Выбор технических средств автоматизации станции водоснабжения (вариант № 1). Выбор технических средств автоматизации станции водоснабжения (в. Задание на выполнение курсового проекта студенту по направлению подготовки (специальности) 27. 03. 04 Управление в технических системах
 Скачать 250.86 Kb.
|
|
ЗАДАНИЕ на выполнение курсового проекта студенту по направлению подготовки (специальности) 27.03.04 «Управление в технических системах» профиль «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» по дисциплине Технические средства автоматизации и управления 1.Тема курсового проекта Выбор технических средств автоматизации станции водоснабжения (вариант № 1) 2. Срок сдачи 01 ноября 2021 г. З.Цель и задачи курсового проекта: формирование умения самостоятельной работы по выбору технических средств автоматизации для систем управления технологическими процессами и установками. Задачи: 1. Освоение, углубление, обобщение и проверка теоретических знаний и практических навыков по выбору и применению технических средств автоматизации. 2. Решение актуальных вопросов в области подготовки по специальности, демонстрация эрудиции. 3. Умение автора анализировать, проблемы и предлагать пути их решения, самостоятельно делать выводы. 4. Исходные данные к курсовому проекту: объект автоматизации - станция водоснабжения; датчики — электромагнитный расходометр с импульсным выходом, ультразвуковой уровнеметр с выходом 0-10 В; исполнительные механизмы — центробежный насос; двигатель постоянного тока; устройства управления — ПЛК SIMATIK S7-1200 5.Перечень вопросов подлежащих разработки: 5.1 Разработка схемы автоматизации. 5.2 Требования к техническим средствам автоматизации. 5.3 Принципы действия, статические и динамические характеристики датчиков. 5.4 Климатическое исполнение и монтаж датчиков на объекте. 5.5 Определение структуры программируемого контроллера. 5.6 Определение параметров и характеристик исполнительных механизмов. Аннотация Целью курсовой работы является формирование умения самостоятельной работы по выбору технических средств автоматизации для систем управления технологическими процессами и установками. Задачами курсовой работы являются: – освоение, углубление, обобщение и проверка теоретических знаний и практических навыков по выбору и применению технических средств автоматизации; – решение актуальных вопросов в области подготовки по специальности, демонстрация эрудиции и умение автора анализировать проблемы и предложить пути их решения, самостоятельно делать выводы. Оригинальность постановки и решения конкретных вопросов в соответствии с проблематикой исследования, а также глубина, широта охвата и самостоятельность исследования являются основополагающими критериями оценки качества курсовой работы. Курсовой проект выполнен в объеме: пояснительная записка на 19 страницах машинописного текста, рисунков - 6; список использованных источников - 6. Содержание Введение…………………………………………………………………………...5 1. Обзор технической литературы……………………………………………….6 1.1 Система водоснабжения как объект автоматизации………………………..6 1.2 Виды водоснабжения…………………………………………………………6 1.3 Основные элементы систем водоснабжения……………………………….. 7 2. Выбор технических средств автоматизации………………………………....9 2.1 Выбор исполнительного механизма……………………………………….... 9 2.2 Выбор датчиков……………………………………………………………... 12 2.3 Выбор программируемого контроллера……………………………………15 Заключение……………………………………………………………………….18 Список использованных источников………………………………………….. 19 Введение Целью и задачей курсового проекта является формирование умения самостоятельной работы по выбору технических средств автоматизации для систем управления технологическими процессами и установками. Объектом автоматизации является станция водоснабжения; датчики- электромагнитный расходомер импульсным выходом, ультразвуковой уровнемер с выходом 0-10В; исполнительные механизмы –центробежный насос, двигатель постоянного тока; устройства управления – ПЛК SIMATICS-1200. Задачи курсового проекта: 1. Освоение, усугубление, обобщение и проверка теоретических знаний и практических навыков по выбору и применению технических средств автоматизации; 2. Решение актуальных вопросов в области подготовки по специальности, демонстрация эрудиции; 3. Проанализировать проблемы, сделать выводы. 