Автоматизация и электропривод печи регенерации отработанного травильного раствора

Аннотация

С. 105. Ил. 26. Табл. 11. Библиограф.: 20 назв. Прил.6.
В данном дипломном проекте представлена автоматизация работы блока химических установок, на примере одной печи регенерации отработанного травильного раствора, предусматривающая замену старого оборудования контроля установок на новое фирмы SIEMENS. Система автоматического управления будет иметь возможность осуществлять измерение, регулирование и контроль всех параметров работы с помощью созданного человеко-машинного интерфейса. В качестве индивидуального задания предполагается переход одного из асинхронных двигателей, используемых в установке, с нерегулируемого режима работы на регулируемый с использованием преобразователя частоты с обоснованием выбора силовой части, части управления и защиты.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Схемы размещения оборудования и технические характеристики......А1
Структура системы автоматического управления …………………….А1
Схемы подключения ПЧ………………………………………...……….А1
Параметрирование ПЧ, состав ПЛК и структура ЧМИ………….....….А1
Видеокадры поста управления БХУ…………………………………….А1
Схемы Matlab и графики переходных процессов…………..………. …А1

Всего в листах формата А1……………………………………………6

Оглавление

Введение…………………………...………………………...…………...…8
1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ……………...…..9
2 ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ………………………………….….……16
2.1 Требования к системе в целом…………………………………….…16
2.1.1 Требования к структуре и функционированию системы……...…16
2.1.2 Требования к надёжности……………………………………….….17
2.1.3 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы……………………………..…….17
2.2 Требования к безопасности………………………………………..…17
2.2.1 Требования к безопасности эксплуатации………………….….….17
2.2.2 Требования по сохранности информации при авариях и от несанкционированного доступа…………………………………………..…….18
2.2.3 Требования к защите от внешних воздействий……………….…..19
2.3 Требования к функциям, выполняемым системой……………...….19
2.4 Требования к видам обеспечения системы………………………….19
2.4.1 Требования к информационному обеспечению…………...…..….19
2.4.2 Требования к техническому обеспечению……………………..…19
2.4.3 Требования к программному обеспечению………………….……20
2.4.4 Требования к организационному обеспечению…………......……21
2.5 Требования по стандартизации и унификации…………..…………21
2.6 Основные требования к системе электропривода………….………22
3 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ……………………………….………………………..…….23
4 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ……….….....29
4.1 Сведения об объекте автоматизации………………………….…..…29
4.2 Описание существующей системы управления……………..…...…29
4.3 Описание функций существующей системы управления…..….…..33
4.4 Предпосылки к модернизации……………………………………….37
4.5 Описание новой системы управления…………………………...…..38
4.6 Используемые протоколы связи…………………………..…..…..…43
5 ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС………………………...…45
6 ЭЛЕКТРОПРИВОД ГАЗООТВОДЯЩЕГО ВЕНТИЛЯТОРА…..…..54
6.1 Основные характеристики электропривода…………………...……54
6.2 Проверочные расчёты электропривода……………………..……….54
6.2.1 Проверка двигателя по мощности………………………………....54
6.2.2 Проверка выбранного двигателя по нагреву………………….......56
6.2.3 Проверка на перегрузку при снижении напряжения……….….....56
6.3 Основные требования к электроприводу………………..………..…57
6.4 Предпосылки к модернизации системы управления………….....…58
7 ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ЧАСТЬ………………………………...…..…..60
7.1 Выбор производителя и серии преобразователя частоты……….…61
7.2 Выбор модулей ПЧ………………………………………….………..64
7.2.1 Управляющий модуль……………………………………….….…..65
7.2.2 Силовой модуль…………………………………………….……….67
7.2.3 Активные компоненты со стороны сети………………………..…70
7.2.4 Компоненты промежуточного контура……………………………70
7.2.5 Активные компоненты со стороны выхода……………………….70
7.2.6 Прочие компоненты ПЧ……………………………….………..….72
7.3 Параметрирование ПЧ и схемы подключения……………...………73
7.4 Расчет системы подчиненного регулирования……………………...76
8 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………..……………………86
8.1 Расчет экономической эффективности установленного двигателя.86
8.2 Расчёт экономической и технической эффективности использования преобразователя частоты……………………..……………….88
8.3 Организация и планирование электрослужбы ЛПП……………..…90
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ………….....….............93
9.1 Описание технологического процесса……………………..………..93
9.2 Микроклимат………………………….……………………………....93
9.3 Запылённость, загазованность……………………………..………...94
9.4 Производственный шум…………………………………….………..95
9.5 Освещённость………………………………….…………………...…96
9.6 Электробезопасность……………………………….……………...…97
9.7 Пожарная безопасность…………………………………………..…..98
9.8 Расчет естественной вентиляции…………………………………….98
9.9 Расчет контура заземления БХУ……………………………………101
Список источников……………………………………………………...104





















Введение

Современное развитие производственных предприятий невозможно без поддержания качества выпускаемой продукции на уровне общемировых показателей и создания конкурентоспособной организации. Технология производства любой продукции требует высоких затрат по поддержанию работоспособности оборудования и сопутствующих средств производства.
В процессе производства анизотропной и изотропной стали, горячекатаные рулоны проходят через несколько сложных этапов холодной прокатки, отжига и нанесения покрытий. В процессе горячей прокатки полос и после ее завершения на поверхности подката образуется воздушная окалина. Дальнейшая холодная прокатка возможна только после полной очистки поверхности полосы. Очистка полосы от окалины перед холодной прокаткой должна обеспечивать полное и быстрое удаление окалины, экономичность процесса.
Травление поверхности полос производится в последовательно расположенных ваннах, в каждой из которых концентрация HCl поддерживается в постоянном диапазоне. Для уменьшения затрат на приобретение новой кислоты и переработку отработанного травильного раствора, его прогоняют через установки регенерации отработанного травильного раствора, попутно получая чистый FeO2, который повторно попадает на переработку в плавильную печь. Восстановление кислоты входит в разряд опасных процессов и требует точного поддержания параметров и настроек всех механизмов, так как существует опасность попадания соляной кислоты в атмосферу и возникновению чрезвычайной ситуации, аварии с возможными жертвами среди персонала.
Таким образом автоматизация и электропривод печи регенерации отработанного травильного раствора является актуальной темой для изучения.

1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Прибывшую железнодорожную цистерну с концентрированной соляной кислотой устанавливают для разгрузки в районе склада соляной кислоты (поз. 58, рисунок 1). Перед откачкой кислоты из цистерны отбирают пробу для определения показателей качества согласно схемам входного контроля. Проводят проверку исправности кислотных трубопроводов и запорной арматуры. В баке-нейтрализаторе (поз. 59, рисунок 1) кислоты быть не должно.
Для создания разряжения во всасывающих трубопроводах необходимо:
- заполнить водокольцевой вакуум-насос (поз. 60, рисунок 1) водой и обеспечить ее непрерывную циркуляцию через водокольцевой вакуум-насос,
- открыть вентиль вакуум-линии над вакуум-бачком (поз. 58, рисунок 1),
- закрыть вентиль на воздушной линии вакуум-бачка,
- открыть вентиль на всасе водокольцевого вакуум-насоса (поз. 60, рисунок 1) и включить вакуум-насос,
- проверить поступление кислоты в вакуум-бачок (поз. 58, рисунок 1) из цистерны,
- заполнить вакуум-бачок соляной кислотой и закрыть вентиль вакуума, при этом недопустимо засасывание кислоты в бак-нейтрализатор,
- выключить водокольцевой вакуум-насос и закрыть вентиль на всасе,
- закрыть подачу воды на водокольцевой вакуум-насос, слить воду из водокольцевого вакуум-насоса.
Для откачки кислоты из железнодорожной цистерны необходимо:
- открыть вентиль нагнетательного трубопровода насоса (поз. 61, рисунок 1) для заполнения его кислотой, после чего вентиль закрыть и открыть вентиль на баке хранения концентрированной соляной кислоты (поз. 57, рисунок 1),
- включить насос (поз. 61, рисунок 1) и повторно открыть вентиль

Рисунок 1. Функциональная схема установки регенерации отработанного травильного раствора
нагнетательного трубопровода насоса,
- убедиться в поступлении кислоты в бак хранения концентрированной соляной кислоты и в отсутствии утечек кислоты из трубопроводов и запорной арматуры.
По окончании откачки кислоты из цистерны необходимо:
- промыть всю систему технической водой,
- выключить насос и закрыть вентили на нагнетательном и всасывающем трубопроводах.
Отработанный травильный раствор, из циркуляционного бака первой травильной ванны НТА, подается на склад растворов участка регенерации в один из четырех баков отработанного травильного раствора (поз. 1, рисунок 1). Для этого необходимо:
- открыть вентиль на трубопроводе бака, в который будет подаваться отработанный травильный раствор,
- вести контроль процесса заполнения бака травильным раствором.
Промывная вода из циркуляционного бака промывной ванны непрерывно травильного агрегата подается на склад растворов участка регенерации в бак промывной воды (поз. 10, рисунок 1) аналогично подаче отработанного травильного раствора.
Регенерация соляной кислоты из отработанного травильного раствора осуществляется с помощью двух установок фирмы «Рутнер», работающих вместе или поочередно.
Из баков (поз. 1, рисунок 1) отработанный травильный раствор, одним из двух насосов (поз. 2, рисунок 1), через фильтры (поз. 3, рисунок 1), подается по полипропиленовому трубопроводу на всас пневматического насоса (поз. 4, рисунок 1).
Пневматическим насосом (поз. 4, рисунок 1) отработанный травильный раствор по тефлоновому трубопроводу подается на сопла (поз. 5, рисунок 1) печи-реактора (поз. 6, рисунок 1).
С помощью сопел происходит распыление отработанного травильного раствора в печи-реакторе.
В печи-реакторе происходит испарение неиспользованной при травлении свободной соляной кислоты и термическое разложение (пирогидролиз) хлористого железа, полученного при травлении металла с образованием паров соляной кислоты (HCl) и твердой фазы оксида железа (Fe2O3).
Процесс термического разложения в печи-реакторе идет по реакции
4FeCl2 + 4H2O + O2 = 2Fe2O3 + 8HCl↑
2FeCl3 + 3H2O = 2Fe2O3 + 6HCl↑
Образующийся в результате реакции оксид железа обжигается и осаждается в виде порошка в конусной части печи-реактора (поз. 6, рисунок 1).
Газообразные продукты обжига, выходящие из верхней конусной части печи-реактора, проходят сдвоенный циклон (поз. 7, рисунок 1), где уносимая вместе с газом мелкая пыль оксида железа, отделяется и, через два лопастных затвора, возвращается в печь-реактор.
Температура в зонах печи-реактора:
- в зоне горелок от 500 до 750 °С,
- в зоне головки печи-реактора от 350 до 500 °С,
- в дымоходе печи-реактора от 380 до 410 °С,
- разрежение в печи-реакторе должно быть от минус 30 до минус 20 мм водяного столба (или от минус 294,3 до минус 196,2 Па).
Отходящие после циклона газы, поступают в нижнюю часть абсорбционной колонны (поз. 9, рисунок 1). В верхнюю часть колонны, противотоком восходящему потоку газа, подается промывная вода.
Из бака (поз. 10, рисунок 1) промывная вода, одним из насосов (поз. 11, рисунок 1), через фильтры (поз. 12, рисунок 1), подается в бак промывной воды (поз.13, рисунок 1).
Промывная вода из бака (поз. 10, рисунок 2), пневмонасосом (поз. 32, рисунок 1), по полипропиленовому трубопроводу, подается в верхнюю часть абсорбционной колонны (поз. 9, рисунок 1). В случае аварийного прекращения подачи промывной воды автоматически открывается обратный клапан (поз. 15, рисунок 1) и вместо промывной воды, из бака технической воды (поз. 14, рисунок 1), в систему подается техническая вода.
По всей высоте абсорбционной колонны, из восходящего потока газа, абсорбируется соляная кислота и стекает в нижнюю часть абсорбционной колонны. В результате, в нижней части абсорбционной колонны, образуется раствор регенерированной соляной кислоты следующего химического состава:
- массовая концентрация суммарной соляной кислоты (190±20) г/дм3,
- массовая концентрация железа общего (20±10) г/дм3.
Требуемая массовая концентрация суммарной соляной кислоты в регенерированном растворе достигается путем изменения объема подаваемой в верхнюю часть абсорбционной колонны промывной воды.
Из нижней части абсорбционной колонны регенерированная соляная кислота, самотеком, поступает в один из баков регенерированной кислоты (поз. 16, рисунок 1) на склад растворов регенерации.
Проходя далее через газоотводящий вентилятор (поз. 17, рисунок 1), смесь отходящих газов частично очищается от остаточных паров соляной кислоты и пыли оксида железа с помощью технической воды, подаваемой в газоотводящий вентилятор через сопло-форсунку.
Частично очищенные отходящие газы далее направляются в орошаемый скруббер (поз. 18, рисунок 1) с насадкой из полипропиленовых колец, где орошаются раствором гидроксида натрия. В результате происходит нейтрализация остаточных паров соляной кислоты.
Очищенные газы выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Раствор гидроксида натрия поступает из бака (поз. 19, рисунок 1) на всас насоса (поз. 20, рисунок 1).
Порошок оксида железа, получающийся в печи-реакторе, из нижней конусной части печи-реактора, через дробилку (поз. 21, рисунок 1), служащую для измельчения спекшихся кусков оксида железа и лопастной затвор (поз. 22, рисунок 1), поступает в трубопровод пневмотранспорта (поз. 23, рисунок 1). Под воздействием разряжения, создаваемого вентилятором транспортировки оксида железа (поз. 24, рисунок 1), через рукавный фильтр (поз. 25, рисунок 1), порошок оксида железа направляется в бункер оксида железа (поз. 26, рисунок 1). При этом оксид железа накапливается в рукавном фильтре (поз. 25, рисунок 1) и периодически встряхивается импульсом воздуха в бункер (поз. 26, рисунок 1), а очищенный от порошка оксида железа воздух выбрасывается в атмосферу через вытяжную трубу (поз. 27, рисунок 1).
К загрузочной головке (поз. 28, рисунок 1) порошок оксида железа подается через пневмоприводную листовую задвижку и лопастной питатель (поз. 29, рисунок 1).
В окомкователь (поз. 30. рисунок 1) оксид железа поступает последовательно через листовую пневмоприводную задвижку и лопастной питатель (поз. 31, рисунок 1). Одновременно в окомкователь подается техническая вода через форсунки. При вращении окомкователя (поз. 30, рисунок 1) образуются окатыши оксида железа.
Для отгрузки оксида железа в виде окатышей необходимо:
- открыть заслонки на линии отсоса пыли от окомкователя,
- включить окомкователь со скребком,
- включить шнек и лопастной питатель (поз. 31, рисунок 1),
- открыть заслонку и подать порошок оксида железа в окомкователь со скребком (поз. 30, рисунок 1),
- подать техническую воду на форсунки окомкователя,
- отрегулировать подачу порошка оксида железа и воды в окомкователь.
Для отгрузки оксида железа в виде порошка необходимо:
- открыть заслонки на линии отсоса пыли от загрузочной головки (поз. 28, рисунок 1),
- опустить загрузочную головку,
- одеть на патрубок загрузочной головки горловину контейнера (поз. 65, рисунок 1),
- открыть пневмозаслонку и включить шлюзовой питатель (поз. 29, рисунок 1) для заполнения резинокордного контейнера.
Каждая установка регенерации работает по двум основным технологическим программам (в зависимости от сложившейся производственной ситуации):
- программа запуска печи-реактора ( программа “На воде”),
- программа переработки отработанного травильного раствора (программа “На кислоте”).
Программа “На воде” применяется при пуске или остановке печи-реактора, а также при промывке фильтров и сопел в соплодержателях печи-реактора. Программа включается автоматически при нажатии с пульта управления установок регенерации кнопки “Вода в соплодержатели”. При этом, техническая вода из бака (поз. 14, рисунок 1), через пневматический клапан (поз. 15, рисунок 1), с помощью пневматического насоса (поз. 32, рисунок 1), через сопла (поз. 5, рисунок 1), подается в печь-реактор (поз. 6, рисунок 1). Давление воды перед соплами составляет от 6,3 до 6,5 кгс/см2 (61,74 × 10 4-63,7 × 10 4 Па).
В это же время, в абсорбционную колонну (поз. 46, рисунок 1), подается промывная вода, которая самотеком поступает в бак промывной воды (поз. 10, рисунок 1). Количество промывной воды, подаваемой в абсорбционную колонну, регулируется таким образом, чтобы перелив с колонны не превышал 2/3 от диаметра смотрового стекла (определяется визуально).
В программе “На кислоте” отработанный травильный раствор поступает по трубопроводу через сопла (поз. 5, рисунок 1) в печь-реактор (поз. 6, рисунок 1), а регенерированная кислота из абсорбционной колонны (поз. 46, рисунок 1), через клапан (поз. 33. рисунок 1), по трубопроводу, самотеком поступает в один из баков (поз. 16, рисунок 1) склада растворов.





