Помощь студентам в учебе
Разработка мехатронной системы автоматической центровки электродвигателя на испытательном стенде
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 8
1.1 Характеристика предприятия, описание технологического процесса 8
1.2 Характеристика и кинематическая схема проектируемого механизма... 11
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 14
1.4 Выбор системы привода 14
1.5 Расчет и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы (диаграммы
перемещения) 22
1.6 Выбор основного силового оборудования 27
1.7 Защиты привода, расчет уставок защитных устройств 35
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 37
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 37
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 38
2.2.1 Контроллер 38
2.2.2 Энкодер 40
2.2.3 Лазерное измерительное устройство BALTECH SA-4300 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР привода
проектируемого агрегата 42
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 43
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых режимов
работы привода 44
3 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 59
3.2 Расчет сметы единовременных (капитальных) затрат 59
3.3 Расчет РСЭО до внедрения оборудования 61
3.3.1 Расчет фонда заработной платы 62
3.3.2 Отчисления на социальные нужды 62
3.3.3 Прочие расходы 63
3.3.4 Материальные затраты и амортизация 63
3.3.5 Затраты на текущий ремонт 63
3.4 Расчет РСЭО после внедрения оборудования 64
3.4.1 Зарплата, отчисления на социальные нужды, прочие расходы .... 64
3.4.2 Амортизация 64
3.4.3 Затраты на текущий ремонт 65
3.4.4 Материальные затраты 65
3.5 Расчет срока окупаемости 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ВЫБОР ОСНОВНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ 8
1.1 Характеристика предприятия, описание технологического процесса 8
1.2 Характеристика и кинематическая схема проектируемого механизма... 11
1.3 Требования к приводам и системе автоматизации 14
1.4 Выбор системы привода 14
1.5 Расчет и построение нагрузочной диаграммы и тахограммы (диаграммы
перемещения) 22
1.6 Выбор основного силового оборудования 27
1.7 Защиты привода, расчет уставок защитных устройств 35
2 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 37
2.1 Разработка архитектуры системы автоматизации 37
2.2 Выбор контроллеров и датчиков технологических координат 38
2.2.1 Контроллер 38
2.2.2 Энкодер 40
2.2.3 Лазерное измерительное устройство BALTECH SA-4300 40
2.3 Выбор и разработка функциональной схемы САР привода
проектируемого агрегата 42
2.4 Разработка контура регулирования технологических координат 43
2.5 Разработка структурной схемы САУ и моделирование типовых режимов
работы привода 44
3 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 59
3.2 Расчет сметы единовременных (капитальных) затрат 59
3.3 Расчет РСЭО до внедрения оборудования 61
3.3.1 Расчет фонда заработной платы 62
3.3.2 Отчисления на социальные нужды 62
3.3.3 Прочие расходы 63
3.3.4 Материальные затраты и амортизация 63
3.3.5 Затраты на текущий ремонт 63
3.4 Расчет РСЭО после внедрения оборудования 64
3.4.1 Зарплата, отчисления на социальные нужды, прочие расходы .... 64
3.4.2 Амортизация 64
3.4.3 Затраты на текущий ремонт 65
3.4.4 Материальные затраты 65
3.5 Расчет срока окупаемости 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 68
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 71
ПРИЛОЖЕНИЕ А 73
Финальным этапом любого производства любой продукции является проведение комплексов испытаний. Цель испытаний, с метрологической точки зрения, заключается в нахождении посредством измерения истинного значения контролируемого параметра и оценивании степени доверия к нему.
Объём испытаний и трудоёмкость их проведения вследствие расширения функциональных возможностей электронных средств приводит к необходимости автоматизации испытательных и контрольно-измерительных операций путём широкого внедрения средств вычислительной техники.