1 Обзор технической литературы Система водоснабжения как объект автоматизации Подача воды на объекты осуществляется целым рядом механизмов и сооружений: насосные станции, трубопроводы, станции фильтрации, водоприемники. Слаженная работа всех компонентов увеличивает эффективность и надежность систем, уменьшает расход энергоресурсов и улучшает конечные показатели воды. Для координации отдельных блоков оборудуются автоматизированные системы водоснабжения и водоотведения. В данном курсовом проекте рассматривается автоматизация системы водоснабжения. Виды водоснабжения Системой водоснабжения называют комплекс инженерных сооружений, обеспечивающих водой различных потребителей. Системы водоснабжения классифицируются: -по виду обслуживаемого объекта (городские, сельскохозяйственные, промышленные, железнодорожные); -по назначению (хозяйственно-питьевые, производственные, противопожарные); -по виду источника (с забором воды из поверхностного источника, с забором воды из подземного источника); -по способу подачи воды (механизированные с использованием насосов и водоподъемников, самотечные); -по способу регулирования воды (башенные, безбашенные); -по кратности использования воды (прямоточные с однократным использованием воды, оборотные с многократным использованием воды); -по общему назначению (централизованные системы, обеспечивающие водой большие комплексы объектов коммунального и производственного назначения; локальные системы, снабжающие водой отдельные здания или небольшую их группу; групповые системы, снабжающие водой несколько крупных районов, в которые входят промышленные комплексы, сельхозпредприятия, населенные пункты). Если система водоснабжения одновременно выполняет несколько функций (хозяйственно-питьевые, производственные, противопожарные), её называют комбинированной. Сельскохозяйственные системы чаще всего комбинированные. Основные элементы систем водоснабжения Система водоснабжения (населенного места или промышленного предприятия) должна обеспечивать получение воды из природных источников, ее очистку, если это вызывается требованиями потребителей, и подачу к местам потребления. Для выполнения этих задач служат следующие сооружения, входящие обычно в состав системы водоснабжения: - водозаборные сооружения, при помощи которых осуществляется прием воды из природных источников, - водоподъемные сооружения, то есть насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения или потребления, - сооружения для очистки воды, - водоводы и водопроводные сети, служащие для транспортирования и подачи воды к местам ее потребления, - башни и резервуары, играющие роль регулирующих и запасных емкостей в системе водоснабжения. В зависимости от местных природных условий и характера потребления воды, а также в зависимости от экономических соображений схема водоснабжения и составляющие ее элементы могут меняться весьма сильно. Большое влияние на схему водопровода оказывает принятый источник водоснабжения: его характер, мощность, качество воды в нем, расстояние от него до снабжаемого водой объекта и т. п. Иногда для одного объекта используется несколько природных источников. В качестве объекта проектирования выступает лабораторный стенд станции водоснабжения (рисунок 1).  P101 – центробежный насос; V103, V102, V105 – краны; B101, B102– емкости для воды; IR/101 – расходометр; ультразвуковой уровнеметр Рисунок 1 – Общий вид и технологическая схема системы водоснабжения На основании технологической схемы стенда и требований задания разрабатывается схема автоматизации технологического процесса станции водоснабжения. 