2 ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ
2.1 Требования к системе в целом
2.1.1 Требования к структуре и функционированию системы

Система АСУ ПРСК должна быть реализована как многоуровневая система, включающая:
- уровень непосредственного управления и сбора данных, основанный на использовании существующих датчиков, электроприводов и исполнительных механизмов (уровень 0),
- уровень автоматического управления с использованием программируемого логического контроллера (уровень 1),
- уровень 2 предназначен для оптимизации технологического процесса, координации работы всех подсистем, визуализации информации о ходе технологического процесса и состоянии оборудования, передаче управляющих воздействий оператора на уровень 1.
В основу построения системы должны быть положен принцип открытости, позволяющий по мере разработки включать в состав системы новые задачи без корректировки программного обеспечения (ПО), технического обеспечения (ТО), информационного обеспечения (ИО) и других видов обеспечения действующих задач.
Режим функционирования системы – круглосуточный.
Быстродействие системы должно обеспечивать устойчивую работу систем агрегата. Система должна максимально использовать возможности существующего оборудования в ПДС ОАО «НЛМК».
Компоненты системы должны быть оснащены встроенными средствами диагностики обеспечивающими:
- логический контроль входной информации от датчиков системы,
- сигнализацию о нарушениях в работе с локализацией неисправностей,
- возможность ее последующего наращивания и развития в условиях действующего агрегата.
2.1.2 Требования к надёжности
Должны быть обеспечены следующие показатели надежности:
коэффициент готовности не менее 0,98;
время восстановления функционирования после отказа не более 30 минут;
наработка на отказ технических средств должна составлять не менее 5000 часов;
срок службы не менее 10 лет. Должна иметься возможность продления этого срока путем замены отслуживших свой срок элементов на новые;
Показатели надежности системы и реализуемых ею функций должны соответствовать ГОСТ 24.701.
2.1.3 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению компонентов системы
Обслуживание и ремонт технических средств должно осуществляться персоналом, закрепленным за электрооборудованием и системой автоматизации данной установки ПДС, в соответствии с установленным порядком на ОАО «НЛМК».
Техническое обслуживание, ремонт и хранение компонентов системы должно осуществляться в соответствии с требованиями технических описаний и инструкций по эксплуатации на соответствующие компоненты системы.

2.2 Требования к безопасности
2.2.1 Требования к безопасности эксплуатации
Требования безопасности являются приоритетными по отношению к другим требованиям. Система управления должна быть построена таким образом, чтобы ошибочные действия оперативного персонала или отказы технических средств не приводили к ситуациям, опасным для жизни и здоровья людей:
- система управления должна иметь аппаратно реализуемую блокировку работы с местного пультов управления и с постов управления,
- электрические изделия, используемые в системе, должны удовлетворять требованиям ГОСТ 12.2.007,
- руководствоваться межотраслевыми правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок (ПОТ РМ 016-2001 РД 153-34.0-03.150-00),
- пожарная безопасность согласно ГОСТ 12.1.004 Пожарная безопасность. Общие требования,
- должна быть предусмотрена защита от несанкционированных действий персонала.
Система должна соответствовать:
- общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.003.,
- требованиям по безопасности оборудования информационных технологий в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60950-2002.
Все внешние элементы технических средств, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения, а сами технические средства иметь защитное заземление в соответствии с «Правилами устройства электроустановок».
Технические средства системы должны быть установлены с соблюдением требований содержащихся в технической документации на них и так, чтобы обеспечивалась их безопасная эксплуатация и техническое обслуживание.
Установка относится к классу электроустановок напряжением до 1000 В. При монтаже, эксплуатации, обслуживании и ремонте необходимо руководствоваться правилами технической эксплуатации и правилами устройства электроустановок.
2.2.2 Требования по сохранности информации при авариях и от несанкционированного доступа
Должна быть обеспечена сохранность рабочих программ и информационных массивов при отказах технических средств, в том числе и при отключении электропитания, некорректных действий обслуживающего персонала. В системе должна быть предусмотрена защита от несанкционированного изменения, добавления и удаления данных, полученных в результате функционирования.

2.2.3 Требования к защите от внешних воздействий
Установка элементов КТС системы должна производиться в помещениях постов управления, удовлетворяющих требованиям эксплуатации этих устройств, указанных в технической документации.
С целью защиты от электромагнитных воздействий, линии связи с датчиками сигналов должны быть выполнены экранированным кабелем с витыми парами проводников для каждого сигнала.

2.3 Требования к функциям, выполняемым системой
Система управления должна соответствовать структурной схеме цикла печей регенерации (Рисунок 3) и выполнять следующие функции:
- выбор режима работы: автоматический или ручной,
- индивидуальное задание отдельных параметров,
- выбор режима работы: “на кислоте” или “на воде”.

2.4 Требования к видам обеспечения системы
2.4.1 Требования к информационному обеспечению
В основу построения информационного обеспечения должны быть положены следующие принципы:
- однократного ввода и многократного использования информации внутри системы,
- помехоустойчивое кодирование и защита от разрушения и несанкционированного доступа.
2.4.2 Требования к техническому обеспечению
КТС должен обеспечивать:
- реализацию функций системы,
- возможность проведения профилактических и ремонтных работ, поэтапный ввод системы в эксплуатацию,
- достаточные возможности по быстродействию, производительности, объемам хранимой информации,
- взаимозаменяемость одноименных технических средств без каких-либо изменений и регулировки отдельных устройств,
- возможность модернизации и развития системы.
КТС системы должен быть рассчитан на круглосуточную работу при условиях своевременного проведения профилактических ремонтов и обслуживания.
Электропитание КТС системы должно производиться от действующей трехфазной сети переменного тока 380/220 В, частотой 50 Гц.
Характеристики питания:
- номинальное линейное напряжение – 380 В (±10%),
- номинальное фазное напряжение – 220 В (±10%),
- число фаз – 3.
Технические средства, должны сохранять работоспособность при изменении частоты сети в пределах ±0,4 Гц. Качество электроэнергии должно соответствовать ГОСТ 13109-97. КТС должен представлять собой иерархическую, распределенную микропроцессорную систему, состоящую из аппаратно и программно совместимых технических средств.
2.4.3 Требования к программному обеспечению
Программное обеспечение (ПО) представляет собой комплекс стандартного ПО (поставляемого в комплекте с техническими средствами) и прикладных программ (совокупность программных модулей, обеспечивающих реализацию функций системы). Технический персонал должен быть знаком с языком программного обеспечения либо поставщик должен обеспечить обучение.
Перечень стандартных программных средств:
- среда разработки для контроллера,
- пакет разработки системы визуализации.
Прикладное ПО должно обладать следующими свойствами:
- функциональной достаточностью,
- надежностью,
- открытостью для дальнейшего расширения и усовершенствования,
- удобством эксплуатации.
Все применяемые стандартные программные средства должны иметь лицензию и быть представлены в виде дистрибутивов.
2.4.4 Требования к организационному обеспечению
Структура организационного обеспечения должна предусматривать:
оперативное обслуживание системы,
сопровождение программного обеспечения.
Инструкции по эксплуатации системы должны определять действия персонала во всех режимах функционирования системы. Должны содержать конкретные указания о действиях в случае возникновения аварийной ситуации или нарушения нормальных условий функционирования.
Контроль АСУ ПРСК в блоке химических установок ПДС произвести в соответствии с:
- ГОСТ 34.603—92 «Информационная технология. Виды испытаний автоматизированных систем»,
- СНиП 3.05.07-85 «Системы автоматизации»,
- СТП СМК 05757665-6.3-002-2004 Порядок реализации годовых программ капитальных вложений в развитие информационных систем и систем управления ОАО «НЛМК».

2.5 Требования по стандартизации и унификации
Система автоматизации по возможности должна базироваться на применении современных программно-аппаратных средств, уже используемых и апробированных на ОАО «НЛМК», либо планируемых к внедрению в качестве типового проектного решения. Предпочтительным является применение открытых систем, имеющих общеизвестные или детально описанные интерфейсы, допускающих дальнейшую модернизацию, стыковку с другими системами и наращивание функций.
В рамках разрабатываемой системы следует по возможности унифицировать:
формы представления информации;
методы взаимодействия с оператором (способ построения диалога);
применяемые алгоритмы.

2.6 Основные требования к системе электропривода
Должны быть обеспечены следующие показатели надежности:
коэффициент готовности не менее 0,98;
время восстановления функционирования после отказа не более 30 минут;
наработка на отказ технических средств должна составлять не менее 5000 часов;
срок службы не менее 10 лет. Должна иметься возможность продления этого срока путем замены отслуживших свой срок элементов на новые;
- обеспечивать плавное регулирование скорости и необходимый диапазон регулирования,
- должен сохранять работоспособность при длительных отклонениях: напряжения питающей сети на +10% -15% от номинального значения, частоты питающей сети на ±2% от номинального значения,
- измерительная и сигнальная аппаратура должна быть расположена на фасаде шкафов (пультов) НКУ в местах, удобных для наблюдения, а органы управления – в местах с удобным доступом.











3 СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Автоматизированная система управления печами регенерации соляной кислоты (АСУ ПРСК) предназначена для управления режимами работы двух печей регенерации соляной кислоты и контроля параметров склада кислот. Две установки регенерации отработанных травильных растворов фирмы «Рутнер» (Австрия) содержат:
- производительность 12 м3/ч регенерированного травильного раствора от 1000 до 1100 кг/ч порошка оксида железа,
- степень извлечения соляной кислоты до 98 %,
- коэффициент использования оборудования 91,7 %.
Расход природного газа на две установки от 1000 до 1200 м3/ч.
Функциональная схема установки регенерации отработанного травильного раствора фирмы «Рутнер» представлена на рисунке 1.
Обжиговая печь-реактор (поз. 6, рисунок 1) предназначена для термического разложения отработанного травильного раствора на газообразный хлористый водород и оксид железа. По конструкции - стальной вертикальный цилиндрический аппарат, верхняя и нижняя часть которого конусообразны. Внутренняя поверхность печи-реактора (кроме верхней конусной части) футерована огнеупорными материалами. Наружная поверхность печи-реактора (кроме корпуса горелок) термоизолирована (d = 200 мм).

Комплектующее оборудование печи-реактора.
Печь-реактор (поз. 6, рисунок 1) снабжена четырьмя тангенциально расположенными рабочими горелками (поз. 40, рисунок 1), принудительного смешения газа и воздуха, работающих на природном газе и служащих для создания заданных температур в рабочих зонах печи. Тип горелки R40, производительность горелки до 2400000 ккал/ч. Расход газа на одну горелку до 150 м 3/ч, воздуха до 2000 м 3/ч. Давление газа:
- рабочее 500 мм вод. ст. (4905 Па),
- максимальное 1400 мм вод. ст. (13734 Па).
Давление воздуха:
- рабочее 800 мм вод. ст. (7848 Па),
- минимальное 500 мм вод .ст. (4905 Па).
Зажигательные горелки (поз. 40/1, рисунок 1) осуществляют зажигание основных (рабочих) горелок (поз. 40, рисунок 1). При достижении половины производительности основных горелок зажигательные горелки автоматически отключаются. Каждая рабочая горелка снабжена своей зажигательной горелкой (тип зажигательной горелки ZUVE 48М8-8).
Дутьевой вентилятор (поз. 41, рисунок 1) предназначен для подачи воздуха в рабочие и зажигательные горелки. Производительность вентилятора 12000 м3/ч.
Дробилка (поз. 21, рисунок 1) предназначена для дробления возможных комков оксида железа, который поступает из печи-реактора. Дробилка состоит из литого корпуса, внутри которого расположены два валка с четырехгранными дисками. Лопастной затвор (поз. 22, рисунок 1) предназначен для подачи порошка оксида железа из дробилки (поз. 21, рисунок 1) в трубопровод пневмотранспорта (поз. 23, рисунок 1). Максимальная производительность лопастного затвора при стопроцентном заполнении составляет 8,0 м3/ч по порошку оксида железа.
Устройство для ввода в печь-реактор и вывода сопловых труб из печи-реактора (поз. 38, рисунок 1). Вывод сопловой трубы происходит принудительно за счет перемещения поршня пневмоцилиндра. Опускание сопловой трубы происходит под действием собственного веса. Устройство для отклонения сопловой трубы (поз. 43, рисунок 1) после ее вывода из печи-реактора (для предотвращения сгорания полипропиленовой сетки соплового фильтра).
Сдвоенный циклон (поз. 7, рисунок 1) предназначен для отделения ок-
сида железа, уносимого с отходящими газами, и возвращения его в печь-реактор. Циклон укомплектован двумя лопастными затворами (поз. 8, рисунок 1), которые подают оксид железа из циклона в печь-реактор.
Коллектор природного газа (поз. 48, рисунок 1) состоит из стальных трубопроводов с диаметром 300, 150, 100, 80 мм, ручного шарового клапана, электромагнитного быстрозакрывающегося клапана (БЗК). Коллектор снабжен датчиками максимального и минимального давления и манометром.
Газоотводящий вентилятор (поз. 17, рисунок 1) предназначен для отвода отходящих газов из печи-реактора через абсорбционную колонну (поз. 9) и выброса их в атмосферу.
“Аварийный” бак (поз. 14, рисунок 1) - предназначен для хранения технической воды, необходимой для промывки пневмонасосов и напорных трубопроводов при установке и запуске установки регенерации, а также для обеспечения беспрерывной работы установки регенерации при выходе из строя центробежных насосов промывной воды на складе растворов. В баке имеется перелив и установлен регулятор уровня.
При отсутствии подачи промывной воды со склада растворов, под давлением столба жидкости открывается обратный клапан (поз. 15, рисунок 1) и техническая вода из “аварийного” бака (поз. 14, рисунок 1) поступает в пневмонасосы (поз. 32, рисунок 1) загрузки абсорбционной колонны (поз. 9, рисунок 1).
При отсутствии подачи отработанного травильного раствора автоматически открывается пневматический клапан PV104 или PV204 и техническая вода из “аварийного” бака (поз. 14, рисунок 1) поступает в пневмонасосы (поз. 32, рисунок 1) загрузки печи-реактора. Пневмонасос отработанного травильного раствора (поз. 4, рисунок 1) предназначен для подачи отработанного травильного раствора под давлением в печь-реактор.
Для предотвращения скачкообразных изменений подачи раствора в печь-реактор, в конце рабочего хода оба бака работают одновременно на опорожнение в течение 10 с. Цикл работы насоса 2 минуты. Максимальное давление раствора после насоса 8 кгс/см2 (78×104 Па). Производительность пневмонасоса отработанного травильного раствора до 8 м3/ч.
Пневмонасос промывной воды (поз. 32, рисунок 1) предназначен для подачи промывной воды на сопло абсорбционной колонны (поз. 46, рисунок 1) и в печь-реактор (поз. 6, рисунок 1). Конструкция и принцип действия пневмонасоса промывной воды аналогичны пневмонасосу отработанного травильного раствора. Заполнение бака происходит за счет гидростатического давления столба жидкости от баков промывной или технической воды (поз. 13, 14, рисунок 1).
Цикл работы насоса 2 минуты, максимальное давление воды после насоса 6 кгс/см2 (59•104 Па), производительность до 8 м3/ч. Управление работой пневмонасосов (поз. 32, рисунок 1) производится автоматически с помощью распределительного шкафа (поз. 47, рисунок 1), управляемого микропроцессором.
Раствор гидроксида натрия, из нижней части скруббера, подается на сопло орошения верха скруббера. При достижении значения pH менее 8,0 в растворе гидроксида натрия, от рН-метра поступает сигнал на микропроцессор, который включает электрическую цепь на катушку электромагнитного клапана. Клапан открывается и раствор гидроксида натрия из бака (поз. 19, рисунок 1) поступает на всас насоса (поз. 20, рисунок 1).
При повышении значения pH более заданного в растворе гидроксида натрия, электромагнитный клапан закрывается по команде микропроцессора.
Таким образом поддерживается заданное значение рН раствора гидроксида натрия для орошения скруббера. Фильтрующим элементом являются рукава из фильтрующей ткани, общая площадь фильтрующей поверхности 100 м2, количество рукавов 72 шт., длина рукава 3000 мм.
Характеристика тягодутьевых устройств.
Центробежный вентилятор установки регенерации: тип вентилятора - VZE 17д, производительностью 33500 м3/ ч, частота вращения двигателя 314 с-1, мощность электродвигателя 160 кВт.
Центробежный вентилятор системы пневмотранспорта оксида железа: тип вентилятора VZE 14-03, производительностью 11000 м3/ч, частота вращения двигателя 24,5 с-1, мощность электродвигателя 45 кВт.
Насос орошения скруббера (поз. 20, рисунок 1) предназначен для подачи щелочного раствора на сопло орошения насадки скруббера. Из нижней конической части скруббера, на всас насоса орошения скруббера (поз. 20, рисунок 1), поступает щелочной раствор.
Компрессорная установка (поз. 53, рисунок 1) предназначена для обеспечения сжатым воздухом пневматических систем установок регенерации и состоит из двух винтовых компрессоров типа “CS-90” с электродвигателями, двух воздушных ресиверов вместимостью 3000 дм3 каждый, арматуры и трубопроводов.
Винтовой компрессор типа “CS-90” производительностью 465 м3/ч, максимальное давление воздуха 10 кгс/см2 (98×104 Па). Электродвигатель мощностью 55 кВт, частота вращения 25 с-1. Один работающий компрессор обеспечивает участок регенерации необходимым количеством сжатого воздуха на длительное время, один компрессор находится в резерве. Работа на сжатом воздухе от заводской сети возможна только для безаварийной остановки установок регенерации.

