Помощь студентам в учебе
Разработка мехатронной системы моталки медной проволоки
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика цеха, описание технологического процесса работы
наматывателя медной проволоки 9
1.2 Характеристика и кинематическая схема наматывателя медной
проволоки 10
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 14
1.4 Выбор системы привода 15
1.5.1 Расчет моментов сил сопротивления 18
1.5.2 Предварительный выбор двигателя 19
1.6 Выбор основного силового оборудования 26
1.7 Защиты привода, расчет уставок защитных устройств 30
1.7.1 Аппаратная защита 30
1.7.2 Программно-аппаратные средства защиты 34
2 РАЗРАБОТКА САУ 36
2.1 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 36
2.2 Архитектура системы автоматизации 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР моталки
медной проволоки 44
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 47
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых
режимов работы привода 50
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 57
3.1 Расчет производственной программы цеха (расчет фактического фонда
рабочего времени и производительности оборудования) 57
3.2 Расчет сметы капитальных затрат 58
3.3 Расчет РСЭО (расходы на содержание и эксплуатацию оборудования)
до внедрения проектируемых мероприятий 59
3.3.1 Расчет фонда заработной платы 59
3.3.2 Отчисления на социальные нужды 60
3.3.3 Амортизация 60
3.3.4 Расходы на электроэнергию 62
3.3.5 Материальные расходы 62
3.4 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых предприятий 63
3.4.1 Амортизация 63
3.4.2 Расходы на электроэнергию 63
3.5 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.6 Составление сводной таблицы технико-экономических показателей 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 9
1.1 Характеристика цеха, описание технологического процесса работы
наматывателя медной проволоки 9
1.2 Характеристика и кинематическая схема наматывателя медной
проволоки 10
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 14
1.4 Выбор системы привода 15
1.5.1 Расчет моментов сил сопротивления 18
1.5.2 Предварительный выбор двигателя 19
1.6 Выбор основного силового оборудования 26
1.7 Защиты привода, расчет уставок защитных устройств 30
1.7.1 Аппаратная защита 30
1.7.2 Программно-аппаратные средства защиты 34
2 РАЗРАБОТКА САУ 36
2.1 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 36
2.2 Архитектура системы автоматизации 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР моталки
медной проволоки 44
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 47
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых
режимов работы привода 50
3 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 57
3.1 Расчет производственной программы цеха (расчет фактического фонда
рабочего времени и производительности оборудования) 57
3.2 Расчет сметы капитальных затрат 58
3.3 Расчет РСЭО (расходы на содержание и эксплуатацию оборудования)
до внедрения проектируемых мероприятий 59
3.3.1 Расчет фонда заработной платы 59
3.3.2 Отчисления на социальные нужды 60
3.3.3 Амортизация 60
3.3.4 Расходы на электроэнергию 62
3.3.5 Материальные расходы 62
3.4 Расчет РСЭО после внедрения проектируемых предприятий 63
3.4.1 Амортизация 63
3.4.2 Расходы на электроэнергию 63
3.5 Расчет срока окупаемости проекта 65
3.6 Составление сводной таблицы технико-экономических показателей 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 67
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 69
Предприятие по производству высоковольтных электродвигателей «Русские электрические двигатели» выпускает электротехническую продукцию при участии ПАО «Транснефть» и АО «Конар». На заводе реализован полный цикл производства электродвигателей: изготовление комплектующих, сборка,
проведение испытаний продукции.
На данный момент в цеху изготовления электродвигателей используется наматыватель медной проволоки для изготовления обмотки двигателей. Медная проволока поставляется на предприятие на больших транспортных барабанах. Для изготовления каждого электродвигателя необходимо определенное количество медной проволоки намотать на технологический барабан. Затем этот барабан устанавливается в специализированный намоточный станок, в котором производится обмотка двигателей. Поскольку плановый объем производства составляет 1000 электродвигателей в год, наматыватель используется для изготовления от 4 единиц продукции в рабочую смену. Фактическое годовое время работы составляет 1932 часа. Существующее оборудование не обеспечивает рекуперацию энергии в питающую сеть и не является экономически целесообразным. Внедрение энергосберегающего привода позволит снизить материальные затраты и уменьшить себестоимость двигателей.