Производственная практика проводилась в Центре испытаний и исследований (ЦИИС) Челябинского компрессорного завода. Именно это подразделение занимается проведением испытаний выпускаемой продукции, в том числе винтовых компрессоров. В настоящее время ЦИИС разрабатывает стенд СВМК 1000/180 П для испытания винтовых маслозаполненных компрессоров с мощностью приводного двигателя 1 МВт. Аналогичный стенд СВМК для с приводным двигателем до 200 кВт уже разработан и используется на предприятии. Новые компрессоры на нем испытываются постоянно, и каждый раз встает вопрос о точном позиционировании приводного двигателя относительно компрессора, чтобы выполнить точную центровку их валов. Однако, когда эта операция выполняется в ручном режиме, центровка выполняется с недостаточной точностью и занимает большое количество времени. Аналогичные проблемы возникнут после введения в эксплуатацию стенда СВМК 1000/180 П. Поэтому целью данной работы стало повышение эффективности центровки электродвигателей на испытательном стенде путем сокращения времени центровки и повышения ее точности. Достичь этой цели можно посредством разработки мехатронной системы для центрирования валов электродвигателя и компрессора на испытательном стенде. Центра испытаний и исследований на Челябинском компрессорном заводе. Анализ информационных источников на подготовительном этапе работы показал, что схожих систем для автоматической центровки практически не существует, единственное схожее решение не содержит подробной документации и не является коммерческим проектом.
Результатом внедрения мехатронной системы станет существенное сокращение времени, уходящего на центровку, то есть подготовку к испытаниям, а также увеличение точности центровки, что приведет так же к уменьшению затрат на дополнительные ремонты, вызванные повышенной вибрацией и прочими негативными эффектами от неточной центровки.
Таким образом, основной задачей выпускной квалификационной работы стала разработка мехатронной системы автоматической центровки электродвигателя на испытательном стенде.
В первой главе пояснительной записки описано проектирование приводов мехатронной системы: произведен анализ предприятия и описан технологический процесс, приведены характеристики стенда СВМК 1000/180 П; описан предлагаемый механизм и приведена его кинематическая схема; определены требования к приводам и системе автоматизации; выбрана система привода, рассчитаны и построены теоретические диаграмма перемещений, тахограмма и нагрузочные диаграммы, на основе которых далее выбрано основное силовое оборудование; также описаны защитные функции и устройства.
Во второй главе пояснительной записки описано создание системы управления для спроектированных приводов мехатронной системы: описана архитектура будущей системы автоматизации, выбран контроллер и датчики технологических координат; разработана структурная схема системы регулирования, и далее создана модель системы управления в Matlab для проверки работоспособности системы.
Третья глава пояснительной записки содержит обоснование экономической эффективности проекта, и включает в себя расчет производственной программы, расчет единовременных (капитальных) вложений, расчет затрат на содержание и эксплуатацию оборудования до и после внедрения мехатронной системы и расчет срока окупаемости проекта.
Объём испытаний и трудоёмкость их проведения вследствие расширения функциональных возможностей электронных средств приводит к необходимости автоматизации испытательных и контрольно-измерительных операций путём широкого внедрения средств вычислительной техники.
Производственная практика проводилась в Центре испытаний и исследований (ЦИИС) Челябинского компрессорного завода. Именно это подразделение занимается проведением испытаний выпускаемой продукции, в том числе винтовых компрессоров. В настоящее время ЦИИС разрабатывает стенд СВМК 1000/180 П для испытания винтовых маслозаполненных компрессоров с мощностью приводного двигателя 1 МВт. Аналогичный стенд СВМК для с приводным двигателем до 200 кВт уже разработан и используется на предприятии. Новые компрессоры на нем испытываются постоянно, и каждый раз встает вопрос о точном позиционировании приводного двигателя относительно компрессора, чтобы выполнить точную центровку их валов. Однако, когда эта операция выполняется в ручном режиме, центровка выполняется с недостаточной точностью и занимает большое количество времени. Аналогичные проблемы возникнут после введения в эксплуатацию стенда СВМК 1000/180 П. Поэтому целью данной работы стало повышение эффективности центровки электродвигателей на испытательном стенде путем сокращения времени центровки и повышения ее точности. Достичь этой цели можно посредством разработки мехатронной системы для центрирования валов электродвигателя и компрессора на испытательном стенде. Центра испытаний и исследований на Челябинском компрессорном заводе. Анализ информационных источников на подготовительном этапе работы показал, что схожих систем для автоматической центровки практически не существует, единственное схожее решение не содержит подробной документации и не является коммерческим проектом.
Результатом внедрения мехатронной системы станет существенное сокращение времени, уходящего на центровку, то есть подготовку к испытаниям, а также увеличение точности центровки, что приведет так же к уменьшению затрат на дополнительные ремонты, вызванные повышенной вибрацией и прочими негативными эффектами от неточной центровки.
Таким образом, основной задачей выпускной квалификационной работы стала разработка мехатронной системы автоматической центровки электродвигателя на испытательном стенде.