Оборудование окисной станции.
Оборудование окисной станции предназначено для пневматической транспортировки порошка оксида железа из печи-реактора (поз. 6, рисунок 1) в бункер оксида железа (поз. 26, рисунок 1). Две печи-реакторы имеют одну систему пневмотранспорта производительностью 1300 кг/ч.

Оборудование системы пневмотранспорта.
Вентилятор высокого давления (поз. 24, рисунок 1) предназначен для создания разряжения в системе пневмотранспорта и выброса очищенного, с помощью рукавного фильтра (поз. 25, рисунок 1), воздуха в атмосферу. Производительность вентилятора 12000 м3/ч.
Двойной лопастной дозатор (поз. 29, рисунок 1) предназначен для подачи оксида железа из бункера к бестарной загрузочной головке (поз. 28, рисунок 1). Представляет собой два лопастных колеса, вращающихся на параллельных осях в противоположные стороны. Лопастной затвор (поз. 31, рисунок 1) - предназначен для подачи оксида железа в окомкователь (поз. 30, рисунок 1). По конструкции - аналогичен лопастному затвору печи-реактора. Производительность меняется в зависимости от числа оборотов электродвигателя.
Загрузочная головка (поз. 28, рисунок 1) - предназначена для загрузки порошка оксида железа в контейнеры (поз. 65, рисунок 1). Подвод оксида железа к загрузочному конусу головки осуществляется по гофрированному рукаву из парусины (поз. 66, рисунок 1).
Окомкователь (поз. 30, рисунок 1) - предназначен для переработки порошка оксида железа в окатыши при помощи воды. Представляет собой вращающийся стальной диск диаметром 3400 мм. Изменение угла наклона диска производится винтовым приводом вручную. Окомкователь (поз. 30, рисунок 1) оборудован скребковым устройством с приводом и вибратором подачи оксида железа. Производительность окомкователя 3 т/ч гранулированного оксида железа.
Система обеспыливания предназначена для отсоса пыли от бестарной загрузочной головки (поз. 28, рисунок 1) и окомкователя (поз. 30, рисунок 1). Отсос пыли производится вентилятором системы пневмотранспорта (поз. 24, рисунок 1).







4 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ
4.1 Сведения об объекте автоматизации

Система АСУ ПРСК предназначена для управления режимами работы двух печей регенерации соляной кислоты и контроля параметров склада кислот. В состав оборудования участка регенерации соляной кислоты блока химических установок входят:
- две однотипные печи-реакторы фирмы «Рутнер» (Австрия) производительностью 6 м3/ч регенерированной соляной кислоты каждая,
- внутренний склад кислотных растворов с баками-хранилищами, насосами и трубопроводами для подачи растворов, фильтрами для фильтрования отработанного травильного раствора и промывной воды, с зумпфом и погружными насосами,
- окисная станции с бункером оксида железа,
- насосная станция откачки концентрированной соляной кислоты из железнодорожных цистерн с насосами для перекачки концентрированной соляной кислоты на склад кислотных растворов.

4.2 Описание существующей системы управления
Система управления процессом регенерации кислоты представляет собой три локальных системы:
- управление установкой регенерации №1 (контроллер Регенерация № 1),
- управление установкой регенерации №2 (контроллер Регенерация № 2),
- управление складом кислотных растворов (контроллер Общая часть).
Управление технологическим процессом регенерации соляной кислоты осуществляется с пульта управления. Пульт управления установок регенерации состоит из следующих частей: технологическая схема, шеститочечный самописец, терминал, печатающее устройство, вычислительная машина.
Технологическая схема (мнемосхема) даёт обзор установок регенерации, окисной станции, склада растворов. С помощью табло-кнопок
Таблица 1. Перечень средств измерений, назначенных для контроля технологического процесса и готовой продукции
Измеряемый
параметр Наименование
средства измерений Диапазон измерений, сигнал,
кол-во Погрешность (ПГ), цена деления (ЦД)
1 2 3 4
1 Температура в
зоне горелок
печи-реактора Преобразователь
термоэлектрический, вторичный прибор 0-900 0С,
4-20 мА, 3 ПГ ±1,5 %

2 Температура в
зоне головки
печи-реактора Преобразователь
термоэлектрический, вторичный прибор 0-600 0С,
4-20 мА, 4 ПГ ±1,5 %

3 Температура в
дымоходе
печи-реактора Преобразователь
термоэлектрический, вторичный прибор 0-600 0С,
4-20 мА, 4 ПГ ±1,5 %

4 Разрежение в
печи-реакторе Преобразователь
измерительный, вторичный прибор -30 ¸ -20 мм вод.ст.,
4-20 мА, 2 ПГ ±1,5 %

5 Давление воды перед соплами
Преобразователь
измерительный, вторичный прибор 0-10 кгс/см 2,
4-20 мА, 2 ПГ ±1,5 %

6 Водородный показатель (рН) в скруббере рН-метр 2-12 рН,
4-20 мА,2 ЦД ±0,1 рН
7 Расход природного газа Расходомер 0-1600 м 3/ч,
4-20 мА, 2 ПГ ±3,0 %
8 Расход газа на одну горелку Расходомер 0–304,9 м 3/ч,
4-20 мА, 8 ПГ ±3,0 %

Продолжение таблицы 1.
1 2 3 4
9 Расход воздуха на одну горелку Расходомер 0–2441,6 м 3/ч,
4-20 мА, 8 ПГ ±3,0 %
10 Давление газа Напоромер
0-1400 мм вод. ст., 4-20 мА, 8 ПГ ±1,5 %
11 Давление воздуха Напоромер
0-800 мм вод. ст., 4-20 мА, 8 ПГ ±1,5 %
12 Давление раствора Преобразователь измерительный, вторичный прибор 0-10 кгс/см 2,
4-20 мА, 18 ПГ ±1,5 %
13 Объем раствора Бак-мерник 0-5 м 3,
4-20 мА, 4 ПГ ±5 %
14 Давление сжатого воздуха Манометр 0-10 кгс/см 2,
4-20 мА, 2 ПГ ±1,5 %
15 Расход раствора Расходомер 0-9 м 3/ч,
4-20 мА, 2 ПГ ±3,0 %
16 Время Часы любой
системы 0-24 ч ЦД 1 мин.
17 Температура раствора Преобразователь термоэлектрический, вторичный прибор 0-160 0С,
4-20 мА, 5 ПГ ±1,5 %
18 Объем технической воды Бак-мерник 0-10 м 3,
4-20 мА, 1 ЦД 0,05 м 3
19 Время Секундомер 0-60 с ПГ ±0,4 с
20 Объем концентрированной соляной кислоты Бак-мерник 0-5 м 3,
4-20 мА, 2 ЦД 0,05 м 3
21 Объем раствора Бак-мерник 0-10 м 3,
4-20 мА, 2 ЦД 0,05 м 3

Таблица 2. Состав контроллера Регенерация № 1
Тип платы PBS MIDI Функциональное назначение Кол-во адресов
IDP Цифровая входная карта 104
ICA Аналоговая входная карта 16
ODP Цифровая выходная карта 106
IRA Аналоговая входная карта для Рt-100 8
OCAH Аналоговая выходная карта 9

Таблица 3. Состав контроллера Регенерация № 2
Тип платы PBS MIDI Функциональное назначение Кол-во адресов
IDP Цифровая входная карта 104
ICA Аналоговая входная карта 16
ODP Цифровая выходная карта 106
IRA Аналоговая входная карта для Рt-100 8
OCAH Аналоговая выходная карта 9

Таблица 4. Состав контроллера Склад кислот
Тип платы PBS MIDI Функциональное назначение Кол-во адресов
IDP Цифровая входная карта 96
ICA Аналоговая входная карта 10
ODP Цифровая выходная карта 76
IRA Аналоговая входная карта для Рt-100 2
OCAH Аналоговая выходная карта 1

технологической схемы возможен пуск в работу и остановка установки регенерации. Сигнальные табло схемы оповещают о неисправности оборудования. Шеститочечный самописец записывает установки по температурному режиму: температура в зоне горелок, температура головки печи, температура газа на выходе из печи, температура низа колонны, температура верха колонны, температура на выходе из дробилки.
Терминал является справочным устройством для оператора (отражаются уровни баков, расход регенерированной кислоты и т. д.).
Печатающее устройство служит для ведения протокола о работе установки. Все неисправности оборудования печатаются с указанием всех данных и нормированием времени. Вычислительная машина служит для регулирования и управления установки. Экран с клавиатурой служит для опроса параметров установки.
Периферийная система КИПиА включает в себя: датчик наличия пламени «ULTRA-VISION» C7012E фирмы «Хонейвел» США – 8 шт.; электропневматические позиционеры SRI 982 ECKARDT – 18 шт.; датчики-преобразователи дифференциального давления 823DP фирмы «FOXBORO» США – 18 шт.; электромагнитные клапаны «MARTONAIR» - 50 шт.; термометры сопротивления «SEIKO» Pt100 – 16 шт., рН метры – 2шт.; датчики уровня АЕС 200 – 9 шт. Наименование средств измерений, диапазон измерений и тип сигнала представлены в таблице 1.
Для автоматического контроля и выработки сигналов управления применен логический контроллер PBS MIDI/C08 фирмы «SATT Electronics», в таблицах 2, 3 и 4 показан состав входов/выходов контроллеров.

4.3 Описание функций существующей системы управления
Управление технологическим процессом на каждой установке регенерации осуществляется вычислительной машиной. Установки регенерации оснащены локальными автоматическими системами контроля, регулирования и управления технологическим процессом.
Система автоматического регулирования теплового режима печи-реактора обеспечивает поддержание заданной температуры обжиговых газов, выходящих из печи-реактора.
В состав системы входят следующие регуляторы: регулятор температуры газа на выходе из печи-реактора, регулятор соотношения газ-воздух на горелках печи-реактора, регулятор расхода газа на горелки.
Система автоматического регулирования разряжения в печи-реакторе обеспечивает постоянное заданное разрежение. Регулирование разряжения в печи-реакторе осуществляется дроссельной заслонкой, установленной перед вытяжным вентилятором (поз. 24, рисунок 1).
Система автоматического регулирования уровней в промежуточном баке для промывной воды и в “аварийном” баке воды обеспечивает поддержание уровня жидкости в заданных пределах.
Система автоматического регулирования уровня сточных вод в зумпфе (поз. 69, рисунок 1) обеспечивает своевременную передачу сточных вод на нейтрализацию или в баки склада растворов, предохраняя зумпф от переполнения.
Управление технологическим процессом на каждой установке регенерации осуществляется ЭВМ, которая выполняет следующие функции:
- контролирует последовательность действий аппаратчика при пусках, остановках и переключениях режимов,
- поддерживает параметры работы установки при установившемся режиме.
Терминал является справочным устройством для оператора (отражаются уровни баков, расход регенерированной кислоты и т. д.)
Печатающее устройство служит для ведения протокола о работе установки. Все неисправности оборудования печатаются с указанием всех данных и нормированием времени. Функциональная схема установки регенерации представлена на рисунках 2а и 2б. Обозначение позиций средств измерений, назначенных для контроля технологического процесса и готовой продукции, соответствуют номерам измерительных приборов из таблицы 1.


Рисунок 2а. Функциональная схема установки регенерации соляной кислоты

Рисунок 2б. Функциональная схема установки регенерации соляной кислоты


4.4 Предпосылки к модернизации
Система АСУ ПРСК предназначена для управления режимами работы двух печей регенерации соляной кислоты и контроля параметров склада кислот. Целями создания новой системы являются:
1) замена изношенного и устаревшего оборудования,
2) повышения надежности работы агрегата,
3) обеспечение оперативного персонала диагностической информации,
4) повышение точности и скорости вычислений рассчитываемых технологических параметров.
Отсутствие системы диагностики и стендов для проверки блоков не позволяет оперативно устранять возникающие неисправности.
Отсутствие запасных частей ввиду того, что используемое оборудование не выпускается, не позволяет вовремя и качественно производить ремонтные работы средств автоматизации.
С целью повышения надежности работы агрегата, сокращения простоев при аварии и сбоях в работе, расширение функций выполняемых в автоматическом режиме и обеспечение возможности подключения агрегата в будущем к цеховой системе слежения целесообразно произвести модернизацию систему управления химической части агрегата.
Все функции, выполняемые существующей системой управления, должны быть перенесены на модернизируемую систему и дополнены с учетом возможностей новых технических средств. Такие системы обладают большим быстродействием, надежностью, имеют малые габаритные размеры. Система проста в эксплуатации и предоставляет пользователю большие возможности в диагностике и наладке системы управления. Имеет средства визуализации и управления, высокопроизводительные коммуникационные системы, являющиеся наиболее важными для распределённых систем.