2 Выбор технических средств автоматизации 2.1. Выбор исполнительного механизма Исполнительное устройство – устройство системы автоматического управления или регулирования, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. В технике исполнительные устройства представляют собой преобразователи, превращающие входной сигнал (электрический, оптический, механический, пневматический и др.) в выходной сигнал (обычно – в движение), воздействующий на объект управления. Устройства такого типа включают: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства и т. п. В курсовой работе исполнительным устройством является электродвигатель постоянного тока [4]. В курсовой работе исполнительными механизмами является центробежный насос и двигатель постоянного тока. Принцип действия центробежного насоса Заключается в преобразовании за счёт центробежной силы, электрической энергии потребляемой двигателем в статическую энергию потока (повышается давление) [1]. Поток воды попадая в центр вращающегося рабочего колеса с радиально изогнутыми лопатками, под действием центробежной силы меняет направление своего движения с осевого на радиальное, и перемещаясь вдоль лопаток собирается в канале корпуса находящемся за периферией рабочего колеса. В спиралевидном канале по форме напоминающем конфузор, кинетическая энергия потока частично преобразуется в статическую энергию и поток с более высоким давлением выходит из нагнетающего патрубка. Таким образом, электрическая энергия, потреблённая электродвигателем, расходуется на повышение давления воды, при этом коэффициент полезного действия насоса с воздушным охлаждением электродвигателя (сухим ротором) может достигать 70-80%. Рабочие параметры центробежных насосов находятся в жёсткой зависимости с частотой вращения рабочего колеса, так, например: двукратное увеличение частоты вращения, приводит к увеличению подачи в два раза, росту напора в четыре раза и увеличению потребления энергии в восемь раз. Для курсовой работы выбираем вертикальный многоступенчатый центробежный насос CNP CDLF (рисунок 2). Особенности данного насоса:
Рисунок 2 – Вертикальный многоступенчатый центробежный насос CNP CDLF Повышение давления воды: фильтрация и перекачка воды в системах водоснабжения, повышение давления в магистральном трубопроводе, повышение давления в системах водоснабжения высотных зданий. Промышленное повышение давления: системы водоснабжения для технологических целей, моечные установки высокого давления, противопожарные установки,. Подача промышленной жидкости: системы охлаждения и системы кондиционирования воздуха, системы питания паровых котлов и перекачка конденсата, системы охлаждения инструмента металлорежущих станков (подача смазочно-охлаждающей эмульсии) и т.д. Очистка воды: системы ультрафильтрации, установки обратного осмоса, нефтеперегонные установки, сепараторы. Орошение: полив сельскохозяйственных земель, капельное орошение, дождевальные установки. Мощность двигателя - 3.0кВт Максимальный подъем - 136м Принцип действия двигателя постоянного тока Он основывается на взаимодействии магнитных полей рамки и самого магнита. Но одна рамка после определенного количества вращений замирает в положении, параллельном внешнему магнитному полю. Для продолжения движения необходимо добавить вторую рамку и в определенный момент переключить направление тока [2]. Вместо рамок в двигателе используется набор проводников, на которые подается ток, и якорь. При запуске вокруг него возбуждается магнитное поле, взаимодействующее с полем обмотки. Это заставляет якорь повернуться на определенный угол. Подача тока на следующие проводники приводит к следующему повороту якоря, и далее процесс продолжается. Магнитное поле создается либо с помощью постоянного магнита (в маломощных агрегатах), либо с помощью индуктора/обмотки возбуждения (в более мощных устройствах). Попеременную зарядку проводников якоря обеспечивают щетки, сделанные из графита или сплава графита и меди. Они служат контактами, замыкающими электрическую сеть на выводы пар проводников. Изолированные друг от друга выводы представляют собой кольцо из нескольких ламелей, которое находится на оси вала якоря и называется коллекторным узлом. Благодаря поочередному замыканию ламелей щетками двигатель вращается равномерно. Степень равномерности работы двигателя зависит от количества проводников (чем больше, тем равномернее). Выбираем двигатель постоянного тока Siemens 1LG (рисунок 3). Базовыми преимуществами двигателей Siemens 1LG выступают неизменно высокие показатели КПД, подтвержденное и доказанное в ходе проверок и тестов высокое качество сборки и объективная стоимость. Нельзя не подчеркнуть важность использования этого типа приводного оборудования в промышленных отраслях мирового значения. Как и весь процесс эксплуатации электродвигателя, его монтаж и наладка не требуют чрезмерно высоких затрат сил или средств.  Рисунок 3 – Двигатель постоянного тока Siemens 1LG Таблица 1 – Технические характеристики