Цель данной работы: разработка мехатронной системы наматывателя медной проволоки с целью снижения энергозатрат при изготовлении обмотки электродвигателей.
Для выполнения этой цели необходимо выполнить множество задач.
В первой главе пояснительной записки описано проектирование приводов мехатронной системы. Был произведен подробный анализ предприятия и описан технологический процесс, приведены характеристики наматывателя медной проволоки. Далее был произведен процесс проектирования механизма и было предложено новое решение там, где это целесообразно. Был описан механизм работы и кинематическая схема установки.
На основании индивидуального задания, полученного от руководителя преддипломной практики на предприятии, а также исходя из анализа требований к технологическим режимам работы, были сформулированы требования к приводам и системе автоматизации. В ходе проектирования были рассчитаны усилия, приложенные к рабочим органам. Произведен сравнительный анализ разных систем приводов и выбрана система электропривода. Были рассчитаны и построены предварительные упрощенные тахограмма и нагрузочная диаграмма, на основе которых было выбрано основное силовое оборудование. Оборудование прошло проверку по нагреву и перегрузочной способности. Также были описаны защитные функции и устройства, спроектирована упрощенная электрическая схема силовой части привода.
Для повышения эффективности производства и снижения энергозатрат при изготовлении обмотки предлагается замена основного силового оборудования: установка энергосберегающего привода на основе частотных преобразователей с возможностью рекуперации электроэнергии обратно в питающую сеть.
Во второй главе была разработана система автоматического управления электроприводом моталки медной проволоки. Была разработана архитектура системы автоматизации, выбраны датчики технологических координат и контроллер. На основании требований к системе автоматизации была спроектирована функциональная схема регулирования, состоящая из двух приводов - привода наматывателя и разматывателя. После разработки функциональной схемы САР, необходимо детализировать систему: разработать контуры регулирования технологических координат. Были выбраны контуры регулирования, для одного привода двухконтурная система, для второго трехконтурная.
Следующим этапом является разработка структурной схемы на основе функциональной. Структурная схема включает в себя расчет передаточных функций звеньев схемы. Финальным этапом разработки САР является моделирование типовых режимов работы привода и их оценка. Одним из инструментов разработки САР является компьютерное моделирование.
Необходимо создать математическую модель САР в пакете Simulink программы MATLAB для типовых режимов работы привода и снять переходные процессы.
Третья глава пояснительной записки содержит ключевой этап проектирования: экономическое обоснование эффективности проекта. Повышение экономических показателей представляет собой основную цель практически любого технического нововведения.
В технико-экономических расчетах поставлены следующие задачи: расчет суммы капитальных вложений, учитывающие стоимость основного оборудования, затраты на его монтаж, транспортировку и прочие расходы.
Далее рассчитано РСЭО (расходы на содержание и эксплуатацию оборудования) до и после внедрения модернизации, учитывая амортизационные отчисления.
Была рассчитана экономическая эффективность проекта. Внедрение энергосберегающего электропривода позволяет экономить на материальных затратах (в т.ч. электроэнергии) более 110 тысяч рублей в год. Срок окупаемости проекта составляет 3 года, что позволяет сделать вывод о его экономической эффективности и целесообразности.
проведение испытаний продукции.
На данный момент в цеху изготовления электродвигателей используется наматыватель медной проволоки для изготовления обмотки двигателей. Медная проволока поставляется на предприятие на больших транспортных барабанах. Для изготовления каждого электродвигателя необходимо определенное количество медной проволоки намотать на технологический барабан. Затем этот барабан устанавливается в специализированный намоточный станок, в котором производится обмотка двигателей. Поскольку плановый объем производства составляет 1000 электродвигателей в год, наматыватель используется для изготовления от 4 единиц продукции в рабочую смену. Фактическое годовое время работы составляет 1932 часа. Существующее оборудование не обеспечивает рекуперацию энергии в питающую сеть и не является экономически целесообразным. Внедрение энергосберегающего привода позволит снизить материальные затраты и уменьшить себестоимость двигателей.
Цель данной работы: разработка мехатронной системы наматывателя медной проволоки с целью снижения энергозатрат при изготовлении обмотки электродвигателей.
Для выполнения этой цели необходимо выполнить множество задач.