4.5 Описание новой системы управления
Для осуществления автоматизации, контроля и управления технологическим процессом в печах предусмотрены три программируемых логических контроллера фирмы SIEMENS типа S7-400, по одному на каждую из двух печей и склад кислот. Каждый контроллер отвечает за выполнение тех же функций, что и существующая система автоматического управления. Структурная схема новой системы автоматического управления представлена на рисунке 4.
Для трёх контроллеров выбрана серия S7-400, исходя из следующих соображений:
- качественных характеристик микропроцессора,
- большой емкости памяти,
- надежности данного типа оборудования,
- стандартизации оборудования,
- оптимальная возможность коммуникации и объединения в сеть,
- имеющихся в распоряжении программ для создания проекта автоматизации и визуализации фирмы SIEMENS и в частности программирования контроллеров серии S7-400.
На рисунке 3 показана конфигурация оборудования контроллера установки регенерации №1. На рисунке показана стойка контроллера, укомплектованная модулем питания PS 407 10A, контроллером CPU 412-2 PN, три модуля дискретных входов (32 входа в каждом), три модуля дискретных выходов (32 выхода в каждом), четыре модуля аналоговых входов (16 входов в каждом), два модуля аналоговых выходов (8 выходов в каждом). Дискретные модули входов/выходов работаю с сигналом напряжения 24 В, два аналоговых модуля входов получают токовый сигнал 0-20 мА, два аналоговых модуля выходов выдают управляющий токовый сигнал 0-20 мА, один аналоговый модуль входов собирает данные с термометров сопротивления в виде сигнала Pt 100 Std., на один аналоговый модуль входов поступают сигналы двух типов: токовый 0-20 мА и Pt 100 Std.

Рисунок 3. Конфигурация оборудования контроллера установки регенерации №1

CPU 412-2 PN характеризуются следующими показателями:
- высокопроизводительный процессор: время выполнения двоичных операций не превышает 0.1 мкс.,
- быстродействующее RAM для выполнения секций программы пользователя: 1 Мбайт (по 512 Кбайт для программ и данных),
- гибкое расширение: до 65536 дискретных и до 4096 аналоговых входов-выходов,
- MPI интерфейс: встроенный MPI интерфейс позволяет создавать простейшие сетевые решения с подключением до 32 станций и обменом данными со скоростью до 12 Мбит/с. Одновременная поддержка до 16 соединений с MPI станциями или станциями, подключенными к внутренней коммуникационной шине (С-шине) контроллера,
- коммуникационных процессоров PROFIBUS и Ethernet: 14, из которых до 10 CP или IM в режиме ведущего DP устройства, до 4 контроллеров PNIO,
- переключатель режимов работы: для выбора режимов работы центрального процессора,
- диагностический буфер: кольцевой, для сохранения 120 последних сообщений об ошибках, отказах и прерываниях. Эта информация может считываться для анализа диагностической информации. Размер буфера может быть изменен,
- часы реального времени: диагностические сообщения центрального процессора снабжаются отметками даты и времени,
- карта памяти: для увеличения объема встроенной загружаемой памяти (512 Кбайт, RAM). Допускается использование карт памяти RAM или FEPROM. В этой области памяти сохраняется программа S7-400 и все необходимые для ее выполнения данные.
От стойки контроллера отходит интерфейс Industrial Ethernet на АРМ (автоматизированное рабочее место) технолога для предоставления информации о работе АСУ установки регенерации кислоты.
Полное дублирование данного контроллера по составу, функциям, подключениям и программе управления используется и на второй установке регенерации соляной кислоты из отработанного травильного раствора. Состав
контроллера, отвечающего за управление складом кислот, в данном отчёте не рассматривается. На рисунке 4 представлена упрощенная структура принципа построения системы автоматического управления используемого для блока химических установок (БХУ).
Стоит отметить, что состав, количество и расположение датчиков осталось неизменным после замены ПЛК. Они находятся в радиусе 20-50 метров от стоек ПЛК.
Сетевой коммутатор, свитч (от англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. Коммутатор передает данные только непосредственно получателю. Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались. Свитч

Рисунок 4. Структурная схема АСУ БХУ
работает на канальном уровне модели OSI, и потому в общем случае может только объединять узлы одной сети по их MAC-адресам.
Коммутатор хранит в памяти специальную таблицу (MAC-таблицу), в которой указывается соответствие MAC-адреса узла порту коммутатора. При включении switch эта таблица пуста, и он работает в режиме обучения. В этом режиме поступающие на какой-либо порт данные передаются на все остальные порты коммутатора. При этом свитч анализирует пакеты данных, определяя MAC-адрес компьютера-отправителя, и заносит его в таблицу. Впоследствии, если на один из портов коммутатора поступит пакет, предназначенный для этого компьютера, этот пакет будет отправлен только на соответствующий порт. Если MAC-адрес компьютера-получателя еще не известен, то пакет будет продублирован на все интерфейсы. Со временем коммутатор строит полную таблицу для всех своих портов, и в результате трафик локализуется.
Для надёжной бесперебойной работы системы управления и визуализации используется UPS (Uninterruptible Power Supply) или источник бесперебойного питания, источник вторичного электропитания, автоматическое устройство, назначение которого обеспечить подключенное к нему электрооборудование бесперебойным снабжением электрической энергией в пределах нормы.
Принтер, установленный вблизи автоматизированного рабочего места, состоящего из двух мониторов, на которые выведены данные о процессах программы WinCC, может использоваться для распечатки ежедневных рапортов, сменных рапортов, месячных рапортов, сигналов о неисправностях, тепловых балансов, температурных кривых и др.
Development PC (laptop- программатор) - портативный персональный компьютер для разработки. Программатор позволяет оперативно и безошибочно подключатся к контрольным точкам в системе управления, предусмотренными при проектировании и разработке данной системы, для отслеживания уровня настроенных параметров, необходимых для работы оборудования в заданных системой автоматизации режимах. Также позволяет снимать зависимости одних параметров от других с целью выявления сбоев в работе оборудования, которые невидны при обычном поиске неисправности.

4.6 Используемые протоколы связи
За основу прикладного программного обеспечения установок регенерации кислоты взяты программное обеспечение Simatic Step 7 и Simatic WinCC. Конфигурация hardware основана на системе Client-Serveur. Функции, интегрированные в систему Client-Serveur WinCC, позволяют нескольким пользователям получать доступ к одним и тем же данным проекта.
В конфигурации технических средств используется Industrial Ethernet - вариант Ethernet для применения в промышленности. Industrial Ethernet обычно используется для обмена данными между программируемыми контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса, реже для обмена данных между контроллерами и, незначительно, для подключения к контроллерам удаленного оборудования (датчиков и исполнительных устройств). Широкому применению Ethernet в последних задачах препятствует суть метода CSMA/CD, делающая невозможным гарантию обмена небольшим количеством информации с высокой частотой. Компоненты SIMATIC NET для Industrial Ethernet могут работать со скоростями передачи данных 10Мбит/с с двумя абонентами сети.
Отличия Industrial Ethernet от обычного EtherNet:
1) Стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость к агрессивным средам и т. п.
2) Специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи.
3) Дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC 1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами.
4) C помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, то есть находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях «алгоритм избыточного дерева».
5) Частое использование наряду со стеком протоколов TCP/IP специфического стека протоколов ISO Transport Protocol.
6) Использование протокола IEEE1588 для синхронизации устройств в сети.
Для обеспечения защиты каналов связи от единичного отказа необходимо их резервировать. Резервирование неизбежно ведет к возникновению кольцевых участков сети — замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet предусматривает только древовидную топологию и не допускает кольцевых, так как это приводит к зацикливанию пакетов.
Для системы используется протокол TCP/IP. Стеком протоколов TCP/IP называют набор сетевых протоколов, используемых в интернете. Протоколы транспортного уровня (Transport layer) могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.
TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности.



5 ЧЕЛОВЕКО-МАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Для создания системы наблюдения и визуализации предполагается использовать программу WinCC. Simatic WinCC (Windows Control Center) — система HMI, программное обеспечение для создания человеко-машинного интерфейса, составная часть семейства систем автоматизации Simatic, производимых компанией Siemens AG. Работает под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows.
Программное обеспечение WinCC предназначено для решения задач визуализации и оперативного управления производством, поточными линиями, установками и предприятиями. Мощный интерфейс управления процессом (особенно благодаря использованию продукции SIMATIC) и надежное архивирование данных обеспечивает создание отказоустойчивых решений для измерения и контроля.
Независимая от сферы применения система может быть универсальной в использовании во всех приложениях автоматизации. Индивидуальные решения могут быть реализованы, например, с помощью опций WinCC (например, опции FDA для фармацевтической промышленности) и специфических дополнений.
WinCC последовательно придерживается технологий Microsoft, что гарантирует максимально возможную открытость и возможность интеграции. Элементы ActiveX дают возможность создания специализированных расширений для конкретных технологических или отраслевых областей. Взаимодействие с оборудованием и ПО разных производителей также не представляет проблем. Основной причиной этого является тот факт, что WinCC поддерживает OPC и, следовательно, может выступать в роли клиента или сервера OPC, и в дополнение к доступу к текущим значениям параметров техпроцесса поддерживает такие стандарты, как OPC HDA (Historical Data Access - доступ к историческим данным) и OPC Alarm & Events (сообщения и события). Также немаловажно использование Visual Basic for Applications (VBA) для настраиваемых расширений в графическом дизайнере WinCC и Visual Basic Scripting (VBS) в качестве легкого для изучения языка с открытой платформой исполнения. При желании профессиональные разработчики приложений также могут воспользоваться ANSI-C. Помимо этого с помощью открытого пакета разработки Open Development Kit (ODK) обеспечивается легкий доступ к API-интерфейсам.
В WinCC V6 впервые в базовую систему была интегрирована мощная и гибкая система архивации Historian на базе Microsoft SQL Server 2000. Таким образом, пользователю предоставляется широкий выбор: от высокопроизводительной архивации текущих параметров процесса и долговременной архивации с высокоуровневым сжатием данных до централизованного информационного концентратора в виде общекорпоративного сервера Historian. Гибко реализуемые клиенты и средства для анализа, открытые интерфейсы и специальные опции (пакет Connectivity , Industrial DataBridge, лицензии клиентского доступа) формируют базис эффективной интеграции производственной и информационной инфраструктуры. Сама по себе WinCC не поддерживает резервированные сетевые соединения. Для резервированного подключения ПК к SIMATIC S7-400H по Industrial Ethernet требуется пакет S7-REDCONNECT. Он связывает SIMATIC S7-400H с приложениями на ПК, например, SIMATIC WinCC. Резервированные соединения, как правило, не могут быть реализованы с помощью оптических колец (см. каталог IKPI).
Для визуализации и управления технологическим процессом, работы с контроллерами, датчиками, конечными выключателями, электроприводами и гидроприводами, в качестве операционной системы выбирается Windows XP с управляющим центром WinCC, для оперативного управления и мониторинга.
Windows XP обеспечивает многозадачность с приоритетным выполнением, что гарантирует быструю реакцию на различные события процесса и высокую степень защиты от потери данных.


Рисунок 5. Структурная схема системы визуализации

На рисунке 5 изображена структурная схема системы визуализации, на которой изображены все возможные переходы между экранами. На рисунках 6, 7 и 8 показаны скриншоты основных окон человеко-машинного интерфейса, выполненного с помощью программы WinCC. На рисунках система показа в offline режиме, поэтому все значения и установки не соответствуют работающей установке. В системе используется около 90 тегов, поэтому с учётом запаса в 10-15% выбрана WinCC flexible 2005, runtime 128 powertags, с лицензией на одну установку, CD с прогр. обеспечением и документацией, лицензионный ключ на FD, предназначенная для работа под Win2000/XP prof. с заказным номером 6AV6613-1BA01-1CA0.
В верхней части экрана находятся статические зоны, то есть видимые при любых переходах между экранами, такие как: название установки, часы реального времени, с помощью которых отмечается время возникающих нарушений правильной работы печи регенерации, кнопки перехода между окнами «Готовность», «Установка», «Горение», «Графики», «Сообщения» и «Диагностика», краткий перечень сообщений об ошибках и кнопки сброса сирены и очистка поля ошибок.
На рисунке 6 показывается окно с параметрами готовности установки регенерации к работе, зелёным цветом показывается положительное значение параметра, можно осуществить тест ламп и сирены. На рисунке 7 представлена установка со всеми вентиляторами, двигателями, клапанами, горелками и дробилкой, при нажатии на любой из данных объектов появляется окно с характеристиками состояния элемента и возможностью пуска и останова подвижных механизмов. На рисунке 8 изображена система горения, данные, представленные на этом экране, оповещают персонал о процессе горения в печи, предоставляется возможность включения и выключения процесса регенерации соляной кислоты, а также осуществление промывки системы водой в соответствии с техническими инструкциями и правилами эксплуатации установки регенерации. Во вкладке «Графики» есть возможность просмотреть графики температур, горелок, давлений, уровней и клапанов в режиме реального времени с возможностью масштабирования координатных осей, прокрутки по оси времени, сохранения отчёта и т.д. В графе «Сообщения» фиксируются ошибки работы установки и аварий за месяц с отметками даты и времени, номера ошибки и краткого описания. Есть возможность квитировать ошибки и сохранить информацию о сбоях, заархивировав её. В последней вкладке «Диагностика» предоставляется перечень всех модулей дискретных и аналоговых входов и выходов, с
пометками назначения каждого из присоединений и отображением вида передаваемого сигнала, его пределов и уровня на данный момент.
К компонентам системы проектирования относится стандартное ПО STEP7. Оно включает в себя утилиту SIMATIC Manager, которая является платформой для всех ES-компонентов и обеспечивает централизованное управление этими компонентами. Кроме того, утилита SIMATIC Manager представляет собой, так называемый пользовательский графический интерфейс, работающий под Windows и используемый для управления проектами STEP7.
Утилита SIMATIC Manager и все другие приложения связаны друг с другом. При открытии SIMATIC Manager, можно видеть, например, все блоки, которые вставили в CFC-схему (CFC chart) с помощью CFC-редактора. Кроме того, значительный выигрыш от такой связи приложений становится очевидным, когда конфигурируется операторская станция (OС). Можно обратиться к любым данным, которые создали посредством SIMATIC Manager и другим приложениям, например, можно просто и быстро визуализировать переменную процесса (process tag) из CFC-схемы (chart) во время конфигурирования OС.
SCL (Structured Control Language - "Структурированный язык
управления") - это язык программирования, имеющий сходство с языком Pascal и используемый для программирования сложных задач автоматизации. В системе ES он используется наряду с другими ресурсами для создания блоков; он требуется также для компиляции CFC/SFC-схем (charts).
Помимо SCL, для решения менее сложных задач программы контроллеров могут отображаться в трех видах представления: лестничная логика (LAD), функциональные блоки (FBD), язык инструкций (STL).


Рисунок 6. Скриншот экрана визуализации готовности системы управления регенерации 1


Рисунок 7. Скриншот экрана визуализации установки регенерации 1

Рисунок 8. Скриншот экрана визуализации системы горения


На современной производственной площадке плохо работающая система аварийной сигнализации может привести к тому, что операторы будут перегружены нескончаемым потоком сигналов, что помешает им эффективно реагировать на сбои в техпроцессах. Сотрудники должны предпринимать необходимые действия в течение нескольких секунд, чтобы обеспечить безопасное разрешение проблемной ситуации. Для предотвращения нештатных ситуаций – и для предотвращения ухудшения ситуаций, предотвратить которые нельзя, – операторы должны обладать достаточным объемом информации, поэтому возникающие ошибки записываются в память, а звуковая сигнализация срабатывает только если требует вмешательство оператора и у него есть возможность устранить неисправность, чтобы на протяжении своей смены сотрудники диспетчерской могли эффективно управлять процессами, а не только реагировать на постоянно поступающие сигналы о сбоях.
Управление аварийными сигналами – это комплексный процесс, в ходе которого осуществляется проектирование, контроль и управление аварийными сигналами для обеспечения безопасности и стабильности операций. Рационализация аварийных сигналов также включает согласование каждого отдельного сигнала с принципами и требованиями общей концепции. Важнейшие данные по каждому сигналу документируются и используются на следующих этапах жизненного цикла.
При неисправности работы печи регенерации на экране «Готовность» красным цветом выделятся соответствующие сообщения, неисправные приборы на схеме установки окрасятся в красный цвет, такие как горелки, клапаны, вентиляторы и т.п. Данные о ошибке работы системы записываются в память и заносятся в отчёт, который можно просмотреть в закладке «Сообщения», распечатать или заархивировать и скопировать на внешний носитель информации.


