в цехе сборочного производства. Работа системы включает организацию управления одной системой вентиляции и кондиционирования, которая является основой для разработки подобных систем. Отличительной особенностью данной работы является то, что автоматизация системы разработана на свободно программируемом контроллере пятого поколения LOGO!...0BA5 фирмы «Siemens». Применение контроллеров данного типа экономически эффективно из-за относительно низкой стоимости контроллера и возможностью работы с пассивными датчиками с чувствительными элементами LG-Ni 1000 или Pt 100, а также с датчиками передающие активные выходные унифицированные сигналы DС 0…10В или 4…20мА. Кондиционирование воздуха осуществляется комплексом технических средств, называемым системой кондиционирования воздуха (СКВ). В состав СКВ входят технические средства забора воздуха, подготовки, то есть придания необходимых кондиций (фильтры, теплообменники, увлажнители или осушители воздуха), перемещения (вентиляторы) и его распределения, а также средства хладо- и теплоснабжения, автоматики, дистанционного управления и контроля. СКВ больших общественных, административных и производственных зданий обслуживаются, как правило, комплексными автоматизированными системами управления. Автоматизированная система кондиционирования поддерживает заданное состояние воздуха в помещении независимо от колебаний параметров окружающей среды (атмосферных условий). В результате технологических и бытовых процессов в воздух помещения поступают тепло и влага. Для поддержания заданных температурно-влажностных условий в помещении необходимо подавать в него приточный воздух с определенными параметрами. Параметры наружного воздуха изменяются во времени. Поэтому, прежде чем подать наружный воздух в помещение, его необходимо специально обработать, придав ему определенные кондиции. Процесс создания и поддержания определенных параметров воздушной среды называют кондиционированием воздуха. Обычно при кондиционировании воздуха его в основном подвергают тепловлажностной обработке. В жаркие летние дни наружный воздух имеет высокую температуру и большую влажность. Перед подачей в помещение такой воздух необходимо охладить, а иногда и осушить. Зимой наружный воздух имеет низкую температуру и небольшую влажность, поэтому перед подачей в помещение его приходиться нагревать и увлажнять. Установки кондиционирования воздуха имеют специальные устройства для определенных видов его обработки. Нагревают воздух обычно в калориферах, где он получает тепло от оребренных или гладких поверхностей трубок, по которым протекает теплоноситель. Охлаждение воздуха осуществляется в поверхностных или в контактных воздухоохладителях. В поверхностных воздухоохладителях воздух отдает тепло поверхностям трубок, по которым пропускают холодную воду или другой хладоноситель. Если эти поверхности имеют температуру ниже точки росы, то на них выпадает влага из воздуха, и воздух не только охлаждается, но и осушается. Поверхности трубок воздухоохладителя или калорифера в некоторых случаях орошают водой, так как воздух интенсивнее обменивается теплом со смоченной поверхностью. Кроме того, при орошении водой воздух можно наряду с нагреванием или охлаждением осушать или увлажнять. Наиболее часто воздух проходит через дождевое пространство оросительной камеры, в которой форсунками разбрызгивается охлажденная вода. В некоторых случаях применяют контактные охладители с орошаемой насадкой. В них охлажденной водой орошается слой (насадка) из фарфоровых или металлических колец, древесных стружек проходя через лабиринтовые ходы смоченной насадки, охлаждается и осушается или увлажняется. В последнее время контактные устройства начинают применять также и для нагревания воздуха. Комплекс технических средств и устройств, для приготовления приточного воздуха с заданными параметрами и поддержания в помещениях оптимального или заданного состояния воздушной среды (независимо от изменения внешних и внутренних факторов), называется системой кондиционирования воздуха. Система кондиционирования позволяет автоматически поддерживать заданную температуру, влажность и скорость движения воздуха, его чистоту, газовый состав, ароматические запахи, содержание легких и тяжелых ионов, а в ряде случаев определенное барометрическое давление. В большинстве жилых, общественных и промышленных зданий современные системы кондиционирования позволяют поддерживать только первые четыре из перечисленных параметров.11 |