Помощь студентам в учебе
Разработка системы управления гидравлической станцией смазки подшипников
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И УСТРОЙСТВО ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ 8
1.1 Описание производственного цикла 8
1.2 Устройство гидравлической станции смазки подшипников 9
1.3 Блок управления гидравлической станцией смазки подшипников 11
Выводы по разделу один 12
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ АСУ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
СТАНЦИЕЙ 13
Выводы по разделу два 15
3 РАЗРАБОТКА АСУ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ 15
3.1 Выбор аппаратной части АСУ 15
3.1.1 Выбор семейства ПЛК 15
3.1.2 Выбор центрального процессора 17
3.1.3 Выбор модулей входных и выходных сигналов 18
3.1.4 Выбор панели оператора 21
3.1.5 Дополнительное оборудование 22
3.2 Разработка программной части АСУ 23
3.2.1 Разработка алгоритма работы ПЛК 23
3.2.2. Программная реализация алгоритма работы ПЛК 29
3.2.3 Реализация интерфейса панели оператора 38
3.2.3 Реализация веб-интерфейса 42
Выводы по разделу три 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 55
ПРИЛОЖЕНИЕ В 88
1 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И УСТРОЙСТВО ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ 8
1.1 Описание производственного цикла 8
1.2 Устройство гидравлической станции смазки подшипников 9
1.3 Блок управления гидравлической станцией смазки подшипников 11
Выводы по разделу один 12
2 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ АСУ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ
СТАНЦИЕЙ 13
Выводы по разделу два 15
3 РАЗРАБОТКА АСУ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СТАНЦИЕЙ 15
3.1 Выбор аппаратной части АСУ 15
3.1.1 Выбор семейства ПЛК 15
3.1.2 Выбор центрального процессора 17
3.1.3 Выбор модулей входных и выходных сигналов 18
3.1.4 Выбор панели оператора 21
3.1.5 Дополнительное оборудование 22
3.2 Разработка программной части АСУ 23
3.2.1 Разработка алгоритма работы ПЛК 23
3.2.2. Программная реализация алгоритма работы ПЛК 29
3.2.3 Реализация интерфейса панели оператора 38
3.2.3 Реализация веб-интерфейса 42
Выводы по разделу три 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 46
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 47
ПРИЛОЖЕНИЕ А 49
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 55
ПРИЛОЖЕНИЕ В 88
В последние несколько лет металлургическая отрасль наравне со всей российской промышленностью столкнулась с рядом проблем. Среди них можно выделить торговые ограничения, связанные с введенными международными санкциями, а также тенденцию устаревания оборудования, основная часть которого не подвергалась серьезной модернизации с момента основания предприятий.
Поэтому для снижения издержек, связанных с падением качества продукции и простоями, вызванными поломками оборудования, а также для увеличения производительности производства российские компании всё чаще прибегают к автоматизации технологических процессов.
Одним из крупнейших сегментов российской металлургической промышленности является производство металлопроката методом горячей прокатки. Листовая сталь может использоваться в самых различных отраслях, начиная от автомобилестроения и заканчивая пищевой промышленностью. Поэтому к ней применяются достаточно жесткие требования по качеству производства.
Важным этапом в производстве горячего металлопроката является сбив окалины, возникающей при прокатке раскалённой стальной заготовки. Сбив окалины осуществляется большим напором воды, который достигается благодаря использованию мощных насосов высокого давления (НВД). В таких насосах чаще всего нагрузка приходится на гидростатические подшипники. Этот вид подшипников используется чаще остальных, так как по сравнению с обычными шарикоподшипниками обеспечивает меньшую вибрацию, шум и большую компактность при больших нагрузках.
Однако строение данных подшипников подразумевает наличие давления рабочей жидкости в них, а значит, во избежание перегрева НВД необходимо поддерживать это давление при помощи специальной гидравлической системы.
Для поддержания давления могут использоваться различные жидкости, но в данной системе выбор был сделан в пользу гидравлического масла, так как оно обладает широким эффективным температурным диапазоном, а также меньше нагревается в процессе работы.
Рассматриваемая в данной работе гидравлическая система представляет собой 2 насосные станции, основную и резервную, состоящие из 4 масляных насосов каждая, которые обеспечивают смазку подшипников насосов высокого давления. Также в системе имеется бак для хранения масла, нагреватели, теплообменник и 2 насоса, осуществляющие циркуляцию масла внутри системы (с целью охлаждения или нагрева). Включение какого-либо насоса осуществляется вручную, а для отслеживания текущего давления или температуры присутствуют физические аналоговые датчики.
Однако в текущем виде гидравлическая система смазки обладает следующими недостатками:
1) Блок управления данной системы реализован на базе устаревшей релейной схемы, которая поставлялась с насосной станцией ранее. Данная схема реализует лишь базовый функционал ручного включения насосов, а внесение существенных изменений в неё невозможно, так как габариты шкафа не предусмотрены для расширения схемы.
2) Ввиду фиксированной мощности насосов, невозможно точно подстроить величину давления, формируемого системой смазки. Ввиду повышения температуры масла в ходе работы давление может критически снизиться, что повлечет за собой поломку НВД и аварийный простой оборудования.
