Помощь студентам в учебе
Переход с системы двигатель-генератор на автоматизированное управление индукционной печью с помощью тиристорного преобразователя частоты
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 9
1.1 Существующая технология нагрева металла в печах сопротивления 9
1.2 Описание существующего оборудования 9
1.3 Технологический процесс нагрева металла в печах 10
1.4 Основные недостатки техпроцесса нагрева металла в печах 10
1.5 Цели и задачи автоматизации 12
1.6 Основные направления повышения эффективности техпроцесса
нагрева металла 13
2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 16
2.1 Техническое проектирование системы управления 16
2.2 Физическая сущность индукционного нагрева 16
2.3 Разработка структурной схемы 21
2.4 Разработка РТК 24
2.5 Выбор способа индукционной закалки 26
2.6 Выбор схемы нагревателя 28
2.7 Автоматическое управление электрическим режимом индукционной
установки 29
2.8 Выбор способа и среды охлаждения 32
2.9 Аппаратные и программные компоненты комплекса 33
2.9.1 Эффективный монтаж, независимая наладка 39
2.9.2 Современное ПО верхнего уровня 40
2.9.3 Производительность 41
2.9.4 Отличные коммуникационные возможности 42
2.9.5 Удобное сопровождение 42
2.9.6 Выводы 43
2.10 Разработка архитектуры системы автоматизации 44
2.10.1 Модули ввода-вывода 45
2.10.2 Защита от помех и принципы обработки сигналов 46
2.10.3 Модуль AIN16-I20: универсальные каналы ввода-вывода 47
2.10.4 Интеллектуальные датчики 48
2.10.5 Сетевой протокол 48
2.10.6 Коммуникационные возможности 49
2.10.7 Сменные интерфейсы 49
2.10.8 Архитектура контроллера 50
2.10.9 Супервизор питания 51
2.10.10 Стационарный пульт 52
2.11 Разработка принципиально-электрических схем 53
3 ТОПОЛОГИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 54
3.1 Подключение стационарного пульта оператора 55
3.2 Комплексирование контроллеров 55
3.3 Синхронизация времени 56
4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ ЗАКАЛКИ 57
4.1 Экспериментальная модель закалки изделия 59
5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА 67
5.1 Общий анализ производственных факторов 68
5.2 Защита от электромагнитных полей 71
5.3 Источники электромагнитных полей промышленной частоты
в электроустановках сверхвысокого напряжения (СВН) 73
5.4 Воздействие электромагнитных полей на организм человека 74
5.5 Нормирование электромагнитных полей 77
5.6 Измерение интенсивности электромагнитных полей 78
5.7 Методы защиты от электромагнитных полей 80
5.8 Меры защиты от электрического тока 83
5.9 Профилактика пожарной безопасности в цехе 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 94
ПРИЛОЖЕНИЕ А Принципиально-электрические схемы
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 9
1.1 Существующая технология нагрева металла в печах сопротивления 9
1.2 Описание существующего оборудования 9
1.3 Технологический процесс нагрева металла в печах 10
1.4 Основные недостатки техпроцесса нагрева металла в печах 10
1.5 Цели и задачи автоматизации 12
1.6 Основные направления повышения эффективности техпроцесса
нагрева металла 13
2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ 16
2.1 Техническое проектирование системы управления 16
2.2 Физическая сущность индукционного нагрева 16
2.3 Разработка структурной схемы 21
2.4 Разработка РТК 24
2.5 Выбор способа индукционной закалки 26
2.6 Выбор схемы нагревателя 28
2.7 Автоматическое управление электрическим режимом индукционной
установки 29
2.8 Выбор способа и среды охлаждения 32
2.9 Аппаратные и программные компоненты комплекса 33
2.9.1 Эффективный монтаж, независимая наладка 39
2.9.2 Современное ПО верхнего уровня 40
2.9.3 Производительность 41
2.9.4 Отличные коммуникационные возможности 42
2.9.5 Удобное сопровождение 42
2.9.6 Выводы 43
2.10 Разработка архитектуры системы автоматизации 44
2.10.1 Модули ввода-вывода 45
2.10.2 Защита от помех и принципы обработки сигналов 46
2.10.3 Модуль AIN16-I20: универсальные каналы ввода-вывода 47
2.10.4 Интеллектуальные датчики 48
2.10.5 Сетевой протокол 48
2.10.6 Коммуникационные возможности 49
2.10.7 Сменные интерфейсы 49
2.10.8 Архитектура контроллера 50
2.10.9 Супервизор питания 51
2.10.10 Стационарный пульт 52
2.11 Разработка принципиально-электрических схем 53
3 ТОПОЛОГИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ 54
