Помощь студентам в учебе
Реконструкция системы автоматизации загрузочно-выгрузочной машины кольцевой печи участка проката ТПЦ-2 ПАО «ЧТПЗ»
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 8
1.1 Описание объекта автоматизации 8
1.1.1 Описание трубопрокатного цеха №2 8
1.1.2 Описание агрегата 9
1.1.3 Описание объекта управления 10
1.2 Принцип работы объекта автоматизации 15
1.3 Постановка задачи выпускной квалификационной работы 17
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 20
2.1 Разработка интерфейсной схемы автоматизированной системы
управления 20
2.2 Разработка схемы электрической принципиальной системы
управления 23
2.2.1 Выбор ПЛК 23
2.2.2 Выбор интерфейсного модуля 25
2.2.3 Выбор HMI-панелей 27
2.2.4 Выбор блоков питания 29
2.2.5 Проектирование электрического шкафа контроллера 32
2.2.6 Проектирование шкафа оператора 35
2.2.7 Проектирование силового шкафа 41
2.3 Компоновка электрошкафа 42
3 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 46
3.1 Разработка алгоритма работы системы управления 46
3.1.1 Описание алгоритма работы машины 46
3.1.2 Составление блок-схемы 48
3.2 Разработка приложения оператора 68
3.2.1 Панель индикации машины загрузки 69
3.2.2 Панель управления машины загрузки 75
3.2.3 Экран диагностики машины загрузки 76
3.2.4 Экран настройки машины загрузки 77
3.2.5 Панель индикации машины выгрузки 79
3.2.6 Панель управления машины выгрузки 80
3.2.7 Экран диагностики машины выгрузки 81
3.2.8 Экран настройки машины выгрузки 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Электрические принципиальные схемы загрузочно-выгрузочной машины 91
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Компоновка электрических шкафов 117
1 АНАЛИЗ ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 8
1.1 Описание объекта автоматизации 8
1.1.1 Описание трубопрокатного цеха №2 8
1.1.2 Описание агрегата 9
1.1.3 Описание объекта управления 10
1.2 Принцип работы объекта автоматизации 15
1.3 Постановка задачи выпускной квалификационной работы 17
2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 20
2.1 Разработка интерфейсной схемы автоматизированной системы
управления 20
2.2 Разработка схемы электрической принципиальной системы
управления 23
2.2.1 Выбор ПЛК 23
2.2.2 Выбор интерфейсного модуля 25
2.2.3 Выбор HMI-панелей 27
2.2.4 Выбор блоков питания 29
2.2.5 Проектирование электрического шкафа контроллера 32
2.2.6 Проектирование шкафа оператора 35
2.2.7 Проектирование силового шкафа 41
2.3 Компоновка электрошкафа 42
3 РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 46
3.1 Разработка алгоритма работы системы управления 46
3.1.1 Описание алгоритма работы машины 46
3.1.2 Составление блок-схемы 48
3.2 Разработка приложения оператора 68
3.2.1 Панель индикации машины загрузки 69
3.2.2 Панель управления машины загрузки 75
3.2.3 Экран диагностики машины загрузки 76
3.2.4 Экран настройки машины загрузки 77
3.2.5 Панель индикации машины выгрузки 79
3.2.6 Панель управления машины выгрузки 80
3.2.7 Экран диагностики машины выгрузки 81
3.2.8 Экран настройки машины выгрузки 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 89
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Электрические принципиальные схемы загрузочно-выгрузочной машины 91
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Компоновка электрических шкафов 117
В данной выпускной квалификационной работе рассмотрена автоматизация загрузочно-выгрузочной машины кольцевой печи, установленной на участке проката трубопрокатного цеха №2 Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ).
На сегодняшний день ПАО «ЧТПЗ» является одним из крупнейших трубных заводов. В трубопрокатном цехе №2 (ТПЦ-2) выпускаются бесшовные горячекатаные трубы из сплошных заготовок. В процессе изготовления заготовки помещаются в печь для нагрева. За этот процесс отвечает загручно-выгрузочная машина.
В настоящее время постоянно растут требования к промышленному оборудованию. Необходимо повышать точность обработки изделий, производительность. При этом требуется снижение затрат на электроэнергию и сокращение времени простоя в случае отказа оборудования.
Целью данной работы является повышение качества технологического процесса, уменьшение времени простоев и увеличение производительности оборудования за счет модернизации системы автоматизации управления и пульта управления загрузочно-выгрузочной машиной путем применения современного оборудования и новых методов управления.
Для повышения качества производственного процесса применяются современные средства автоматического управления, устройства человеко-машинного интерфейса. Объединение нескольких таких устройств в информационную сеть позволяет сократить количество обслуживающего персонала, повысить качество технологического процесса.