6 ЭЛЕКТРОПРИВОД ГАЗООТВОДЯЩЕГО ВЕНТИЛЯТОРА
6.1 Основные характеристики электропривода

Объектом рассмотрения выбран двигатель, необходимый для работы центробежного вентилятора (поз. 17, рисунок 1). Кинематическая схема центробежного вентилятора с двигателем FLS 315LA фирмы Leroy-Somer представлена на рисунке 8.
Таблица 5. Основные параметры расчётной схемы
Параметр P, кВт Jдв, кг∙м2 Jцв, кг∙м2 n, об/мин M, Н∙м
Значение 160 1,71 15 3000 515


Рисунок 8. Кинематическая схема центробежного вентилятора с двигателем
двигатель, 2- соединительная муфта, 3- центробежный вентилятор.

6.2 Проверочные расчёты электропривода
6.2.1 Проверка двигателя по мощности
Аэродинамические характеристики выбранного вентилятора в кривых полного давления представлены на рисунке 9, а нагрузочная диаграмма двигателя и его тахограмма изображены на рисунках 10 и 11 соответственно.
P=k_з (Q∙H∙〖10〗^(-3))/(η_в∙η_п )=1,1(8,5∙〖10〗^4∙〖10〗^(-3))/(0,7∙0,94)=142,1кВт,
где Q - производительность вентилятора, м³/с,
H - давление на выходе вентилятора, Па,
η_в - КПД вентилятора, равный 0,6-0,7 - для центробежных вентиляторов,
η_п - КПД передачи,
k_з - коэффициент запаса, равный 1,1-1,2 при мощности более 5 кВт.
Двигатель FLS 315LA удовлетворяет потребности вентилятора по мощности, его замена не требуется в силу безотказной работы.


Рисунок 9. Аэродинамические характеристики вентилятора в кривых полного давления


Рисунок 10. Усреднённая нагрузочная диаграмма двигателя

Рисунок 11. Усреднённая тахограмма двигателя

6.2.2 Проверка выбранного двигателя по нагреву
Выбор АД гарантирует, что данный двигатель при заданном графике нагрузки удовлетворяет требованиям по нагреву, так как имеет изоляцию класса F и согласно паспортным данным при продолжительном режиме работы прогревается на 80º С. Таким образом температура изоляции работающей машины рассчитывается как сумма температур максимального прогрева на 80°С и окружающей среды, а она в соответствии с климатической зоной установки УХЛ3 по ГОСТ 15150-69 имеет значение от минус 60°С до плюс 40°С. Температура меди в режиме S1-продолжительный имеет предельное установившееся значение температуры 120°С. Это значение меньше установленного ГОСТ 183–74, предельное значение температуры для изоляции класса F равно 150° С.

6.2.3 Проверка на перегрузку при снижении напряжения
В заводских силовых электрических цепях допускается снижение напряжения на 10%. Естественно, что при таком снижении напряжения оборудование не должно терять работоспособность. В то же время известно, что момент на валу асинхронных двигателей снижается пропорционально квадрату напряжения. Поэтому выбранный двигатель должен быть проверен на перегрузочную способность при понижении напряжения. Иногда может быть и большее понижение напряжения.
Проверка сводится к проверке условия, что максимальный момент двигателя при снижении напряжения будет не меньше момента сопротивления на валу.
Должно выполняться условие
P_max/P_н ≤(1-∆U/100)^2∙k_max,
где Pmax – максимальная мощность по нагрузочной диаграмме, кВт,
ΔU=10% – снижение напряжения, %,
Kmax=2,3 – кратность максимального момента двигателя из каталога.
160/160≤(1-10/100)^2∙2,3,
1≤1,86.
Следовательно, двигатель сохраняет работоспособность при понижении напряжения в цеховой сети. Таким образом, выбранный двигатель удовлетворяет всем поставленным условиям.

6.3 Основные требования к электроприводу
Должны быть обеспечены следующие показатели:
- коэффициент готовности не менее 0,98,
- время восстановления функционирования после отказа не более 30 минут,
- наработка на отказ механизмов должна составлять не менее 5000 часов,
- срок службы не менее 10 лет. Должна иметься возможность продления этого срока путем замены отслуживших свой срок элементов на новые,
- обеспечивать плавное регулирование скорости и необходимый диапазон регулирования,
- должен сохранять работоспособность при длительных отклонениях: напряжения питающей сети на +10% -15% от номинального значения, частоты питающей сети на ±2% от номинального значения,
- измерительная и сигнальная аппаратура должна быть расположена на фасаде шкафов (пультов) НКУ в местах, удобных для наблюдения, а органы управления – в местах с удобным доступом.

6.4 Предпосылки к модернизации системы управления
Для успешного протекания процесса вытягивания воздуха с минимальной концентрацией кислоты требуется поддержание определённого давления в абсорбционной колонне. В последние годы система физически устарела и давление в абсорбционной колонне ведётся посредством запорной арматуры, которая, по словам обслуживающего персонала, открыта на 80-90% от полного открытия заслонки, что приводит к недостаточной точности при изменении задания, а также энергонеэкономичное использование двигателя, постоянно работающего в номинальном режиме. Также можно отметить, что на данный момент пуск двигателя осуществляется напрямую.
Хотелось бы рассмотреть несколько вариантов решения этой проблемы и выбрать наиболее рентабельный: использование устройства плавного пуска или использование преобразователя частоты.
Если рассматривать замену прямого пуска двигателя, то есть уменьшение пускового тока, с технической точки зрения, можно сказать, что оба варианта будут отвечать нашим требованиям. Однако, для точного регулирования скорости УПП будет бесполезно, а так как пуск двигателя осуществляется редко (примерно 1 раз в месяц), то превышение стоимости преобразователя частоты примерно в 5 раз над стоимостью УПП той же мощности будет экономически целесообразнее. Поэтому наиболее рентабельно для решения данной задачи будет приобретение и ввод в эксплуатацию преобразователя частоты Sinamics G120 160 кВт 380-480В 3Ф ток 310А. Выбранный преобразователь частоты серии SINAMICS G120 отвечает высоким требованиям по качеству изготовления, большому разнообразию внутренней функциональности, обеспечивающей надежную защиту для силового модуля и двигателя, компактности, работе при любых нагрузках на электродвигатель вентилятора, стоимости. В нём используется самая современная технология IGBT с широтно-импульсной модуляцией.
Также в качестве модернизационного предложения можно внедрить промышленную сеть Profibus, предоставляющая возможность подключения ПЧ к существующему ПЛК серии Simatic S7-400, с имеющимся свободным портом PROFIBUS. Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектированы специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Сетевые карты используют 2-х портовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера. А также создание экрана визуализации параметров двигателя в режиме реального времени с помощью ПО WinCC.













7 ИНДИВИДУАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
7.1 Выбор производителя и серии преобразователя частоты

На данный момент скорость двигателя FLS 315LA фирмы Leroy-Somer не регулируется, поэтому подбор и применение преобразователя частоты затрагивает вопрос модернизации автоматизированной системы управления.
Преобразователи частоты широко представлены на рынке. Выбор их ограничен только финансовыми возможностями покупателей. Самыми популярными являются преобразователи частоты следующих мировых производителей: Siemens, ABB, Allen-Bradley, Control Techniques, Invertek, Schneider Electric, Hitachi, Toshiba, Fuji Electric и многими другими.
Siemens - ведущий мировой производитель электроприводов, предназначенных для управления двигателями постоянного и переменного тока. Преобразователи частоты Siemens имеют высокое качество изготовления и большое разнообразие внутренней функциональности, немецкое качество, компактность, работа при любых нагрузках на электродвигатель насоса, вентилятора, компрессора и т.п., оптимальная стоимость.
Согласно современной концепции «SIEMENS» всё многообразие существовавших в 1990-2000-х годах семейств приводной техники SIMOVERT MASTERDRIVES, SIMOREG DC Master, SIMODRIVE, MICROMASTER и др. должно быть заменено унифицированным семейством SINAMICS. В зависимости от сферы применения, семейство SINAMICS предлагает оптимальную конфигурацию для любой приводной задачи.
Преобразователи частоты Siemens серии SINAMICS решают требовательные задачи привода с синхронными и асинхронными двигателями, и удовлетворяют самым высоким требованиям к динамике и точности регулирования, интеграции различных технологических функций в систему управления привода. Преимущества SINAMICS:
1) Гибкость благодаря модульности и перспективной концепции привода: возможна замена модулей под напряжением (Hot Swap− ping), вставные соединительные клеммы, простая заменяемость обеспечивает макс. удобства в обслуживании.
2) Благодаря функциональности Safety снижение затрат при интеграции приводов в безопасно-ориентированные станки и установки.
3) Поддержка коммуникации через PROFINET или PROFIBUS с PROFIdrive Profil 4.0: уменьшение числа интерфейсов, инжиниринг в рамках всей установки, простое управление.
4) Увеличенная надежность и срок службы благодаря инновационной концепции охлаждения и окраске блоков электроники: внешний радиатор, отсутствие электронных компонентов в воздушном канале, управляющий модуль охлаждается только по принципу конвекции, дополнительная окраска самых важных компонентов.
5) Простая замена устройств и ускоренное копирование параметров через опционную базовую панель оператора или опционную карту памяти ММC.
6) Низкий уровень шума в моторном режиме благодаря высокой частоте импульсов.
7) Компактная конструкция.
8) Программные параметры для простого согласования с двигателями 50 Гц и 60 Гц (двигатели IEC или NEMA).
9) 2−/3−проводное управление (статические/импульсные сигналы) для универсального управления через цифровые входы.
10) Инжиниринг и ввод в эксплуатацию с помощью унифицированного ПО для технических разработок, к примеру, SIZER, STARTER и Drive ES: надежное быстрое проектирование и простой ввод в эксплуатацию – с Drive ES Basic STARTER интегрируется в STEP 7, использую преимущества централизованной системы УД и сквозной коммуникации.
11) Сертификация по всему миру по CE, UL, cUL, c−tick и Safety Integrated по IEC 61508 SIL 2.
Для управления двигателем требуется преобразователь частоты (ПЧ) мощностью не менее 160 кВт, по данному параметру подходят серии SINAMICS G120, SINAMICS G130/ G150, SINAMICS S120 и SINAMICS S150. SINAMICS G предназначены для управления насосами, вентиляторами, смесителями и т. п., поэтому для дальнейшего рассмотрения будет использоваться данная серия преобразователей.
SINAMICS G – новое семейство электроприводов от Siemens для инновационных и ориентированных на будущее решений. Семейство характеризуется следующими отличительными особенностями: интегрированные функции благодаря концепции унифицированной платформы, комплексная интеграция и инжиниринг, высокий уровень гибкости и возможность использования различных комбинаций компонентов, широкий спектр предлагаемых продуктов и услуг.
Так как преобразователи частоты серии SINAMICS G120 имеют меньшие габаритные размеры и меньшую цену при одинаковой мощности с SINAMICS G130/ G150, то выбор сделан в пользу SINAMICS G120.
SINAMICS G120 это модульная приводная система, состоящая из различных функциональных блоков. Важнейшими из них являются управляющий модуль (CU) и силовой модуль (PM).
Управляющий модуль управляет и контролирует силовой модуль и подключенный двигатель в нескольких типах регулирования по выбору. Он поддерживает связь с локальной или централизованной системой управления, а также с устройствами контроля.
Силовой модуль обеспечивает питание двигателя. Силовой модуль управляется с управляющего модуля через микропроцессор. Для высоконадежного и гибкого моторного режима используется самая современная технология IGBT с широтно−импульсной модуляцией. Различные защитные функции обеспечивают надежную защиту для силового модуля и двигателя. Кроме этого, поставляется широкий спектр дополнительных компонентов, таких как: сетевые фильтры класса A и B, сетевые дроссели, тормозные резисторы, синусоидальные фильтры, выходные дроссели.
Значительное увеличение жизненного цикла или срока службы достигается благодаря инновационной концепции охлаждения и окраске блоков электроники. При этом следует отметить: отвод мощности потерь исключительно через внешний радиатор, блоки электроники не в воздушном канале, последовательное охлаждение управляющего модуля при естественной конвекции, поток воздуха от вентилятор проходит только через радиатор.
Программное обеспечение (ПО) для ввода в эксплуатацию STARTER упрощает ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание SINAMICS G120. Она предлагает управление действиями оператора со стороны системы для простого и быстрого ввода в эксплуатацию, в комбинации с удобными для пользователя и обширными функциями для приводного решения.
В случае стандартного преобразователя SINAMICS G120 речь идет о модульном частотном преобразователе для стандартных приводов. Каждый SINAMICS G120 состоит из двух оперативных блоков, силового модуля и управляющего модуля. При этом любой управляющий модуль может комбинироваться с любым силовым модулем.

7.2 Выбор модулей ПЧ
Выбор модулей будет проводится по следующему принципу:
1. Выбор подходящего управляющего модуля (в зависимости от требуемого коммуникационного, аппаратного и программного исполнения и функциональности Safety).
2. Выбор подходящего силового модуля (в зависимости от требуемой мощности и технологии).
3. Выбор опционных дополнительных компонентов. Здесь имеется большое число компонентов для расширения системы, к примеру, активные компоненты со стороны сети, компоненты промежуточного контура, активные компоненты со стороны выхода и дополнительные системные компоненты. При этом учитывать, что не все компоненты необходимы для всех силовых. Точные данные перечислены в технических параметрах соответствующих компонентов.
7.2.1 Управляющий модуль
Управление преобразователем осуществляется через управляющий модуль. Наряду с управлением, доступны и другие функции, которые, через соответствующее параметрирование могут быть согласованны с определенными приложениями.
Для SINAMICS G120 поставляется две линейки управляющих модулей, дифференцируемых по их программным пакетам (CU230 и CU240). Каждый управляющий модуль состоит из определенного числа I/O, специального интерфейса полевой шины и возможных дополнительных функций безопасности.
Сделан выбор в пользу управляющего модуля CU230P-2 DP с заказным номером 6SL3243-0BA30-1PA0. Управляющие модули CU230P−2 особенно подходят для приводов со встроенными технологическими функциями для приложений с насосами, вентиляторами и компрессорами. Интерфейс I/O, интерфейсы полевой шины и дополнительные программные функции обеспечивают оптимальную поддержку таких приложений. Интеграция технологических функций является важным отличительным признаком этих управляющих модулей линейки приводов. Состав I/O модуля представлен в таблице 6, а схема модуля управления изображена на рисунке 12.
Таблица 6. Состав I/O модуля CU230P−2
Коммуникация Цифровые входы Цифровые выходы Аналоговые
входы Аналоговые
выходы
PROFIBUS DP 6 3 4 2

Характеристики CU230P−2
Управление: линейные и квадратные кривые моментов для гидравлических машин и объемных насосов, векторное управление без датчиков для претенциозных задач регулирования.