3) Данная релейная схема не предполагает возможности удаленного управления станцией и отслеживания её технологических показателей, что приводит к временным издержкам в работе оператора, которому приходится перемещаться между различными узлами оборудования для контроля за технологическим процессом, а также повышает вероятность аварии ввиду несвоевременного обнаружения неисправности.
Поэтому цель выпускной квалификационной работы - разработка системы управления гидравлической станцией смазки подшипников путем реализации блока управления системой на базе промышленного логического контроллера (ПЛК), что позволит расширить функционал гидравлической системы, увеличить среднее время безотказной работы и среднее время восстановления работы в случае возникновения неполадок. Для достижения цели необходимо:
1. Ознакомиться с технологией производства горячего металлопроката на предприятии, с принципом работы гидравлической станции смазки подшипников.
2. Провести анализ имеющейся релейно-контактной схемы и принципов её работы.
3. На основе технического задания разработать алгоритм управления гидравлической станцией в автоматическом режиме.
4. Реализовать автоматизированную систему управления гидравлической станцией на базе ПЛК и сопутствующего оборудования.
5. Проанализировать эффективность разработанной системы.
Объект исследований. Автоматизированная система управления гидравлической станцией смазки подшипников.
Предмет исследований. Алгоритм работы, устройство автоматизированной системы управления (АСУ) и человеко-машинный интерфейс гидравлической станцией смазки подшипников.
Методы исследования. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании дисциплин, таких как методология и технология проектирования информационных систем, математическое моделирование, теория автоматического управления.
Алгоритм работы промышленного контроллера реализован в среде TIAPortalStep 7 Professionals языке LDBсоответствии с международным стандартом IEC 61131-3 (ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016).
Программная часть панели оператора реализована в среде TIAPortalWinCCAdvanced.
Веб-интерфейс реализован в среде TIAPortalWinCCUnified.
Практическая значимость. Реализация алгоритма работы на базе ПЛК расширит функционал системы, а также увеличит время безотказной работы и время восстановления при неисправности.
Поэтому для снижения издержек, связанных с падением качества продукции и простоями, вызванными поломками оборудования, а также для увеличения производительности производства российские компании всё чаще прибегают к автоматизации технологических процессов.
Одним из крупнейших сегментов российской металлургической промышленности является производство металлопроката методом горячей прокатки. Листовая сталь может использоваться в самых различных отраслях, начиная от автомобилестроения и заканчивая пищевой промышленностью. Поэтому к ней применяются достаточно жесткие требования по качеству производства.
Важным этапом в производстве горячего металлопроката является сбив окалины, возникающей при прокатке раскалённой стальной заготовки. Сбив окалины осуществляется большим напором воды, который достигается благодаря использованию мощных насосов высокого давления (НВД). В таких насосах чаще всего нагрузка приходится на гидростатические подшипники. Этот вид подшипников используется чаще остальных, так как по сравнению с обычными шарикоподшипниками обеспечивает меньшую вибрацию, шум и большую компактность при больших нагрузках.
Однако строение данных подшипников подразумевает наличие давления рабочей жидкости в них, а значит, во избежание перегрева НВД необходимо поддерживать это давление при помощи специальной гидравлической системы.
Для поддержания давления могут использоваться различные жидкости, но в данной системе выбор был сделан в пользу гидравлического масла, так как оно обладает широким эффективным температурным диапазоном, а также меньше нагревается в процессе работы.
Рассматриваемая в данной работе гидравлическая система представляет собой 2 насосные станции, основную и резервную, состоящие из 4 масляных насосов каждая, которые обеспечивают смазку подшипников насосов высокого давления. Также в системе имеется бак для хранения масла, нагреватели, теплообменник и 2 насоса, осуществляющие циркуляцию масла внутри системы (с целью охлаждения или нагрева). Включение какого-либо насоса осуществляется вручную, а для отслеживания текущего давления или температуры присутствуют физические аналоговые датчики.
Однако в текущем виде гидравлическая система смазки обладает следующими недостатками:
1) Блок управления данной системы реализован на базе устаревшей релейной схемы, которая поставлялась с насосной станцией ранее. Данная схема реализует лишь базовый функционал ручного включения насосов, а внесение существенных изменений в неё невозможно, так как габариты шкафа не предусмотрены для расширения схемы.
2) Ввиду фиксированной мощности насосов, невозможно точно подстроить величину давления, формируемого системой смазки. Ввиду повышения температуры масла в ходе работы давление может критически снизиться, что повлечет за собой поломку НВД и аварийный простой оборудования.
3) Данная релейная схема не предполагает возможности удаленного управления станцией и отслеживания её технологических показателей, что приводит к временным издержкам в работе оператора, которому приходится перемещаться между различными узлами оборудования для контроля за технологическим процессом, а также повышает вероятность аварии ввиду несвоевременного обнаружения неисправности.