2.2 Выбор датчиков Электромагнитный расходомер с импульсным выходом. Принцип действия электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которым в электропроводной жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости [5]. Расходомер с импульсным выходом работает следующим образом: - через расходомер проходит определенный объем жидкости или газа. В некоторых приборах предусмотрена возможность настройки нужного объема и с вероятностью изменения данного показателя; - после прохождения объема, на который настроен прибор, подается импульс, свидетельствующий об очередном учетном количестве вещества; - специальное фиксирующее устройство запоминает данный импульс, и когда снимаются показания с расходомера, выдает всю необходимую информацию о объемах вещества, прошедшего через прибор. Выбираем датчик расходомер-счетчик с импульсным выходом Декаст СТВУ (рисунок 4).Отличительные особенности: – механическая прочность; – легкая настройка для работы с тепловычислителями без использования компьютера; – максимальная защищенность результатов измерений от несанкционированного доступа и вмешательства в работу прибора; – исключение ошибок, связанных с опустошением трубопровода или пропадания питания; Таблица 2 –Технические характеристики
 Рисунок 4 – Датчик расходомер-счетчик Декаст СТВУ Ультразвуковой уровнемер с выходом 0-10В Принцип действия уровнемера основан на измерении времени прохождения волной расстояния от датчика и до уровня жидкости. Именно на границе «жидкость–газ» или «газ–сыпучие материалы» происходит отражение волны. Для излучения колебаний и приема их применяется, как правило, один датчик. Расстояние рассчитывается просто: достаточно умножить время прохождения колебания на скорость распространения колебаний в среде [6]. Климатическое исполнение датчика для данной работы должно соответствовать стандарту не ниже IP67, работе в температурах окружающей среды от 0 до повышенных температур. Для курсовой работы выбираем Ультразвуковой уровнемер ULT-11 (рисунок 5). Отличительные особенности: -бесконтактный -ультразвуковой уровнемер -бюджетный -легко устанавливаемый -универсальное решение для измерения уровня жидкости и сыпучих сред.  Рисунок 5 – Ультразвуковой уровнемер ULT-11 2.3 Выбор программируемого контроллера Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются основой промышленной автоматизации, поскольку это программно-аппаратный компонент, который непосредственно контактирует с датчиками, исполнительными механизмами и другими полевыми устройствами. ПЛК дает доступ к управлению и мониторингу множества подключенных к нему машин и интегрированной с ними программной системы. ПЛК могут эффективно работать с различными протоколами связи, анализировать данные, осуществлять преобразования, взаимодействовать с модулями ввода/вывода, обрабатывать сигналы и т.д. ПЛК полностью программируются пользователем с использованием среды разработки и стандартных языков программирования МЭК 61131-3, таких как: ST, FBD, SFC, LD, IL. ПЛК могут синхронизироваться с сервером реального времени с помощью встроенной службы NTP. Мониторинг и обслуживание машин и систем с использованием ПЛК становятся довольно просты. С помощью ПЛК можно установить триггеры на различные параметры, такие как температура, уровень жидкости, открытие или закрытие клапанов и т.