Рисунок 12. Схема модуля управления CU230P−2

Соединения: два аналоговых входа (ток/напряжение по выбору) для прямого подключения датчиков давления/уровня, два дополнительных аналоговых входа для подключения датчиков температуры NI1000/PT1000, прямое управление вентилями и заслонками с двумя реле 230 В.
Интерфейсы: коммуникация PROFIBUS, USS, CANopen и Modbus RTU.
Программные функции: автоматический рестарт после отключения питания, функция рестарта на лету, кинетическая буферизация (регулирование Vdc min), ПИД−регулятор для температуры, давления, качества воздуха, уровня, экономия энергии через „спящий режим“, контроль нагрузки (для ремённой передачи), контроль потока, часы реального времени с тремя таймерами.
IOP-помощники для специальных приложений:
- насосы: плунжерные (постоянный момент нагрузки) и центробежные
(квадратичный момент нагрузки) с и без ПИД−регулятора,
- вентилятор: радиальные и осевые вентиляторы (квадратичный момент нагрузки) с и без ПИД-регулятора,
- компрессоры: объемные насосы (постоянный момент нагрузки) и гидравлические машины (квадратичный момент нагрузки) с и без ПИД−регулятора.
7.2.2 Силовой модуль
Для стандартных преобразователей SINAMICS G120 имеются силовые модули PM240 (0,37 кВт до 250 кВт), которые оборудованы встроенным тормозным прерывателем (у типоразмера FSGX внешний) и предназначены для приводов без рекуперации энергии в сеть. При возникновении генераторной энергии, она преобразуется в тепло через внешние подключаемые тормозные резисторы.
Для управления двигателя с номинальной мощностью 200 кВт подходит силовые модули PM240 типоразмера FSGX с заказным номером 6SL3224-0XE41-3UA0, не имеющий встроенного тормозного прерывателя. Для него как опция поставляется вставной модуль торможения для подключения тормозного
резистора. Силовой модуль PM240 обеспечивает подключение промежуточных контуров до 10 силовых модулей. Это используется в таких случаях, как безопасная остановка при отказе сети или кинетическая буферизации (поддержание напряжения промежуточного контура через генераторную запитку в промежуточный контур из кинетической энергии).
Допустимые длины кабелей между преобразователем и двигателем ограничены. Для использования кабелей большей длины могут быть подключены выходные дроссели. Для минимизации обратных воздействий на сеть имеются сетевые дроссели.
Силовые модули без встроенного сетевого фильтра пригодны для подключения в заземленным (TN, TT) и не заземленным (IT) сетям.
Силовые модули PM240 связываются через интерфейс PM−IF с управляющим модулем. Силовые модули стандартно имеют следующие интерфейсы:
- интерфейс PM−IF для соединения силового модуля PM240 и управляющего модуля. Силовой модуль PM240 через встроенный блок питания обеспечивает и энергопитание управляющего модуля,
- клеммы DCP/R1 и R2 для подключения внешнего тормозного резистора, действительно до типоразмера FSF. Для типоразмера FSGX для подключения тормозного резистора необходим внешний вставной тормозной модуль (модуль торможения),
- подключение двигателя через винтовые зажимы или болты,
- схема управления для реле тормоза или безопасного реле тормоза для управления тормозом двигателя,- 2 соединения PE/защитного кабеля.
Параметры выбранного силового модуля:
Выходной ток при 3 AC 50 Гц 400 В:
- номинальный выходной ток In 302 А,
- ток базовой нагрузки IH 250 А,
- Imax 400 А.
Мощность потерь (при ном. токе) составляет 3,9 кВт. Номинальный входной ток без дросселя равен 297 А. Степень защиты IP20.
Подключение модуля к сети и двигателю осуществляется винтовым штифтом M10, поперечным сечением соединения 240 мм2.
Силовой модуль PM240 типоразмер FSGX без сетевого фильтра имеет габариты ШхВхГ 326х1533х547 мм, крепеж производится 6 болтами M8, 6 гаек
M8, 6 шайб M8. Необходимое свободное пространство для вентиляции: сверху- 250 мм, снизу- 150 мм, спереди- 50 мм, сбоку- 0 мм. Со вставленным управляющим модулем монтажная глубина не увеличивается. Схема подключения ПЧ приведена на рисунке 14.
Рекомендованные монтажные комбинации преобразователя и опционных активных компонентов и компонентов промежуточного контура для силового модуля типоразмера FSGX предполагают пристраивание сбоку слева от преобразователя (для активных компонентов со стороны сети) сетевой фильтр и/или сетевой дроссель, справа от преобразователя (для активных компонентов со стороны выхода и компонентов промежуточного контура) выходной дроссель или синусоидальный фильтр и/или тормозной резистор. Также тормозные резисторы по причине теплоотвода должны быть по возможности смонтированы непосредственно на стенке электрошкафа.

Рисунок 14. Схема подключения ПЧ

7.2.3 Активные компоненты со стороны сети
Для стандартных преобразователей SINAMICS G120 имеются следующие активные компоненты со стороны сети:
1) Сетевые фильтры
С помощью одного из дополнительных сетевых фильтров силовой модуль достигает более высокого класса помехозащиты.
2) Сетевые дроссели (только для силовых модулей PM240)
Сетевой дроссель служит для уменьшения обратных воздействий на сеть из−за высших гармоник, но оба варианта являются неоправданно дорогими для используемого ПЧ, поэтому не применяются.
В качестве защиты со стороны сети по рекомендации фирмы производителя ПЧ необходимо установить предохранители с заказным номером 6SL3224-3NE1333-2. Предохранители типа 3NE1 отвечают требованиям UL (соответствует RU) и подходят для выбранного ранее силового модуля PM240. В комплекте поставляются три предохранителя для установки в каждую фазу питающей сети. В цепи питания БХУ имеется силовой выключатель, поэтому для данного преобразователя дополнительного выключателя не требуется.
7.2.4 Компоненты промежуточного контура
Для стандартных преобразователей SINAMICS G120 имеется тормозной резистор, через который отводится избыточная энергия промежуточного контура. Тормозные резисторы предназначены для использования с силовыми модулями PM240. Так как двигатель имеет номинальную мощность в 160 кВт и останавливается самовыбегом, так как используется лишь при окончании технологического процесса, когда на электрическую машину перестают подавать напряжение, и за счет трения происходит постепенное уменьшение частоты вращения ротора. Данный способ не требует никаких дополнительных механизмов.
7.2.5 Активные компоненты со стороны выхода
Для стандартных преобразователей SINAMICS G120 имеются следующие активные компоненты со стороны выхода. Тем самым при работе с выходными дросселями или синусоидальными фильтрами можно увеличить длину экранированных кабелей двигателя, что повышает срок службы двигателя:
Выходные дроссели (только для силовых модулей PM240 и PM250)
Выходные дроссели уменьшают нагрузку по напряжению на обмотки
двигателя. Одновременно уменьшаются емкостные токи перезаряда, которые оказывают дополнительную нагрузку на силовую часть при использовании длинных кабелей двигателя.
2) Синусоидальные фильтры (не для силовых модулей PM260)
Синусоидальный фильтр ограничивает крутизну имульсов напряжения и емкостные токи перезаряда, которые обычно возникают при работе преобразователя. Синусоидальные фильтры предназначены только для силовых модулей PM240 и PM250. Выходной дроссель при этом не нужен.
Синусоидальный фильтр является достаточно дорогим неосновным модулем ПЧ, поэтому можно применить менее дорогой выходной дроссель, необходимость его приобретения связаны со следующими факторами:
1) Резкие скачки напряжения сокращают срок службы двигателей. Современные полупроводниковые ключи, используемые в регулируемых электроприводах, отличаются исключительно высокой скоростью перехода из открытого состояния в закрытое, что проявляется в резких скачках напряжения с уклоном (du/dt) до 10 кВ/мкс. Это явление приводит к чрезмерным нагрузкам на изолированные медные провода обмоток двигателя и, как следствие, к преждевременному износу изоляционного слоя.
2) Скачки напряжения, возникающие в результате переотражения волн, могут привести к пробою изоляции на обмотках двигателя. Высокие рабочие частоты и крайне быстрое переключение напряжения накладывают дополнительные требования на длину соединительного кабеля.
Для установки выбран выходной фильтр с заказным номером 6SL3000-2BE33-2AA0. Данный модуль подходит для установки с силовым модулем PM240 и имеет номинальный ток 310 А, что удовлетворяет требуемому току для питания двигателя, мощность потерь 0,47 кВт, степень защиты IP00, габаритные показатели ШхВхГ 300х285х257 мм. Максимальная длина кабеля между фильтром и двигателем при 3 AC 380 ... 480 В±10 % составляет 300-450 метров, для подключения к силовому модулю существует 1 отверстие для М10. Стоит отметить, что в действительности двигатель расположен в пределах 20 метров от предполагаемого места установки преобразователя.
7.2.6 Прочие компоненты ПЧ
1) Панель управления.
Существует множество панелей оператора, но для данного преобразователя их наличие не требуется, так как существует экран визуализации для автоматизированной системы управления, на котором есть возможность создать вывод информации о работе двигателя и преобразователя
в режиме реального времени; либо использовать переносной PC.
2) Комплект для соединения PC-преобразователь.
Для управления и ввода в эксплуатацию преобразователя непосредственно с PC, если на нем установлено ПО для ввода в эксплуатацию STARTER. Тем самым можно: параметрировать преобразователь (ввод в эксплуатацию, оптимизация), наблюдать за преобразователем (диагностика), управлять преобразователем (приоритет управления через ПО для ввода в эксплуатацию STARTER для тестирования).
Речь идет об адаптерном модуле RS232 для безопасного соединения "точка−точка" с PC с последовательным интерфейсом RS232 – в качестве альтернативы можно использовать адаптер USB/RS232. Комплект для соединения PC-преобразователь имеет заказной номер 6SL3255-0AA00-2AA1. В объем поставки входят 9−полюсный штекер Sub−D, стандартный кабель RS232 (3 м) и ПО для ввода в эксплуатацию STARTER на DVD.
Кроме того для связи выбранного преобразователя частоты с имеющимся программируемым логическим контроллером Simatic S7-400 необходим PROFIBUS кабель фирмы Siemens. Кабель сетевой экранированный 2-жильный для быстрого монтажа PROFIBUS с заказным номером 6XV1830-0EH10, длиной не менее 20 метров и штекер для подключения электрического кабеля PROFIBUS к Simatic PC/OP/OLM с заказным номером 6GK1500-0FC00. К модулю управления кабель PROFIBUS подключается с помощью 9−полюсного штекера SUB−D, изолированного с максимальной скоростью передачи 12 Мбит/сек.

7.3 Параметрирование ПЧ и схемы подключения
В принципе различаются типы управления "управление U/f" и "векторное управление". Управление U/f это простейший режим работы преобразователя частоты, он используется для приложений с насосами, вентиляторами и т.п., поэтому подходит в данном случае. Схема управления ПЧ изображена на рисунке 15 и в частности структура блока V/f control присутствует на рисунке 16 в виде функциональной схемы.
Рекомендованные монтажные комбинации преобразователя и опционных активных компонентов и компонентов промежуточного контура для силового модуля типоразмера FSGX предполагают пристраивание сбоку справа от преобразователя выходной дроссель.
Параметрирование модуля управления возможно с помощью комплекта для соединения PC-преобразователь и лептопа- переносного персонального компьютера либо с использованием соединения ПЛК и преобразователя по полевой шине PROFIBUS. Для обоих вариантов требуется ПО STARTER, таблица параметрирования в данной программе представлена на рисунке 17. В таблице 7 приведены параметры ПЧ, отличные от заводских настроек, для ввода оператором.

Рисунок 15. Схема управления ПЧ

Таблица 7. Таблица параметрирования ПЧ для оператора
Параметр Краткая расшифровка параметра Значение Размерность
p10 Округление параметров на дисплее панели оператора [0] Выполнять
p45 Округление параметров на дисплее панели оператора 100 мс
p201 Номер блока питания силового модуля 15053
p300 Тип двигателя [1] Асинхронный двигатель
p304 Номинальное напряжение питающей сети 400 В
p305 Номинальный ток двигателя 270 А
p307 Номинальная мощность двигателя 160 кВт
p308 Коэффициент мощности 0,9
p309 К.п.д. 94,8 %
p310 Номинальная частота двигателя 50 Гц
p311 Номинальная скорость двигателя 2982 об/мин
p327 Оптимальный угол нагрузки двигателя 0 º
p340 Автоматический расчёт двигателя/параметров [1] Полный расчёт
p573 Параметр подавления автоматического расчёта опорного значения [1] Да
p640 Максимальный ток двигателя 405 А
p700 Выбор источника команд [6] Полевой
p922 Вариант передачи сообщений [999] Бесплатное проектирование, телеграммы с BICO

Продолжение таблицы 7.
p1082 Максимальная скорость двигателя 3000 об/мин
p1115 Задатчик настроек двигателя [0] Основной задатчик настроек двигателя
p1247 Контроль коэффициента динамики 100 %
p1296 Закон управления звена постоянного тока [1] На пониженном напряжении постоянного тока, пока n<50 об/мин
p1800 Частота коммутации ключей 2 кГц
p1900 Идентификация данных двигателя и измерение при вращении [2] Идентифицировать данные двигателя в состоянии покоя
p2000 Рекомендуемый максимальная скорость 3000 об/мин
p2002 Рекомендуемый максимальный ток двигателя 405 А
p2003 Рекомендуемый максимальный момент двигателя 1024,74 Н•м
p2007 Исходное ускорение 50 рад/с
p2051 Показывает информацию, передаваемую по PROFIdrive PZD пересылаемых слов Устройство управления в соответствии с параметром p922
p2079 Тип передачи данных [999] Бесплатное проектирование, телеграммы с BICO



Рисунок 16. Функциональная схема "управление U/f"

7.4 Расчет системы подчиненного регулирования
ПИД-регулятор обеспечивает заданную скорость на исполнительном механизме (двигателе), независимую от действующей на него постоянной или медленно изменяющейся нагрузки.
Сумматор обратной связи вычитает из сигнала задания на скорость Vзад(t) сигнал реальной скорости V(t) и формирует на выходе сигнал ошибки e(t)

Сигнал ошибки поступает на пропорциональное, интегральное и дифференциальное звенья ПИД-регулятора.
Пропорциональное звено производит умножение сигнала ошибки e на коэффициент Kп и формирует выходной сигнал yп

Интегральное звено производит интегрирование сигнала e(t) по времени, умножает на коэффициент Kи и формирует выходной сигнал yи


Рисунок 17. Таблица параметрирования ПЧ

Дифференциальное звено производит дифференцирование сигнала ошибки по времени e(t), умножения результата на число Kд и формирование выходного сигнала yд

Сумматор ПИД-регулятора суммирует сигналы yп(t), yи(t) и yд(t) и формирует выходной сигнал y(t)

ПИД-регулятор характеризуется тремя коэффициентами Kп, Kи и Кд. Для расчета этих коэффициентов необходимо знать параметры объекта управления. С точки зрения теории автоматического управления двигатель приближенно описывается двумя апериодическими звеньями с электрической постоянной времени Tэ и механической постоянной времени Тм. Общий коэффициент усиления двигателя Kдв. Структурная схема двигателя с точки зрения теории автоматического управления

Передаточная функция двигателя, записанная через оператор Лапласа s, следующая

Коэффициент усиления двигателя Kдв определяет пропорциональность между скоростью вращения вала двигателя на холостых оборотах и поданным на вход напряжением. Проще говоря, коэффициент равен отношению скорости холостого хода Vхх и номинального напряжения двигателя Uн.