В первой главе пояснительной записки описано проектирование приводов мехатронной системы. Был произведен подробный анализ предприятия и описан технологический процесс, приведены характеристики наматывателя медной проволоки. Далее был произведен процесс проектирования механизма и было предложено новое решение там, где это целесообразно. Был описан механизм работы и кинематическая схема установки.
На основании индивидуального задания, полученного от руководителя преддипломной практики на предприятии, а также исходя из анализа требований к технологическим режимам работы, были сформулированы требования к приводам и системе автоматизации. В ходе проектирования были рассчитаны усилия, приложенные к рабочим органам. Произведен сравнительный анализ разных систем приводов и выбрана система электропривода. Были рассчитаны и построены предварительные упрощенные тахограмма и нагрузочная диаграмма, на основе которых было выбрано основное силовое оборудование. Оборудование прошло проверку по нагреву и перегрузочной способности. Также были описаны защитные функции и устройства, спроектирована упрощенная электрическая схема силовой части привода.
Для повышения эффективности производства и снижения энергозатрат при изготовлении обмотки предлагается замена основного силового оборудования: установка энергосберегающего привода на основе частотных преобразователей с возможностью рекуперации электроэнергии обратно в питающую сеть.
Во второй главе была разработана система автоматического управления электроприводом моталки медной проволоки. Была разработана архитектура системы автоматизации, выбраны датчики технологических координат и контроллер. На основании требований к системе автоматизации была спроектирована функциональная схема регулирования, состоящая из двух приводов - привода наматывателя и разматывателя. После разработки функциональной схемы САР, необходимо детализировать систему: разработать контуры регулирования технологических координат. Были выбраны контуры регулирования, для одного привода двухконтурная система, для второго трехконтурная.
Следующим этапом является разработка структурной схемы на основе функциональной. Структурная схема включает в себя расчет передаточных функций звеньев схемы. Финальным этапом разработки САР является моделирование типовых режимов работы привода и их оценка. Одним из инструментов разработки САР является компьютерное моделирование.
Необходимо создать математическую модель САР в пакете Simulink программы MATLAB для типовых режимов работы привода и снять переходные процессы.
Третья глава пояснительной записки содержит ключевой этап проектирования: экономическое обоснование эффективности проекта. Повышение экономических показателей представляет собой основную цель практически любого технического нововведения.
В технико-экономических расчетах поставлены следующие задачи: расчет суммы капитальных вложений, учитывающие стоимость основного оборудования, затраты на его монтаж, транспортировку и прочие расходы.
Далее рассчитано РСЭО (расходы на содержание и эксплуатацию оборудования) до и после внедрения модернизации, учитывая амортизационные отчисления.
Была рассчитана экономическая эффективность проекта. Внедрение энергосберегающего электропривода позволяет экономить на материальных затратах (в т.ч. электроэнергии) более 110 тысяч рублей в год. Срок окупаемости проекта составляет 3 года, что позволяет сделать вывод о его экономической эффективности и целесообразности.
Целью данной выпускной квалификационной работы являлась разработка мехатронной системы моталки медной проволоки с целью снижения энергозатрат при изготовлении обмотки двигателей.
В первую очередь был проведен обзор предприятия, выполнен анализ технологического процесса и сформулированы требования к приводам и системе автоматизации. Разработана кинематическая схема привода. По теоретически рассчитанным нагрузочным диаграммам были выбраны асинхронные электродвигатели для частотного регулирования АИР 132 S4, редуктор с передаточным числом 3,15. Двигатели подходят по моменту, а также прошли проверку по нагреву и перегрузочной способностью. Для управления электродвигателями были выбраны частотные преобразователи Omron 3G3RX-A4075-E1F, их технические характеристики удовлетворяют требованиям к приводам. Далее была разработана упрощенная электрическая схема силовой части системы и выбрано защитное оборудование.
В ходе разработки системы управления приводами была определена архитектура системы автоматизации мехатронной системы моталки. Выбрано управляющее оборудование - контроллер Omron CP1L, а также датчики технологических координат - энкодеры для контроля по скорости, концевые выключатели для определения длины проволоки и тензодатчик для прямого контроля натяжения. Все оборудование совместимо между собой и удовлетворяет требованиям к системе автоматизации.