Одним из способов сокращения времени простоя оборудования при его отказе является стандартизация оборудования. Это использование одного оборудования в нескольких установках для выполнения однотипных задач. Данный способ позволяет не только уменьшить время на подготовку и обучение персонала, но и всегда иметь резервные запасные части на складе на таком крупном предприятии.
В таком случае время повторного запуска оборудования сокращается в несколько раз.
В состав современных систем автоматизации входят программируемые логические контроллеры, устройства человеко-машинного интерфейса, логические реле и т.д. Активно применяется промышленная сеть верхнего уровня Profinet, которая позволяет устройствам, расположенным на расстоянии, обмениваться данными со скоростью до 100 Мбит/с. Однако для удаленного управления силовыми преобразователями чаще всего используются самые распространенные простейшие промышленные сети Modbus и USS.
На сегодняшний день ПАО «ЧТПЗ» является одним из крупнейших трубных заводов. В трубопрокатном цехе №2 (ТПЦ-2) выпускаются бесшовные горячекатаные трубы из сплошных заготовок. В процессе изготовления заготовки помещаются в печь для нагрева. За этот процесс отвечает загручно-выгрузочная машина.
В настоящее время постоянно растут требования к промышленному оборудованию. Необходимо повышать точность обработки изделий, производительность. При этом требуется снижение затрат на электроэнергию и сокращение времени простоя в случае отказа оборудования.
Целью данной работы является повышение качества технологического процесса, уменьшение времени простоев и увеличение производительности оборудования за счет модернизации системы автоматизации управления и пульта управления загрузочно-выгрузочной машиной путем применения современного оборудования и новых методов управления.
Для повышения качества производственного процесса применяются современные средства автоматического управления, устройства человеко-машинного интерфейса. Объединение нескольких таких устройств в информационную сеть позволяет сократить количество обслуживающего персонала, повысить качество технологического процесса.
Одним из способов сокращения времени простоя оборудования при его отказе является стандартизация оборудования. Это использование одного оборудования в нескольких установках для выполнения однотипных задач. Данный способ позволяет не только уменьшить время на подготовку и обучение персонала, но и всегда иметь резервные запасные части на складе на таком крупном предприятии.
В таком случае время повторного запуска оборудования сокращается в несколько раз.
В состав современных систем автоматизации входят программируемые логические контроллеры, устройства человеко-машинного интерфейса, логические реле и т.д. Активно применяется промышленная сеть верхнего уровня Profinet, которая позволяет устройствам, расположенным на расстоянии, обмениваться данными со скоростью до 100 Мбит/с. Однако для удаленного управления силовыми преобразователями чаще всего используются самые распространенные простейшие промышленные сети Modbus и USS.
Задачей данного выпускной квалификационной работы является модернизация системы управления загрузочно-выгрузочной машины на основе программируемого логического контроллера (ПЛК) для удаленного управления электро- и пневмоприводами с использованием промышленных сетей.
Одной из проблем существующей системы управления, построенной на контроллере фирмы Omron, является ее неремонтопригодность, ввиду отсутствия запасных частей на складе предприятия и нехватка персонала, знакомого с программированием контроллеров Omron. Предложенная система управления построена на базе промышленного логического контроллера Simatic S7-1513 фирмы Siemens. Это полностью позволит решить данную проблему ввиду того, что все сотрудники службы автоматизации владеют навыками программирования контроллеров фирмы Siemens. Также, контроллер и его дополнительные модули являются стандартным оборудованием ПАО «ЧТПЗ», используются на других установках в этом и других цехах и соответственно содержатся на складах в запасе. Это позволяет в случае выхода из строя контроллера или его дополнительных модулей мгновенно заменить его на рабочий экземпляр, что сокращает время возврата оборудования в рабочее состояние в несколько раз.
Также в существующей системе управления управление в ручном режиме реализовано отдельно от контроллера на реле. В связи с чем из помещения оператора в машзал проложено большое количество кабельной продукции, которая сложна в ремонте и на данном этапе требует замены. В случае возникновения неисправностей поиск и решение проблемы занимает достаточно долгое время. В предложенной системе управления большая часть сигналов передается в машзал по интерфейсу PROFINET. Таким образом из машзала в помещение оператора идут только силовая линия 220 В для питания шкафа оператора и два кабеля промышленной витой пары для обмена информации с контроллером, а реле управления пневмоприводами перенесены в помещение оператора. Два кабеля витой пары использованы для создания кольцевого подключения модулей, что дает дополнительную надежность и помехоустойчивость передаваемой информации.