Напряжение на двигателе в микропроцессорной технике задается в условных единицах напряжения, а скорость снимается в условных единицах скорости. Если для формирования напряжения на двигателе используется 7-битный ШИМ, то для расчета Kдв величина номинального напряжения равна 128 условных единиц напряжения.
Известно, что время апериодического переходного процесса в пять раз длиннее его постоянной времени, отсюда для нашего случая получаем. Время регулирования tр равно 1,8 сек. Тогда механическая постоянная времени Tм = 1,8/5 = 0,36 сек. Таким образом, построив график переходного процесса, мы находим механическую постоянную времени Tм.
Чтобы рассчитать коэффициенты ПИД-регулятора следует решить обратную задачу динамики. Для этого абстрагируемся от ПИД-регулятора. Будем полагать, что структура регулятора, т.е. его передаточная функция Wр(s), нам неизвестна. За то известна передаточная функция объекта управления Wдв(s)

Запишем передаточную функцию замкнутой системы Wз(s)

Нас вполне устраивает апериодический переходный процесс в системе. Именно так система должна реагировать на изменение скорости и нагрузки. Пусть желаемая постоянная времени переходного процесса Tж будет примерно равна Tм. Т.е. передаточная функция желаемой системы Wж(s)

Приравняем передаточную функцию замкнутой системы к передаточной функции желаемой системы

Подставим значение Wдв(s)


Расчеты переходных процессов выполнены по структурной схеме в среде MATLAB Simulink.
Коэффициент усиления и постоянная времени ПИ регулятора тока при fШИМ=2000Гц(ТμI=2,5•10-4с)
σТ1=0,133•0,0509=0,0068 с
Τр.Т=0,0068 с

Коэффициент усиления и постоянная времени ПИ регулятора потока при Тμ=2ТμI=5•10-4 с
τр.ПТ=0,0844 с

Коэффициент усиления ПИ-регулятора момента при Ф2н.эф=0,599 Вб и ТμМ=5•10-4 с
(τр.м=0,0034 с)
Коэффициент регулятора скорости при Тμω=2ТμМ=1•10-3 с




С помощью программы Matlab рассчитаем параметры для T-образной схемы замещения
главное индуктивное сопротивление Xµ 3,48
активное сопротивление обмотки статора R1 0,0037
индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора X1 0,06
приведенное активное сопротивление обмотки ротора R2 0,0077
приведенное индуктивное сопротивление обмотки ротора Х2 0,083
эквивалентная индуктивность намагничивания L_m 0,0111
индуктивности рассеянья статора и ротора
L_δs=0,00152
L_δr=0,000132
Номинальное скольжение



Рисунок 18. Модель двигателя при непосредственном питании от сети переменного тока 380В в Matlab в Simulink



Рисунок 19. Механическая характеристика двигателя

Моделирование системы управления ПЧ-АД будет проводиться с помощью программы Matlab.
Блок The Universal Bridge является универсальным конвертером с тремя фазами, который состоит из шести выключателей мощности, связанных в конфигурацию моста. Тип выключателя мощности и конфигурация конвертера выбирается в диалоговом окне. Блок позволяет моделирование конвертеров, используя свободно коммутируемые электронные устройства (диоды или тиристоры) и принудительно коммутируемые устройства (GTO, IGBT, MOSFET). Используем данный блок в качестве инвертора.
Asynchronous Machine – модель асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Механическая система блока



Рисунок 20. Электрическая система блока


Рисунок 21. Субсистема DTC Induction Motor Drive


Рисунок 22. Субсистема Demux

Из результатов моделирования на рисунке 23 видно, что максимальное значение пиков пускового тока составляет 1 кА. Номинальной скорости вращения двигатель достигает за 1,8 секунды. В разомкнутой системе преобразователь– двигатель линейное нарастание напряжения управления, что определяет линейное нарастание напряжения питания двигателя.
При подаче скачка Uзад, обеспечивает за счет пропорционального канала, скачок напряжения на выходе преобразователя, затем выполняет линейное нарастание напряжения с помощью интегрального канала с темпом, определяемым TЗИ. По достижении значения ωн, пропорциональный канал снижает скачком выходное значение напряжения, соответствующей напряжению задания Uзад. Использование ПИ части позволяет обеспечить начальный бросок момента двигателя (при неучете электромагнитной инерции силовой цепи), соответствующий допустимому по условиям ускорения.
Разработанная система управления вентилятором с использованием преобразователя частоты со звеном постоянного тока отвечает всем современным требованиям. Сигнал с датчика давления, установленного в выходной магистрали, поступает на ПИД-регулятор инвертора и сравнивается с фиксированным заданием преобразователя частоты. Рассогласование между этими сигналами задает частоту вращения крыльчатки вентилятора. Система является современной, простой, эффективной, надёжной и энергосберегающей. Таким образом, выбор системы управления был произведён верно.


Рисунок 23. Характеристики системы ПЧ-АД в результате моделирования
8 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
8.1 Расчет экономической эффективности установленного двигателя

Технический уровень установленного двигателя может быть оценён с помощью различных характеристик, необходимых для имеющейся установки. Например, в качестве требования такой установки может являться минимальная масса или минимальный динамический момент инерции. Для некоторых установок требуется минимальная высота или длина машины. В других случаях превалирующими являются требования к КПД или к коэффициенту мощности, к пусковому моменту и т.п. В таких случаях критерием эффективности машин является удовлетворение одному или нескольким из указанных требований. Если эти требования противоречивы, то необходимо находить приемлемое решение, удовлетворяющее в определенной мере каждому из них.
Одним из критериев технико-экономической эффективности является уровень компактности. Чем выше компактность машины, тем меньше необходимые для установки машины площадь и объем. Компактность электрических машин благоприятно влияет на экономические показатели большинства объектов, например, сокращается длина и ширина различных механизмов, в которых применены электродвигатели.
Таблица 8. Сравнительные показатели двигателей
Типы двигателей η cosφ h, мм m, кг P2 , кВт l, дБ∙А L, мм
FLS 315LA 0,94 0,9 315 1050 160 93 1068
АИР 315S2 0,95 0,92 315 1170 160 97 1185

Показатель компактности электрической машины (кВт/мм3)
Kk=P2/(4H2•L) ,
где P2 – номинальная мощность машины, кВт,
H – высота оси вращения, мм,
L – габаритная длина машины, мм.
Важным критерием является уровень шума электрических машин. Высокий уровень шума в производственном помещении, где установлены машины, отрицательно влияет на производительность труда, отражается на качестве продукции, вызывает потери рабочего времени в результате частичной или временной нетрудоспособности производственного персонала.
Технический уровень электрической машины оценивают путем сравнения технико-экономических показателей этой машины с показателями лучших изделий-аналогов отечественного и зарубежного производства. Учитывая, что при этом сравнивают разные показания машин – массу, габариты, энергетические показатели и др., целесообразно общую оценку технического уровня производить по обобщенному показателю
Э=Q/Cмаш ,
где Q – экономический эффект от применения спроектированной машины по сравнению с машиной-аналогом,
Смаш – стоимость машины.
В качестве базы принимаем установленный двигатель фирмы Leroy-Somer типа FLS 315LA, в качестве машины-аналога используется двигатель российского производства АИР 315S2. Экономический эффект представляет собой сумму отдельных составляющих.
Эффект, обусловленный разностью КПД
Q1=5850•P2•(η”- η’)/ (η” •η’),
где η’=0,93 – КПД установленной машины,
η’’=0,95 – КПД машины-аналога.
Q1=5850∙160•(0,95-0,93)/(0,95∙0,93)=26350 (руб).
Эффект, обусловленный разностью коэффициентов мощности
Q2=1350•P2•(tgφ”/ η”- tgφ’/ η’),
Q2=1350•160•(0,5/ 0,95- 0,43/ 0,93)=13300 (руб).
Эффект, обусловленный разностью показателей компактности
Q3=(100+76lgP2) •( K’k-K”k),
где K’k =3,77∙10-7 – показатель компактности установленной машины,
K”k =3,4∙10-7 – показатель компактности машины-аналога,
Q3=(100+76lg160) •( 3,77∙10-7 -3,4∙10-7)=1∙10-5 (руб).
Эффект, обусловленный разностью уровней шума
Q4=960∙100,1(L’- L”)•(10-0,1(L’-L”)-1),
где L’=80 дБ∙А – уровень шума установленной машины,
L”=85 дБ∙А – уровень шума машины-аналога.
Q4=960∙100,1(80-85) •(10-0,1(80-85)-1)=950 (руб).
Эффект, обусловленный разностью массы машин, влияющей на уровень конструкции и технологического оборудования
Q5=0,3•(m”-m’),
где m’=1050 кг – масса установленного двигателя,
m”=1170 кг – масса машины-аналога.
Q5=0,3•(1170-1050)=36 (руб).
Таким образом, экономический эффект будет равен
Q= Q1+ Q2+ Q3 +Q4+ Q5=40636 (руб).
Себестоимость двигателя Смаш=120000 руб. Экономическая эффективность двигателя фирмы Leroy-Somer типа FLS 315LA равна
Э=40636/120000=0,34>0,25.
Полученный показатель эффективности позволяет судить о том, что выбранный двигатель эффективнее отечественного аналога.

8.2 Расчёт экономической и технической эффективности использования преобразователя частоты
Для подсчёта экономической и технической эффективности применения преобразователя частоты для управления газоотводящим вентилятором применена программа фирмы Siemens Sinasave. Программа Sinasave позволяет оценить эффективность и время окупаемости применения частотно-регулируемого привода и энергосберегающих электродвигателей. В


Рисунок 24. Результаты расчёта программы SinaSave


зависимости от поставленной задачи, программа подсчитывает количество сэкономленной электроэнергии для конкретного применения. На рисунке 24 представлены настройки режима использования ПЧ сравнение эффективности использования Sinamics G120 и регулирования впуска с помощью вентиля и результаты, полученные в программе SinaSave.
В графе количества часов использования ПЧ в процентном отношении к номинальной мощности указаны 18 часов в сутки при загрузке 90% и 6 часов в сутки при загрузке 100%, это связано с полученной средней загрузкой двигателя на уровне 93%. Количество рабочих дней в году примерно равно 300 при условии, что в среднем один день в неделю установка регенерации кислоты не работает в связи с техническим обслуживанием.
Годовая экономия электроэнергии достигается в размере 10,5 %, а суммарная экономия за счет снижения платы за электроэнергию равна 270 тыс. руб. в год. Из таблиц на рисунке 1 видно, что при стоимости преобразователя частоты 457,5 тыс. руб., цене за 1 кВтч равной 3 руб., Sinamics G120 окупится через 21 месяца, уменьшится стоимость затрат на содержание и обслуживание оборудования, отпадёт необходимость периодической замены дроссельной заслонки, связанная с разрушением частей агрессивной кислой средой, проходящей через данный механизм, то есть повысится надёжность данного участка установки регенерации кислоты. Такой экономии электроэнергии в производстве невозможно достигнуть другим способом. Это еще раз подтверждает высокую экономическую эффективность внедрения частотно-регулируемых приводов асинхронных двигателей.

8.3 Организация и планирование электрослужбы ЛПП
Современные промышленные предприятия являются крупными потребителями электроэнергии. Применение автоматизации, рост энерговооруженности с каждым годом увеличивают значение правильной организации электрического хозяйства и делают его одним из решающих участков предприятия.
Организация электрического хозяйства осложняется тем обстоятельством, что электроэнергия производится и расходуется одновременно, и создать какие-либо запасы электроэнергии невозможно. В связи с этим всё электрооборудование должно работать бесперебойно и быть способным обеспечить максимальные потребности потребителей.
Эти задачи непосредственно относятся к деятельности ремонтных служб. Поэтому так важны оптимальная организация ремонтных работ, создание таких условий проведения ремонтов, которые обеспечивают экономическую заинтересованность в увеличении объёма работ, повышение их качества и позволяют увеличить производительность труда.
Создание высокопроизводительных и экономичных машин, оборудования, конструкций для расширения производства и замены физически и морально изношенных позволяет уменьшить капиталовложения на единицу выпускаемой продукции, обновить на новой технической базе основной капитал, повысить капиталоотдачу. Последнее достигается также в результате модернизации, реконструкции, технического перевооружения действующих предприятий.
На предприятиях металлургической отрасли промышленности распространен смешанный способ проведения ремонтов и межремонтного обслуживания электрооборудования, при котором капитальный ремонт и средний выполняются в электроремонтных цехах (ЭРЦ), а текущий ремонт и технологическое обслуживание выполняются силами персонала электроремонтной мастерской производственного цеха. Электрик цеха, его заместитель административно подчинены начальнику цеха. Руководство работами по электроремонту оборудования и надзору за правильной его эксплуатацией осуществляется отделом главного электрика и вверенным ему электроремонтным цехом, структура которого изображена на рисунке 25.


Рисунок 25. Структура электрослужбы прокатного отделения

Виды работ, выполняемых электрослужбой, определяются системой ТоиР. Система ТоиР это комплекс организационно-технических мероприятий по уходу, надзору и ремонту электрооборудования, направленных на обеспечение его безаварийной работы. В этот комплекс входят:
1) Техническое обслуживание.
2) Т1, Т2 и капитальные ремонты, осуществляемые через определенные сроки, устанавливаемые графиком ТоиР.
Техническое обслуживание – комплекс работ для поддержания исправности или только работоспособности электрооборудования при подготовке и использовании по назначению, при хранении и транспортировке.
Т1 – ремонт, осуществляемый в процессе эксплуатации для гарантированного обеспечения работоспособности электрооборудования, и состоящий в замене и восстановлении его отдельных частей и их регулировке.
Т2 – отличается от текущего большим объёмом работ и числом изношенных деталей, подлежащих замене. В него входят: частичная разборка электрооборудования, проведение испытаний, выявление работ, требующих капитального ремонта.
Капитальный ремонт – ремонт, осуществляемый с целью восстановления исправности и полного или близкого к полному восстановления ресурса изделия с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые, и их регулировкой
Электрослужба цеха на основании вышеуказанного составляет ремонтные ведомости с указанием вида работ, сроков её выполнения и содержания работ. Не позднее пятнадцатого числа каждого месяца, предшествующего планируемому, ремонтные ведомости сдаются в отдел главного электрика для рассмотрения и включения в график или план работы соответствующих электроремонтных цехов и отделов.












9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
9.1 Описание технологического процесса

Отработанный травильный раствор, из циркуляционного бака первой травильной ванны НТА цеха ПТС, подается на склад растворов участка регенерации отработанного травильного раствора блока химических установок (БХУ). Пневматическим насосом отработанный травильный раствор по трубопроводу подается на сопла печи-реактора, процесс сопровождается повышенным уровнем шума, повышенной пожарной опасности.
Газообразные продукты обжига и очищенный от порошка оксида железа воздух выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Смесь отходящих газов частично очищается от остаточных паров соляной кислоты с помощью технической воды, однако в атмосферу попадают вредные вещества и металлическая пыль. При обслуживании блока и ремонтных работах возможно попадание человека под напряжение, вращающиеся и движущиеся части оборудования, питающегося от напряжения 0,4 кВ.
При проведении технологического процесса регенерации отработанных травильных растворов имеют место следующие опасные и вредные факторы:
- вращающиеся и движущиеся части оборудования,
- повышенное значение напряжения в электрической цепи (более 50 В),
- загазованность воздуха рабочей зоны,
- движущиеся машины и механизмы,
- повышенная температура поверхностей оборудования и материалов,
- повышенный уровень шума на рабочем месте,
- повышенная запыленность воздуха рабочей зоны,
- повышенная пожарная опасность.