В первой главе пояснительной записки описано проектирование приводов мехатронной системы: произведен анализ предприятия и описан технологический процесс, приведены характеристики стенда СВМК 1000/180 П; описан предлагаемый механизм и приведена его кинематическая схема; определены требования к приводам и системе автоматизации; выбрана система привода, рассчитаны и построены теоретические диаграмма перемещений, тахограмма и нагрузочные диаграммы, на основе которых далее выбрано основное силовое оборудование; также описаны защитные функции и устройства.
Во второй главе пояснительной записки описано создание системы управления для спроектированных приводов мехатронной системы: описана архитектура будущей системы автоматизации, выбран контроллер и датчики технологических координат; разработана структурная схема системы регулирования, и далее создана модель системы управления в Matlab для проверки работоспособности системы.
Третья глава пояснительной записки содержит обоснование экономической эффективности проекта, и включает в себя расчет производственной программы, расчет единовременных (капитальных) вложений, расчет затрат на содержание и эксплуатацию оборудования до и после внедрения мехатронной системы и расчет срока окупаемости проекта.
Целью данной выпускной квалификационной работы являлась разработка мехатронной системы автоматической центровки электродвигателя на испытательном стенде для уменьшения времени центровки электродвигателя и компрессора и повышения ее точности.
В первую очередь был проведен обзор предприятия, выполнен анализ технологического процесса и определены требования к мехатронной системе, то есть к приводам и системе автоматизации. Разработана схема мехатронной системы и кинематическая схема привода. В соответствии с техническими характеристиками стенда в качестве механической части привода выбраны электроцилиндры, в основе которых лежат шарико-винтовые передачи Festo ESBF- BS-63-50-5P для горизонтальных приводов и ESBF-BS-100-50-5P для вертикалных. По теоретическим нагрузочным диаграммам, полученным в результате расчета диаграммы перемещений и тахограмме, выбран шаговый электродвигатель FL86STH118-6004 с моментом 8.7 Нм для вертикального привода и FL86STH80- 5504 с моментом 4.6 Нм, а также редуктор PX86-4 с передаточным отношением 4:1. Двигатели подходят по моменту, также выполнен расчет оптимальной частоты импульсов (шагов) и резонансной частоты, все проверки двигатель прошел и соответствует теоретически рассчитанным значениям. Для управления двигателями выбран драйвер Purelogic PLD86, его технические характеристики удовлетворяют требованиям к приводам.
В ходе разработки системы управления приводами была определена архитектура системы автоматизации всей мехатронной системы. Выбрано управляющее оборудование - контроллер Siemens CPU 1212C с дополнительными модулями, а также датчики технологических координат - это энкодеры, которые поставляются в комплекте с двигателями, а также лазерная измерительная система Baltech SA-4300, которая уже находится в наличии в Центре испытаний. Все выбранное оборудование совместимо между собой и полностью удовлетворяет требованиям к системе автоматизации.
Была разработана структурная схема системы автоматического регулирования для отдельного привода, но основе которой далее создана модель в среде Matlab Simulink. Модель системы управления содержит математическую модель шагового двигателя с настраиваемыми параметрами, построенная на основе множества уравнений, описывающих физические явления в двигателях данного типа. Модель системы управления Simulink позволяет управлять движением привода по положению с использованием обратной связи верхнего уровня, то есть для всей мехатронной системы из 8 приводов в целом) от лазерной измерительной системы (как сигнал задания) и энкодера для каждого привода индивидуально для осуществления управления с использованием пропорционального регулятора положения, который удовлетворяет всем требованиям. Система автоматического управления генерирует бинарные сигналы в зависимости от задания и посылает их на входы STEP и DIR драйвера. Регулирование частоты этих сигналов позволяет управлять скоростью движения привода. С помощью разработанной модели выполнены симуляции перемещения привода при различном задании по положению, и все полученные результаты удовлетворяют поставленным ранее требованиям.
Наконец, была проведена оценка экономической эффективности проекта. Внедрение новой системы автоматической центровки позволит снизить время центровки, по приблизительной оценке, с 2 часов до 15 минут.
Эффектом, который можно оценить, является снижение затрат на дополнительные ремонты, вызванные недостаточно точной центровкой. Они составят не менее 80000 рублей экономии в год.