Была разработана функциональная схема системы управления моталкой, описаны контуры регулирования координат. На основе функциональной схемы была разработана структурная схема и рассчитаны передаточные функции регуляторов и звеньев. Далее была создана модель в среде Matlab Simulink. Модель системы управления содержит два двигателя, один из которых работает в двигательном режиме, а другой в тормозном. Для привода моталки была разработана двухконтурная система регулирования с внутренним контуром момента и внешним контуром скорости. Для разматывателя была разработана трехконтурная система регулирования, включающая в себя внутренний контур момента, промежуточный контур скорости и внешний контур регулирования натяжения. Натяжение создается как разница линейных скоростей между моталкой и разматывателем, заведенная в интегратор с коэффициентом, учитывающим модуль упругости меди, радиус проволоки и расстояние между отдающим и принимающим барабанами. Модель строилась из предположения послойной укладки проволоки, поэтому был разработан блок изменения радиуса и момента инерции. Результаты моделирования удовлетворяют требованиям.
Наконец, была проведена оценка экономической эффективности проекта. Капитальные затраты, включающие в себя стоимость нового оборудования, затраты на транспортировку и монтаж, составили 296,3 тыс. рублей. Общая сумма годовых издержек, то есть РСЭО, составила до внедрения новой технологии: 438101 рублей, после внедрения новой технологии: 342116 рублей. Внедрение энергосберегающего электропривода обеспечивает экономию 110 тысяч рублей в год на материальных затратах. Срок окупаемости проекта равен 3 года. Внедрение энергосберегающего электропривода можно считать экономически эффективным.
Таким образом, цели и задачи выпускной работы были выполнены.
В первую очередь был проведен обзор предприятия, выполнен анализ технологического процесса и сформулированы требования к приводам и системе автоматизации. Разработана кинематическая схема привода. По теоретически рассчитанным нагрузочным диаграммам были выбраны асинхронные электродвигатели для частотного регулирования АИР 132 S4, редуктор с передаточным числом 3,15. Двигатели подходят по моменту, а также прошли проверку по нагреву и перегрузочной способностью. Для управления электродвигателями были выбраны частотные преобразователи Omron 3G3RX-A4075-E1F, их технические характеристики удовлетворяют требованиям к приводам. Далее была разработана упрощенная электрическая схема силовой части системы и выбрано защитное оборудование.
В ходе разработки системы управления приводами была определена архитектура системы автоматизации мехатронной системы моталки. Выбрано управляющее оборудование - контроллер Omron CP1L, а также датчики технологических координат - энкодеры для контроля по скорости, концевые выключатели для определения длины проволоки и тензодатчик для прямого контроля натяжения. Все оборудование совместимо между собой и удовлетворяет требованиям к системе автоматизации.
Была разработана функциональная схема системы управления моталкой, описаны контуры регулирования координат. На основе функциональной схемы была разработана структурная схема и рассчитаны передаточные функции регуляторов и звеньев. Далее была создана модель в среде Matlab Simulink. Модель системы управления содержит два двигателя, один из которых работает в двигательном режиме, а другой в тормозном. Для привода моталки была разработана двухконтурная система регулирования с внутренним контуром момента и внешним контуром скорости. Для разматывателя была разработана трехконтурная система регулирования, включающая в себя внутренний контур момента, промежуточный контур скорости и внешний контур регулирования натяжения. Натяжение создается как разница линейных скоростей между моталкой и разматывателем, заведенная в интегратор с коэффициентом, учитывающим модуль упругости меди, радиус проволоки и расстояние между отдающим и принимающим барабанами. Модель строилась из предположения послойной укладки проволоки, поэтому был разработан блок изменения радиуса и момента инерции. Результаты моделирования удовлетворяют требованиям.
Наконец, была проведена оценка экономической эффективности проекта. Капитальные затраты, включающие в себя стоимость нового оборудования, затраты на транспортировку и монтаж, составили 296,3 тыс. рублей. Общая сумма годовых издержек, то есть РСЭО, составила до внедрения новой технологии: 438101 рублей, после внедрения новой технологии: 342116 рублей. Внедрение энергосберегающего электропривода обеспечивает экономию 110 тысяч рублей в год на материальных затратах. Срок окупаемости проекта равен 3 года. Внедрение энергосберегающего электропривода можно считать экономически эффективным.
Таким образом, цели и задачи выпускной работы были выполнены.