Еще одной проблемой существующей системы управления является устаревшие элементы управления на пульте управления оператора. Сам пульт оператора не информативен и требует дополнительного времени на подготовку сотрудника к работе. Эти проблемы увеличивают время простоя технологического оборудования при возникновении неисправностей. Для решение этой проблемы полностью переработан пульт оператора. Все сигналы с элементов управления передаются в контроллер, то есть они больше не предназначены для коммутации высокого напряжения, поэтому выбраны современные переключатели, которые имеют стандартное монтажное отверстие и могут, в случае выхода из строя, быть заменены на идентичные переключатели со склада. Для увеличения информативности на панель оператора предложено установить две сенсорных панели оператора Simatic TP900 Comfort, которые в режиме реального времени способны отображать положение и выбранный режим работы каждой машины. При этом на сенсорных панелях полностью дублируется команды управления машинами загрузки и выгрузки, что полностью исключает простои по причинам, связанным с выходом из строя физических элементов управления.
Так же спроектированная система управления выполняет все требования, предъявленные к системе автоматизации. В предложенной системе все исполнительные устройства подключены и управляются с ПЛК как в автоматическом, так и в ручном режиме. На пульт управления оператора установлена ключ-бирка, которая препятствует несанкционированному доступу к управлению загрузочно-выгрузочной машиной. Для безопасности работы программно установлен запрет на автоматическую загрузку или выгрузку заготовки при закрытом соответствующем экране или при вращающейся подине печи. Реализовано требование, которое запрещает начинать автоматическую загрузку или выгрузку если какой-то из исполнительных механизмов находится не в начальном положении или в ручном режиме.
В результате использования сенсорных HMI-панелей реализована индикация положения всех исполнительных механизмов, а также отображение выбранных режимов работы машин и их исполнительных механизмов отдельно. На HMI- панели машины выгрузки всегда отображается количество нагретых заготовок, сброс счетчика заготовок производится оператором вручную. Подсчет заготовок производится только при выгрузке заготовки в автоматическом режиме. На каждой панели оператора есть меню «Настройка» в котором оператор может скорректировать конечные положения для тележек загрузки и выгрузки для первой и второй линий.
Выбранные панели управления Simatic TP900 Comfort имеют возможность подключения сетевой видеокамеры, по которой оператор будет определять возможность загрузки и выгрузки заготовки через изображение на экране. Сейчас это делается с помощью небольших зеркал, которые заставляют оператора сильно напрягать глаза. Также установка сетевых видеокамер дает возможность в дальнейшем модернизировать систему управления для дистанционной работы.
Промышленные контроллеры Simatic серии S7-1500 имеют встроенные входа Ethernet, с помощью которых контроллер со всем его оборудованием можно подключить в рабочую сеть, что даст возможность дистанционного подключения к системе управления с помощью ПК с установленной на нем Simatic WinCC.
Для предложенной системы автоматизации в программной среде Eplan Education 2.7 была разработана электрическая документация с выбором всех необходимых компонентов системы, в том числе схемы питания шкафов и оборудования, подключения датчиков и реле, стоики контроллера и периферийной станции. С помощью утилиты ProPanel для Eplan была разработана компоновка электрошкафов и панели оператора. Все электрические схемы и компоновка шкафов представлены в приложениях А и Б.
Разработан алгоритм работы системы управления в виде блок-схем. Так же в программной среде TIA Portal V14 все управляющие устройства были объединены в одну подсеть, составлена программа для работы контроллера S7-1513, а также спроектированы экраны HMI-панелей машины загрузки и машины выгрузки. Проработана система отображения ошибок и уведомлений, отображающихся на экранах сенсорных панелей. Индикация положения машин загрузки и выгрузки реализована с помощью анимированных изображений на HMI-панелях.
Таким образом в выпускной квалификационной работе предложено решение всех перечисленных проблем существующей системы управления. Все предъявленные требования к системе автоматизации выполнены в полном объеме. Данная система позволяет в несколько раз сократить время простоев по вине загрузочно-выгрузочной машины.
Одной из проблем существующей системы управления, построенной на контроллере фирмы Omron, является ее неремонтопригодность, ввиду отсутствия запасных частей на складе предприятия и нехватка персонала, знакомого с программированием контроллеров Omron. Предложенная система управления построена на базе промышленного логического контроллера Simatic S7-1513 фирмы Siemens. Это полностью позволит решить данную проблему ввиду того, что все сотрудники службы автоматизации владеют навыками программирования контроллеров фирмы Siemens. Также, контроллер и его дополнительные модули являются стандартным оборудованием ПАО «ЧТПЗ», используются на других установках в этом и других цехах и соответственно содержатся на складах в запасе. Это позволяет в случае выхода из строя контроллера или его дополнительных модулей мгновенно заменить его на рабочий экземпляр, что сокращает время возврата оборудования в рабочее состояние в несколько раз.