д. Его можно использовать как в простейших устройствах, таких как гаражные ворота, так и в сложных системах, таких как электростанция. Помимо этого, ПЛК широко применяются в области управления электродвигателями и сервоприводами, которые обладают уникальными функциями и предлагают ключевые преимущества для пользователей, позволяя осуществлять прецизионное управление и перемещение любой нагрузкой. Области применения программируемых логических контроллеров широки и разнообразны по своей природе. Это могут быть жилые, коммерческие или промышленные помещения с множеством разных технологических процессов. ПЛК играют огромную роль в нашей повседневной жизни. Они передают данные для средств человека-машинного интерфейса, таких как панели оператора и являются ключевыми компонентами более широкой концепции SCADA. Это способствуют расширению применимости SCADA-систем в различных отраслях промышленности [4]. В качестве базового контроллера применим контроллер S7-1200 DC DC. Программируемый контроллер S7-1200 способен решать логические задачи, задачи автоматического регулирования и управления перемещением, выполнять математическую обработку информации. Он обладает широкими функциональными возможностями, отличается относительно невысокой стоимостью и может использоваться во всех секторах промышленного производства, а также в системах автоматизации зданий. Контроллеры в климатическом исполнении SIMATIC S7-1200 имеют компактные пластиковые корпуса со степенью защиты IP20, могут монтироваться на стандартную 35 мм профильную шину DIN или на плоскую поверхность и сохраняют работоспособность в диапазоне значений температуры от 0 до +55 °C. В состав программируемого контроллера S7-1200 вошли модули центральных процессоров (CPU); коммуникационные модули (CM); коммуникационные процессоры (CP); сигнальные модули (SM); платы (SB) ввода/вывода дискретных и аналоговых сигналов, технологические модули, а также модуль блока питания (PM 1207). Компактное модульное исполнение в сочетании с высокой вычислительной мощностью позволяют использовать S7-1200 для решения широкого круга задач автоматизации. Этот спектр задач простирается от замены простейших релейно-контактных схем до построения комплексных распределенных структур автоматизации, использующих интенсивный сетевой обмен данными. S7-1200 может использоваться в областях, где применение контроллеров ранее считалось экономически не выгодным, и для решения задач автоматизации использовались специализированные электронные устройства. Для конфигурирования и программирования новой серии контроллеров используется программное обеспечение Simatic STEP 7 Basic v13 со встроенным ПО Simatic WinCC Basic, предназначенным для программирования средств HMI. CPU снабжен портом PROFINET для обмена данными через сеть PROFINET. В базовой комплектации контроллер имеет 14 дискретных входов, включая два счетных, 10 дискретных выходов и 2 аналоговых входа. Так как в данном контролере отсутствуют аналоговые выходы, установим площадку для аналоговых выходов SB1232AQ 1x12bit Параметры SB1232AQ 1x12bit. Структура ПЛК выглядит следующим образом (рисунок 6).  Рисунок 6 – Структура ПЛК Заключение В рамках задания осуществлен выбор современных программно-технических средств автоматизации для станции водоснабжения, в состав которого входят: - электромагнитный расходометр - ультразвуковой уровнемер - программируемый контроллер общепромышленного применения SimaticS7-1200; - центробежный насос - двигатель постоянного тока. Проанализированы принципы действия и определены характеристики технических средств автоматизации. Список использованных источников Власов, И.И. Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. Основные принципы и технические средства измерений параметров передачи для сетей PDH, SDH, IP, Ethernet и ATM / И.И. Власов, Э.В. Новиков, М.М. Птичников, Д.В. Сладких. - М.: ГЛТ , 2018. - 552 c. Ворона, В.А. Технические средства наблюдения в охране объектов. Кн. 3 / В.А. Ворона, В.А. Тихонов. - М.: ГЛТ, 2019. - 184 c. Гагарина, Л.Г. Технические средства информатизации: Учебное пособие / Л.Г. Гагарина. - М.: ИД ФОРУМ, 2013. - 256 c. Гребенюк, Е.И. Технические средства информатизации: Учебник для студентов среднего профессионального образования / Е.И. Гребенюк, Н.А. Гребенюк. - М.: ИЦ Академия, 2018. - 352 c. Шишов, О.В. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие / О.В. Шишов. - М.: ИНФРА-М, 2014. - 397 c. Древс, Ю.Г. Технические и программные средства систем реального времени: Учебник / Ю.Г. Древс. - М.: Бином, 2017. - 334 c. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