Поэтому цель выпускной квалификационной работы - разработка системы управления гидравлической станцией смазки подшипников путем реализации блока управления системой на базе промышленного логического контроллера (ПЛК), что позволит расширить функционал гидравлической системы, увеличить среднее время безотказной работы и среднее время восстановления работы в случае возникновения неполадок. Для достижения цели необходимо:
1. Ознакомиться с технологией производства горячего металлопроката на предприятии, с принципом работы гидравлической станции смазки подшипников.
2. Провести анализ имеющейся релейно-контактной схемы и принципов её работы.
3. На основе технического задания разработать алгоритм управления гидравлической станцией в автоматическом режиме.
4. Реализовать автоматизированную систему управления гидравлической станцией на базе ПЛК и сопутствующего оборудования.
5. Проанализировать эффективность разработанной системы.
Объект исследований. Автоматизированная система управления гидравлической станцией смазки подшипников.
Предмет исследований. Алгоритм работы, устройство автоматизированной системы управления (АСУ) и человеко-машинный интерфейс гидравлической станцией смазки подшипников.
Методы исследования. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании дисциплин, таких как методология и технология проектирования информационных систем, математическое моделирование, теория автоматического управления.
Алгоритм работы промышленного контроллера реализован в среде TIAPortalStep 7 Professionals языке LDBсоответствии с международным стандартом IEC 61131-3 (ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016).
Программная часть панели оператора реализована в среде TIAPortalWinCCAdvanced.
Веб-интерфейс реализован в среде TIAPortalWinCCUnified.
Практическая значимость. Реализация алгоритма работы на базе ПЛК расширит функционал системы, а также увеличит время безотказной работы и время восстановления при неисправности.
1. Анализ существующей гидравлической станции смазки подшипников, используемой в качестве вспомогательного оборудования при производстве горячего металлопроката, показал, что необходимо разработать систему управления данной станцией. Это позволит добавить функционал работы в автоматическом режиме, увеличит время безотказной работы системы и повысит наглядность работы для рабочего персонала.
2. Блок управления АСУ согласно требованиям ТЗ реализован на базе ПЛК Siemens серии SIMATIC S7-300 с центральным процессором CPU 315-2 PN/DP, а также с использованием следующих блоков: 3-х блоков на 32 дискретных входа S7 321, 2-х блоков на 32 дискретных выходов S7 322, блока 8-ми аналоговых входов и 4-х аналоговых выходов S7 331 и S7 332, а также 2 частотных преобразователей SINAMICSG120C.
3. Разработан и представлен в виде блок-схемы алгоритм работы гидравлической станции, обеспечивающий поддержание требуемого давления в подшипниках насосов высокого давления в автоматическом режиме, а также обеспечивающий поддержание требуемой температуры масла, обработку сигналов с датчиков и формирование аварийных сообщений.
4. Алгоритм работы ПЛК S7-300 реализован в среде TIAPortalSimatic STEP 7 на языке LDстандарта IEC 61131-3:2013 / ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016.
5. Выбрана панель оператора SiemensHMIBasicKTP700, а также разработан интерфейс панели в средеTIAPortalWinCCAdvanced, реализующий в реальном времени отображение на экране панели оператора дополнительной информации: отображение текущих показателей работы изменения показателей, контроль за аварийными ситуациями, возникающими в процессе работы, а также средства администрирования системы управления, при помощи которых можно изменять логику работы системы в автоматическом режиме.
6. Для осуществления возможности удаленного управления гидравлической станцией с любого устройства, имеющего выход в локальную сеть, был реализован веб-интерфейс на базе WinCCUnified, который позволяет оператору отслеживать и изменять технологические параметры системы управления.
2. Блок управления АСУ согласно требованиям ТЗ реализован на базе ПЛК Siemens серии SIMATIC S7-300 с центральным процессором CPU 315-2 PN/DP, а также с использованием следующих блоков: 3-х блоков на 32 дискретных входа S7 321, 2-х блоков на 32 дискретных выходов S7 322, блока 8-ми аналоговых входов и 4-х аналоговых выходов S7 331 и S7 332, а также 2 частотных преобразователей SINAMICSG120C.
3. Разработан и представлен в виде блок-схемы алгоритм работы гидравлической станции, обеспечивающий поддержание требуемого давления в подшипниках насосов высокого давления в автоматическом режиме, а также обеспечивающий поддержание требуемой температуры масла, обработку сигналов с датчиков и формирование аварийных сообщений.
4. Алгоритм работы ПЛК S7-300 реализован в среде TIAPortalSimatic STEP 7 на языке LDстандарта IEC 61131-3:2013 / ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016.
5. Выбрана панель оператора SiemensHMIBasicKTP700, а также разработан интерфейс панели в средеTIAPortalWinCCAdvanced, реализующий в реальном времени отображение на экране панели оператора дополнительной информации: отображение текущих показателей работы изменения показателей, контроль за аварийными ситуациями, возникающими в процессе работы, а также средства администрирования системы управления, при помощи которых можно изменять логику работы системы в автоматическом режиме.
6. Для осуществления возможности удаленного управления гидравлической станцией с любого устройства, имеющего выход в локальную сеть, был реализован веб-интерфейс на базе WinCCUnified, который позволяет оператору отслеживать и изменять технологические параметры системы управления.