3.1 Подключение стационарного пульта оператора 55
3.2 Комплексирование контроллеров 55
3.3 Синхронизация времени 56
4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ ЗАКАЛКИ 57
4.1 Экспериментальная модель закалки изделия 59
5 БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА 67
5.1 Общий анализ производственных факторов 68
5.2 Защита от электромагнитных полей 71
5.3 Источники электромагнитных полей промышленной частоты
в электроустановках сверхвысокого напряжения (СВН) 73
5.4 Воздействие электромагнитных полей на организм человека 74
5.5 Нормирование электромагнитных полей 77
5.6 Измерение интенсивности электромагнитных полей 78
5.7 Методы защиты от электромагнитных полей 80
5.8 Меры защиты от электрического тока 83
5.9 Профилактика пожарной безопасности в цехе 86
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 94
ПРИЛОЖЕНИЕ А Принципиально-электрические схемы
Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развития технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.
Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств- потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей средств с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать прежде всего те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.
При строгом выполнении такого принципа разработки и внедрения новых средств, процесс их развития является бы строго оптимальным и как следствие этого, объективных. Однако достаточно строгое обоснование оптимальности средств на стадии их разработки и внедрения практически невозможно из -за сложности и ограниченной точности оценок суммарного ожидаемого эффекта. Поэтому единственным объективным критерием оптимальности средств может быть только широкий их практической эксплуатации, который позволяет отобразить неудачные решения и развития и развить те принципы, схем и конструкции, которые в целом соответствуют требованиям максимальной экономичности.
Наличие такого критерия позволяет рассматривать развитие технических средств автоматизации как в целом объективный процесс. Соответственно постоянно обновляющиеся составы технических средств автоматизации и их технические характеристики могут расцениваться как приближающиеся в среднем к оптимальным на данной ступени развития материального производства.
В соответствии с решениями Правительства России в настоящее время необходимо обеспечение дальнейшего экономического прогресса общества, ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности общественного производства для скорейшего выхода страны из кризиса. В настоящее время особое внимание уделяется необходимости оперативного развития машиностроительной области промышленности. Для этого необходимо разрабатывать и внедрять высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло и хладостойкости применяемых металлов и сплавов. Использование автоматизированных линий и машин, автоматических манипуляторов с программным управлением позволит исключить ручной малоквалифицированный труд, особенно в тяжелых и вредных условиях для человека.
Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данный этап.
Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.
В связи с развитием промышленности усилилось загрязнение окружающей среды, поэтому рациональное использование природных ресурсов - дело государственного значения.
Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств- потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий - изготовителей средств с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств - потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать прежде всего те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта.
При строгом выполнении такого принципа разработки и внедрения новых средств, процесс их развития является бы строго оптимальным и как следствие этого, объективных. Однако достаточно строгое обоснование оптимальности средств на стадии их разработки и внедрения практически невозможно из -за сложности и ограниченной точности оценок суммарного ожидаемого эффекта. Поэтому единственным объективным критерием оптимальности средств может быть только широкий их практической эксплуатации, который позволяет отобразить неудачные решения и развития и развить те принципы, схем и конструкции, которые в целом соответствуют требованиям максимальной экономичности.