Тем не менее, основным эффектом от внедрения новой системы можно считать полезную работу по разработке новых устройств, анализу данных, монтажу и наладке, а также по другим направлениям, которую работники Центра испытаний и исследований ЧКЗ будут выполнять в течение времени, освободившегося в результате внедрения новой мехатронной системы. Эта работа может иметь большой положительный экономический эффект, однако его оценка требует более подробных и глубоких расчетов, не предусмотренных в рамках выполнения выпускной квалификационной работы бакалавра.
Капитальные затраты на новое оборудование составили 992833 рубля, при экономии 361796 рублей в год срок окупаемости проекта составит 2 года 9 месяцев, то есть проект можно считать экономически эффективным.
Все задачи, необходимые для достижения цели ВКР и сама цель, были достигнуты.
В первую очередь был проведен обзор предприятия, выполнен анализ технологического процесса и определены требования к мехатронной системе, то есть к приводам и системе автоматизации. Разработана схема мехатронной системы и кинематическая схема привода. В соответствии с техническими характеристиками стенда в качестве механической части привода выбраны электроцилиндры, в основе которых лежат шарико-винтовые передачи Festo ESBF- BS-63-50-5P для горизонтальных приводов и ESBF-BS-100-50-5P для вертикалных. По теоретическим нагрузочным диаграммам, полученным в результате расчета диаграммы перемещений и тахограмме, выбран шаговый электродвигатель FL86STH118-6004 с моментом 8.7 Нм для вертикального привода и FL86STH80- 5504 с моментом 4.6 Нм, а также редуктор PX86-4 с передаточным отношением 4:1. Двигатели подходят по моменту, также выполнен расчет оптимальной частоты импульсов (шагов) и резонансной частоты, все проверки двигатель прошел и соответствует теоретически рассчитанным значениям. Для управления двигателями выбран драйвер Purelogic PLD86, его технические характеристики удовлетворяют требованиям к приводам.
В ходе разработки системы управления приводами была определена архитектура системы автоматизации всей мехатронной системы. Выбрано управляющее оборудование - контроллер Siemens CPU 1212C с дополнительными модулями, а также датчики технологических координат - это энкодеры, которые поставляются в комплекте с двигателями, а также лазерная измерительная система Baltech SA-4300, которая уже находится в наличии в Центре испытаний. Все выбранное оборудование совместимо между собой и полностью удовлетворяет требованиям к системе автоматизации.
Была разработана структурная схема системы автоматического регулирования для отдельного привода, но основе которой далее создана модель в среде Matlab Simulink. Модель системы управления содержит математическую модель шагового двигателя с настраиваемыми параметрами, построенная на основе множества уравнений, описывающих физические явления в двигателях данного типа. Модель системы управления Simulink позволяет управлять движением привода по положению с использованием обратной связи верхнего уровня, то есть для всей мехатронной системы из 8 приводов в целом) от лазерной измерительной системы (как сигнал задания) и энкодера для каждого привода индивидуально для осуществления управления с использованием пропорционального регулятора положения, который удовлетворяет всем требованиям. Система автоматического управления генерирует бинарные сигналы в зависимости от задания и посылает их на входы STEP и DIR драйвера. Регулирование частоты этих сигналов позволяет управлять скоростью движения привода. С помощью разработанной модели выполнены симуляции перемещения привода при различном задании по положению, и все полученные результаты удовлетворяют поставленным ранее требованиям.
Наконец, была проведена оценка экономической эффективности проекта. Внедрение новой системы автоматической центровки позволит снизить время центровки, по приблизительной оценке, с 2 часов до 15 минут.
Эффектом, который можно оценить, является снижение затрат на дополнительные ремонты, вызванные недостаточно точной центровкой. Они составят не менее 80000 рублей экономии в год.
Тем не менее, основным эффектом от внедрения новой системы можно считать полезную работу по разработке новых устройств, анализу данных, монтажу и наладке, а также по другим направлениям, которую работники Центра испытаний и исследований ЧКЗ будут выполнять в течение времени, освободившегося в результате внедрения новой мехатронной системы. Эта работа может иметь большой положительный экономический эффект, однако его оценка требует более подробных и глубоких расчетов, не предусмотренных в рамках выполнения выпускной квалификационной работы бакалавра.
Капитальные затраты на новое оборудование составили 992833 рубля, при экономии 361796 рублей в год срок окупаемости проекта составит 2 года 9 месяцев, то есть проект можно считать экономически эффективным.
Все задачи, необходимые для достижения цели ВКР и сама цель, были достигнуты.