Также в существующей системе управления управление в ручном режиме реализовано отдельно от контроллера на реле. В связи с чем из помещения оператора в машзал проложено большое количество кабельной продукции, которая сложна в ремонте и на данном этапе требует замены. В случае возникновения неисправностей поиск и решение проблемы занимает достаточно долгое время. В предложенной системе управления большая часть сигналов передается в машзал по интерфейсу PROFINET. Таким образом из машзала в помещение оператора идут только силовая линия 220 В для питания шкафа оператора и два кабеля промышленной витой пары для обмена информации с контроллером, а реле управления пневмоприводами перенесены в помещение оператора. Два кабеля витой пары использованы для создания кольцевого подключения модулей, что дает дополнительную надежность и помехоустойчивость передаваемой информации.
Еще одной проблемой существующей системы управления является устаревшие элементы управления на пульте управления оператора. Сам пульт оператора не информативен и требует дополнительного времени на подготовку сотрудника к работе. Эти проблемы увеличивают время простоя технологического оборудования при возникновении неисправностей. Для решение этой проблемы полностью переработан пульт оператора. Все сигналы с элементов управления передаются в контроллер, то есть они больше не предназначены для коммутации высокого напряжения, поэтому выбраны современные переключатели, которые имеют стандартное монтажное отверстие и могут, в случае выхода из строя, быть заменены на идентичные переключатели со склада. Для увеличения информативности на панель оператора предложено установить две сенсорных панели оператора Simatic TP900 Comfort, которые в режиме реального времени способны отображать положение и выбранный режим работы каждой машины. При этом на сенсорных панелях полностью дублируется команды управления машинами загрузки и выгрузки, что полностью исключает простои по причинам, связанным с выходом из строя физических элементов управления.
Так же спроектированная система управления выполняет все требования, предъявленные к системе автоматизации. В предложенной системе все исполнительные устройства подключены и управляются с ПЛК как в автоматическом, так и в ручном режиме. На пульт управления оператора установлена ключ-бирка, которая препятствует несанкционированному доступу к управлению загрузочно-выгрузочной машиной. Для безопасности работы программно установлен запрет на автоматическую загрузку или выгрузку заготовки при закрытом соответствующем экране или при вращающейся подине печи. Реализовано требование, которое запрещает начинать автоматическую загрузку или выгрузку если какой-то из исполнительных механизмов находится не в начальном положении или в ручном режиме.
В результате использования сенсорных HMI-панелей реализована индикация положения всех исполнительных механизмов, а также отображение выбранных режимов работы машин и их исполнительных механизмов отдельно. На HMI- панели машины выгрузки всегда отображается количество нагретых заготовок, сброс счетчика заготовок производится оператором вручную. Подсчет заготовок производится только при выгрузке заготовки в автоматическом режиме. На каждой панели оператора есть меню «Настройка» в котором оператор может скорректировать конечные положения для тележек загрузки и выгрузки для первой и второй линий.
Выбранные панели управления Simatic TP900 Comfort имеют возможность подключения сетевой видеокамеры, по которой оператор будет определять возможность загрузки и выгрузки заготовки через изображение на экране. Сейчас это делается с помощью небольших зеркал, которые заставляют оператора сильно напрягать глаза. Также установка сетевых видеокамер дает возможность в дальнейшем модернизировать систему управления для дистанционной работы.
Промышленные контроллеры Simatic серии S7-1500 имеют встроенные входа Ethernet, с помощью которых контроллер со всем его оборудованием можно подключить в рабочую сеть, что даст возможность дистанционного подключения к системе управления с помощью ПК с установленной на нем Simatic WinCC.
Для предложенной системы автоматизации в программной среде Eplan Education 2.7 была разработана электрическая документация с выбором всех необходимых компонентов системы, в том числе схемы питания шкафов и оборудования, подключения датчиков и реле, стоики контроллера и периферийной станции. С помощью утилиты ProPanel для Eplan была разработана компоновка электрошкафов и панели оператора. Все электрические схемы и компоновка шкафов представлены в приложениях А и Б.
Разработан алгоритм работы системы управления в виде блок-схем. Так же в программной среде TIA Portal V14 все управляющие устройства были объединены в одну подсеть, составлена программа для работы контроллера S7-1513, а также спроектированы экраны HMI-панелей машины загрузки и машины выгрузки. Проработана система отображения ошибок и уведомлений, отображающихся на экранах сенсорных панелей. Индикация положения машин загрузки и выгрузки реализована с помощью анимированных изображений на HMI-панелях.
Таким образом в выпускной квалификационной работе предложено решение всех перечисленных проблем существующей системы управления. Все предъявленные требования к системе автоматизации выполнены в полном объеме. Данная система позволяет в несколько раз сократить время простоев по вине загрузочно-выгрузочной машины.