Наличие такого критерия позволяет рассматривать развитие технических средств автоматизации как в целом объективный процесс. Соответственно постоянно обновляющиеся составы технических средств автоматизации и их технические характеристики могут расцениваться как приближающиеся в среднем к оптимальным на данной ступени развития материального производства.
В соответствии с решениями Правительства России в настоящее время необходимо обеспечение дальнейшего экономического прогресса общества, ускорение научно-технического прогресса, повышение эффективности общественного производства для скорейшего выхода страны из кризиса. В настоящее время особое внимание уделяется необходимости оперативного развития машиностроительной области промышленности. Для этого необходимо разрабатывать и внедрять высокоэффективные методы повышения прочностных свойств, коррозионной стойкости, тепло и хладостойкости применяемых металлов и сплавов. Использование автоматизированных линий и машин, автоматических манипуляторов с программным управлением позволит исключить ручной малоквалифицированный труд, особенно в тяжелых и вредных условиях для человека.
Постоянное расширение сферы автоматизации является одной из главных особенностей промышленности на данный этап.
Особое внимание уделяется вопросам промышленной экологии и безопасности труда производства. При проектировании современной технологии, оборудования и конструкций необходимо научно обосновано подходить к разработке безопасности и безвредности работ.
В связи с развитием промышленности усилилось загрязнение окружающей среды, поэтому рациональное использование природных ресурсов - дело государственного значения.
В данной работе дана полная характеристика индукционной печи. Описана конструкция печи. Технологические процессы. Так же дано описание применению индукционной печи.
Значительное распространение в последние годы получили индукционные печи. В этих печах нагрева е мое тело помещается в переменное магнитное и электрическое поле и нагревается возникающими в теле вихревыми токами или за счет диэлектрических потерь.
Сюда относятся индукционные печи нормальной частоты со стальным сердечником, широко применяющиеся для плавки цветных сплавов (медных и алюминиевых). Сюда также относятся индукционные печи высокой, средней и низкой частоты без стального сердечника, применяющиеся для плавки стали, чугуна и цветных сплавов. Сюда относятся также индукционные печи весьма высокой частоты для нагрева диэлектриков в высокочастотном электрическом поле (сушка форм и стержней - 6-50 Мгц, древесины - 0,3-0,75 Мгц).
Различают индукционные тигельные печи различной емкости и мощности для плавки стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов.
Наиболее распространенным типом индукционных печей являются печи средней частоты (500-2400 Гц) емкостью 0,06-1 т, предназначенные для плавки стали, но широко используемые также для плавки чугуна и цветных металлов. Эти печи хорошо вписываются в литейные цехи, они удобны для фасонного литья, когда отбор жидкого металла должен осуществляться мелкими порциями. Плавка в этих печах ведется в периодическом режиме с полным сливом металла после каждой плавки.
Широкое применение нашли тигельные печи для плавки и выдержки чугуна, в том числе для получения синтетического чугуна из отходов производства.
Для экономичной работы печи при плавке мелкой шихты остаточная емкость тигля должна составлять 60-70% от номинальной емкости.
Индукционные тигельные печи для плавки алюминия и сплавов на его основе выпускаются в двух исполнениях: на промышленной и на средних частотах.
Применение для плавки алюминиевых сплавов индукционных печей средней частоты рекомендуется в тех случаях, когда к металлу предъявляются особые требования по чистоте от окисных и газовых загрязнений. Эти печи конструируются таким образом, чтобы плавка алюминия велась без разрыва защитной поверхностной окисной пленки вследствие циркуляции расплава.
Индукционные тигельные печи промышленной частоты для плавки медных сплавов используют как при непрерывном, так и при периодическом режимах работы.