9.2 Микроклимат
Показатели микроклимата и их воздействия на человека в зависимости
от условий окружающей среды на рабочих местах в операторской БХУ для персонала с категорией работ Iа представлены в таблице 9.
Таблица 9. Таблица показателей микроклимата
Сезон Параметр По ГОСТ 12.1.005 По СанПиН 2.2.4.548-96 Фактическое
Оптимальные допустимые Оптимальные допустимые
Холодный Температура воздуха, С 21-23 19,0-20,9 23,1-24,0 21-23 19,0-20,9 23,1-24,0 20
Скорость движения ветра, м/с 0,1 Не более 0,2 0,1 Не более 0,2 0,1
Относительная влажность, % 40-60 15-75 40-60 15-75 19
Тёплый Температура воздуха, С 22-24 20,0-21,9 24,1-28,0 22-24 20,0-21,9 24,1-28,0 23
Скорость движения ветра, м/с 0,1 Не более 0,3 0,1 Не более 0,3 0,1
Относительная влажность, % 40-60 15-75 40-60 15-75 58

Микроклимат в операторской БХУ соответствует нормам по температуре воздуха, скорости его движения и влажности в холодный и тёплый сезоны года.

9.3 Запылённость, загазованность
Контроль соблюдения нормативов ПДВ загрязняющих веществ в атмосферу осуществляет Управление промышленной экологии согласно «Графика контроля нормативов ПДВ от источников ОАО «НЛМК».
При технологическом процессе в БХУ происходит выделение в атмосферу следующих загрязняющих веществ: водорода хлористого, железа оксида, азота диоксида, бенз(а)пирена. Нормативы предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ (ПДВ) в атмосферу приведены в таблице 10.
Работники должны быть в спецодежде, а также иметь индивидуальные средства защиты от агрессивной среды, такие как: каску, кислотостойкую спецодежду, перчатки КЩС Альфа 200 или их аналог, респиратор, очки защитные.
Таблица 10. Нормативы предельно допустимых выбросов
Наименование источника выделения загрязняющих веществ Наименование загрязняющего вещества Нормативы предельно допустимых выбросов веществ в атмосферу Фактическое
г/м3 г/с г/м3 г/с
Каждая из двух установок
регенерации Азота диоксид 0,085 0,538 0,073 0,417
Водород хлористый 0,026 0,166 0,022 0,108
Бенз(а)пирен 0,1×10-6 1×10-6 0,1×10-6 1×10-6
Окисный бункер Железа оксид 0,095 0,408 0,044 0,183

Сбор, хранение, учет, транспортировку отходов организуют в соответствии с требованиями СТП СУОС 05757665-4.6-01.
Сбросы сточных вод в промливневую канализацию отсутствуют.
Возможные отклонения параметров технологического процесса, в результате которых могут возникнуть дополнительные отрицательные воздействия на окружающую среду при ведении процесса регенерации соляной кислоты, отсутствуют.

9.4 Производственный шум
Уровень производственного шума в БХУ в зоне пульта оператора достигает 63 дБ, при предельно допустимом уровне 65 дБ, в машинном зале он достигает максимального уровня до 95 дБ, при предельно допустимом уровне 80 дБ. Уровень шума превышает ПДУ, поэтому для защиты от шума посты операторов изолируются шумопоглощающими материалами, а в качестве индивидуальных мер защиты в зоне с превышением допустимого уровня шума, используются специальные наушники и вкладыши в ушную раковину.

9.5 Освещённость
Естественное освещение по своему спектральному составу является наиболее приемлемым, , оно обладает высокой диффузностью света, что весьма благоприятно для зрительных условий работы. Для искусственного освещения применяют газоразрядные лампы. Параметры освещённости приведены в таблице 11.
Таблица 11. Параметры освещенности
Параметры Нормативные значения Фактические значения
Освещённость газоразрядными лампами, лк 200 195
Пульсность ламп, % 20 21

Точность зрительной работы соответствует V разряду (ПДК 200 лк) и VI разряду (ПДК 150 лк), размер объекта различения равен от 1мм до 5 мм и более, контраст объекта и фон средние.
Минимально допустимый уровень искусственного освещения соответствует нормам. Величины показателей освещенности рабочего места оператора поста управления. Фактические значения соответствуют представленным нормам, что обеспечивает высокую производительность участка печей, уменьшение утомляемости персонала и улучшение качества работы.
9.6 Электробезопасность
По характеру окружающей среды помещение машинного зала относится к сухим помещениям, а по степени поражения электрическим током - к помещениям с повышенной опасностью, т.к. имеет место возможность одновременного прикосновения человека к имеющим соединение с землёй металлоконструкциям и металлическим корпусам электрооборудования.
В БХУ используется TN-S систем искусственного заземления, в этой современной системе заземления проводники защитного заземления PE и рабочей нейтрали N прокладываются раздельно по всей длине с помощью трех-пятижильных проводов и кабелей. Применение такой системы позволяет предотвратить поражение электрическим током. Помимо этого, в электропроводках с TN-S можно без всякого риска использовать электропотребители с металлическим корпусом.
В помещении машинного зала находятся электроустановки напряжением до 1кВ, источниками поражения электрическим током являются:
1) система освещения машинного зала, питающаяся от однофазного напряжения 220 В переменного тока с частотой 50 Гц,
2) трёхфазная система переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 380 В, которая служит для питания систем управления электроприводами,
3) напряжение 400 В постоянного тока, служащее для питания двигателей постоянного тока установок регенерации.
При ошибочных действиях персонала возможно как двухполюсное так и однополюсное прикосновение к токоведущим частям.
В связи с высокой вероятностью поражения электрическим током применяются следующие меры защиты:
1) применение малых напряжений в цепях управления,
2) электрическое разделение сетей,
3) контроль и профилактика повреждений изоляции,
4) защита от случайного прикосновения к токоведущим частям (ограждения, механические и электрические блокировки),
5) защитное заземление силовых электроустановок и осветительной системы,
6) защита, обеспечивающая безопасность путём автоматического отключения электроустановки при возникновении аварийной ситуации.

9.7 Пожарная безопасность
Согласно СНиП 21-01-02 степень огнестойкости здания II. По пожарной опасности БХУ относится к категория помещения «П-II», то есть умеренная пожароопасность помещения, в которых находятся негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.
По ПУЭ производственное помещение можно отнести к взрывоопасному. В цехе имеются следующие пожарные места: кабельные полуэтажи и кабельные туннели, материальный склад цеха и слад кислот, машинные залы и пункты управления.
Для организации безопасной эксплуатации агрегатов и устройств, согласно ГОСТ 12.1.004-96 предусматривается:
1) поддерживать в рабочем состоянии пожарно-измерительную аппаратуру газоанализатора, блокировок и предупредительной сигнализации,
2) соблюдать мероприятия по быстрой локализации и ликвидации пожара,
3) использовать объемное автоматическое средство пожаротушения,
4) использовать автоматическую пожарную сигнализацию,
5) соблюдать инструкции, обеспечивающие мероприятия при пожарной опасности.

9.8 Расчет естественной вентиляции
Для обеспечения параметров воздушной среды производственных помещений, установленных санитарными нормами и технологическими требованиями, в зданиях и сооружениях устанавливаются различные системы вентиляции. В тех случаях, когда нормируемые параметры воздушной среды в помещении могут быть обеспечены за счет использования гравитационного или ветрового напора и когда наружный воздух не требует предварительной обработки (очистки, подогрева, охлаждения, увлажнения и т.п.), проектируются системы вентиляции с естественным побуждением движения воздуха (аэрация).
Количество воздуха, подаваемого в помещение для обеспечения требуемых условий воздушной среды в рабочих или обслуживаемых зонах определяется по количеству выделяющихся по следующим формулам
L= G/(C_yx-C_п ),
где G – количество вредных веществ, поступающих в воздух помещения, мг/ч,
Сух – концентрация вредных веществ в удаляемом воздухе,
СП – концентрация вредных веществ в воздухе подаваемом в помещение.
Количество воздуха, при выделении азота диоксида
L_1=1500/(0,085-0,02)=23077 м^3⁄ч.
Количество воздуха, при выделении водорода хлористого
L_2=389/(0,022-0,005)=22882 м^3⁄ч.
Количество воздуха, при выделении железа оксида
L_3=158,4/(0,044-0,01)=4659 м^3⁄ч.
Дальнейший расчет будем вести по максимально необходимому количеству воздуха, то есть L=23077 м3/ч.
Для притока наружного воздуха в стенах помещений устраиваются проемы, низ которых располагается на высоте от пола 0,3-1,8 м – в теплый период года, не менее 3 м – в цехах высотой до 6 м и не менее 4 м в цехах высотой более 6 м в переходный и холодный периоды года.
Целью расчета аэрации является определение необходимой площади аэрационных проемов для обеспечения заданного воздухообмена в помещении. Расчет производится для самого неблагоприятного режима работы аэрации, соответствующего теплому времени года и отсутствию ветра. Располагаем нижний уровень приточных проемов на высоте 5 м, а верхний уровень вытяжных фонарей на высоте 10 м от пола. Вытяжной фонарь имеет П-образную форму, ветрозащищённые панели. Принимаем в расчетах, что створки приточных проемов и вытяжных фонарей открыты на 45 градусов.
Площадь приточных проемов
F_1=L/(3600√((2∙γ_н∙∆p_1)/ξ_1 )).
Площадь вытяжных проемов
F_1=L/(3600√((2∙γ_у∙∆p_2)/ξ_2 )).
где L - необходимый воздухообмен,
Δp1 - потери давления на проход воздуха через приточные проемы.
Для обеспечения относительно высокой скорости поступления воздуха в цех и устойчивости восходящих конвективных потоков, рекомендуется принимать
∆p_1=(0,2÷0,4)∆p
∆p=gh(γ_н-γ_(ср.п) )=9,8∙5(1,4-1,2)=9,8
где g=9,8м⁄с^2 - ускорение свободного падения,
γ_н=1,4 кг/м2 - плотность воздуха, соответствующая температуре наружного воздуха,
γ_н=1,2 кг/м2 - плотность воздуха, соответствующая средней температуре воздуха в помещении tср.п,
H=5 м - высота от уровня нижних приточных проемов до уровня верхних вытяжных проемов,
∆p_1=0,3∙9,8=2,94, ∆p_2=∆p-∆p_1=9,8-2,94=6,86 - потери давления на проход воздуха через вытяжные проемы фонаря,
ξ1=3,7 - коэффициент местного сопротивления приточных проемов,
ξ2=9,2 - коэффициент местного сопротивления вытяжных проемов фонаря.
Найдем площадь приточных проемов
F_1=23077/(3600√((2∙1,4∙2,94)/3,7))=4,3 м^2,
Площадь вытяжных фонарей
F_1=23077/(3600√((2∙1,2∙6,87)/9,2))=4,8 м^2,
Вытяжные и приточные проемы располагаются по периметру цеха. Как видно из расчета, их вполне достаточно для вентиляции помещения. Для защиты работающих людей в цехе – используются индивидуальные средства защиты (очки с герметичной оправой, респираторы).

9.9 Расчет контура заземления БХУ
Заземлим установку по периметру и по центру, соответственно получаем площадь заземления 30х50 м. Используем групповой заземлитель, состоящий из полосового стального заземлителя шириной 100 мм, толщиной 5 мм и общей длинной 160 м и вертикальных заземлителей в виде угловой стали с полкой 100 мм и длинной 2,5 м, установленных через каждые 5 м полосы. Глубина залегания полосы 0,8 м.



Рисунок 26. Схема заземления БХУ

Определим сопротивление одиночного вертикального заземлителя
R_ов=(K_вз∙ρ)/(2∙π∙l)∙(ln (4∙l)/d+1/2 ln (4∙t+l)/(4∙t-l))==(1,7∙400)/(2∙π∙2,5)∙(ln (4∙2,5)/0,095+1/2 ln (4∙1,95+2,5)/(4∙1,95-2,5))=67 Ом,
где ρ=400 Ом•м - сопротивление грунта,
l=2,5 м - длина угловой стали,
d=0,95•b=0,95•0,1=0,095 м - эквивалентный диаметр,
t=1,95 м- расстояние от уровня земли до середины вертикального заземлителя,
kвз=1,7 – коэффициент вертикального заземлителя II климатической зоны.
Общее сопротивление всех вертикальных заземлителей
R_вз=R_ов/(N∙η_в )=67/(32∙0,58)=3,6 Ом,
где N=32 - число вертикальных заземлителей,
ηВ=0,58 - коэффициент использования вертикальных заземлителей.
Искусственный заземлитель представляет собой вертикальные стержни, соединённые по периметру полосой. Определим сопротивление полосы длиной 50 м
R_д=ρ/(2∙π∙l)∙ln l^2/(d∙t)=400/(2∙π∙50)∙ln 〖50〗^2/(0,05∙0,8)=14,1 Ом,
где l1=50 м - длина полосы,
l2=30 м - длина полосы,
d=0,5•b=0,5•0,1=0,05 м - эквивалентный диаметр,
t=0,8 м - глубина залегания полосы.
Сопротивление полос длиной 50 м
R_эдп=R_д/2=14,1/2=7 Ом.
Определим сопротивление полосы длиной 30 м
R_к=ρ/(2∙π∙l)∙ln l^2/(d∙t)=400/(2∙π∙30)∙ln 〖30〗^2/(0,05∙0,8)=21,3 Ом.
Сопротивление полос длиной 30 м
R_экп=R_д/(N〖∙η〗_з )=21,3/(11∙0,86)=2,25 Ом,
где N=11 - число полос,
ηЗ=0,92 – коэффициент использования горизонтальных полос.
Эквивалентное сопротивление горизонтальных заземлителей
R_эг=(R_эдп∙R_экп)/(R_эдп+R_экп )=(7∙2,25 )/(7+2,25 )=1,7 Ом.
Общее сопротивление всех полос
R_(п∑)=(R_эв∙R_эг)/(R_эв+R_эг )=(3,6∙1,7 )/(3,6+1,7 )=1,2 Ом< 4 Ом.
Что соответствует нормам для данного типа электроустановок.


Список источников

1. Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / [Белов, О.И. Зементов, А.Е. Козярук и др.] ; под ред. В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. - М. : Издательский центра "Академия", 2006. - 368 с.
2. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: Учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. - М: Издательский центр "Академия", 2004. - 576 с.
3. SIMATIC WinCC. Руководство пользователя.
4. SIMATIC. Программируемые контроллеры S7 – 400. Руководство пользователя.
5. SIMATIC NET. Электрические и оптические сети. Техническое руководство.
6. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. -М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2003 год
7. Центробежные вентиляторы / Под ред. Т. С. Соломаховой. – М. : Машиностроение, 1975.- 235 с.
8. Соколовский, Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. Заведений[Текст] / Г.Г.Соколовский. –М.: Академия, 2006. –272 с.
9. Стандартные преобразователи SINAMICS G110, SINAMICS G120. Каталог D 11.1 • 2009.
10. SINAMICS G120. Управляющие модули CU230P-2. Справочник по параметрированию • 01/2012
11. https://www.automation.siemens.com/Sizer-we
12. http://chastotnik.com/?page_id=573
13. Проектирование электрических машин [Текст] : учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Электрические машины" / О. Д. Гольдберг, Я. С. Гурин, И. С. Свириденко ; под ред О. Д. Гольдберга. - Москва : Высшая школа, 1984.- 430 с.
14. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны (с Изменением N 1), «Система стандартов безопасности труда». Сб. ГОСТов. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002 год
15. ГОСТ 12.4.045 – 88 ССБТ. Одежда специальная для защиты от повышенных температур. Мужские костюмы. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002 год
16. ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности (с Изменением N 1), «Система стандартов безопасности труда». Сб. ГОСТов. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002 год
17. СНиП 23-05-95 Естественное и искусственное освещение (с Изменением N 1), М.: Госстрой России , ГУП ЦПП, 2003 год
18. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2003 год
19. ГОСТ 12.1.004-91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования (с изменением N 1), «Система стандартов безопасности труда». Сб. ГОСТов. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002 год
20. СНиП 21-01-02 Пожарная безопасность зданий и сооружений (с изменениями N 1, 2) Госстрой России - М.: ГУП ЦПП, 2002 год