При проектировании современных тиристорных преобразователей частоты для индукционного нагрева металлов учитывается необходимость постоянного визуального и непосредственного контакта обслуживающего персонала с преобразователем, внешними устройства ми управления и технологическим оборудование м. Современные полупроводниковые преобразователи частоты относятся к пятому поколению преобразователей по классификации, исходя из возможности применения в системе регулирования цифрового управления, что позволяет осуществить эффективную замену устаревших ППЧ предыдущих поколений. Использование современных тиристорных преобразователей частоты, благодаря приданию им новых функций, обеспечиваемых системой управления, в целом обеспечивает техническую модернизацию существующих технологических установок нагрева ТВЧ.
В рамках данного дипломного проекта мною были рассмотрены контуры контроля и регулирования. Так же мною была разработана математическая модель процесса нагрева металла. Эта модель разработана в программной среде MATLAB с помощью программного пакета Simulink.
Значительное распространение в последние годы получили индукционные печи. В этих печах нагрева е мое тело помещается в переменное магнитное и электрическое поле и нагревается возникающими в теле вихревыми токами или за счет диэлектрических потерь.
Сюда относятся индукционные печи нормальной частоты со стальным сердечником, широко применяющиеся для плавки цветных сплавов (медных и алюминиевых). Сюда также относятся индукционные печи высокой, средней и низкой частоты без стального сердечника, применяющиеся для плавки стали, чугуна и цветных сплавов. Сюда относятся также индукционные печи весьма высокой частоты для нагрева диэлектриков в высокочастотном электрическом поле (сушка форм и стержней - 6-50 Мгц, древесины - 0,3-0,75 Мгц).
Различают индукционные тигельные печи различной емкости и мощности для плавки стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов.
Наиболее распространенным типом индукционных печей являются печи средней частоты (500-2400 Гц) емкостью 0,06-1 т, предназначенные для плавки стали, но широко используемые также для плавки чугуна и цветных металлов. Эти печи хорошо вписываются в литейные цехи, они удобны для фасонного литья, когда отбор жидкого металла должен осуществляться мелкими порциями. Плавка в этих печах ведется в периодическом режиме с полным сливом металла после каждой плавки.
Широкое применение нашли тигельные печи для плавки и выдержки чугуна, в том числе для получения синтетического чугуна из отходов производства.
Для экономичной работы печи при плавке мелкой шихты остаточная емкость тигля должна составлять 60-70% от номинальной емкости.
Индукционные тигельные печи для плавки алюминия и сплавов на его основе выпускаются в двух исполнениях: на промышленной и на средних частотах.
Применение для плавки алюминиевых сплавов индукционных печей средней частоты рекомендуется в тех случаях, когда к металлу предъявляются особые требования по чистоте от окисных и газовых загрязнений. Эти печи конструируются таким образом, чтобы плавка алюминия велась без разрыва защитной поверхностной окисной пленки вследствие циркуляции расплава.
Индукционные тигельные печи промышленной частоты для плавки медных сплавов используют как при непрерывном, так и при периодическом режимах работы.
При проектировании современных тиристорных преобразователей частоты для индукционного нагрева металлов учитывается необходимость постоянного визуального и непосредственного контакта обслуживающего персонала с преобразователем, внешними устройства ми управления и технологическим оборудование м. Современные полупроводниковые преобразователи частоты относятся к пятому поколению преобразователей по классификации, исходя из возможности применения в системе регулирования цифрового управления, что позволяет осуществить эффективную замену устаревших ППЧ предыдущих поколений. Использование современных тиристорных преобразователей частоты, благодаря приданию им новых функций, обеспечиваемых системой управления, в целом обеспечивает техническую модернизацию существующих технологических установок нагрева ТВЧ.
В рамках данного дипломного проекта мною были рассмотрены контуры контроля и регулирования. Так же мною была разработана математическая модель процесса нагрева металла. Эта модель разработана в программной среде MATLAB с помощью программного пакета Simulink.