АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ВАГОНОРАЗМОРОЗКИ 9
1.1 Технологии вагоноразморозки 9
1.2 Электронагрев 11
1.3 Конвективный обогрев 12
1.4 Радиационный обогрев 14
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ВАГОНОРАЗМОРОЗКОЙ 21
2.1 Описание технологического процесса 21
2.2 Функциональная схема управления 25
2.3 Моделирование процесса нагрева и идентификация объекта
управления 26
2.4 Математическая модель системы 34
2.5 Структурная схема системы 38
2.6 Выбор оборудования системы 40
2.6.1 Выбор газовой горелки 40
2.6.2 Выбор вентилятора 42
2.6.3 Газовый клапан 46
2.6.4 Программируемый логический контроллер 48
2.6.5 Выбор датчика температуры элементов вагона 50
2.6.6 Выбор датчика температуры воздуха 51
2.6.7 Выбор лазерного барьера 52
2.6.8 Выбор газоанализатора природного газа 52
2.6.9 Выбор газоанализатора угарного газа 53
2.6.10 Выбор датчика давления природного газа 54
2.6.11 Выбор тепловой завесы 55
2.7 Моделирование системы управления вагоноразморозкой в Simulink. 56
3 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВАГОНОРАЗМОРОЗКИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 63
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ВАГОНОРАЗМОРОЗКОЙ 73
4.1 Алгоритмы работы системы вагоноразморозки 73
4.1.1 Режим прогрева 76
4.1.2 Режим разморозки 76
4.1.3 Режим продува 77
4.1.4 Ручной режим 77
4.2 Реализация алгоритмов работы системы на базе ПЛК 77
4.3 Разработка SCADA-системы 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 93
ПРИЛОЖЕНИЯ 102
ПРИЛОЖЕНИЕ А 102
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 106
ПРИЛОЖЕНИЕ В 125
Разморозка полувагонов - это неотъемлемая часть процедуры быстрой и качественной разгрузки железнодорожных составов с углем, рудой, концентратом, бокситами, и т.п., любым сыпучим грузом, который необходимо оперативно и малозатратно разогреть и разгрузить из полувагонов, не повредив подвижной состав [1].
При этом для быстрой и безопасной разморозки необходимо предварительно рассчитать требуемую тепловую мощность нагрева, правильно выбрать оборудование системы, составить и реализовать алгоритмы, обеспечивающие управление системой и контроль безопасности.
Цель данной работы: разработка системы энергоэффективного управления технологическим процессом вагоноразморозки.
Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:
1) обзор существующих технологий вагоноразморозки;
2) разработка структуры автоматизированной системы управления вагоноразморозкой;
3) оптимизация процесса вагоноразморозки с использованием математического моделирования ;
4) разработка программного обеспечения автоматизированной системы управления вагоноразморозкой.
В результате проделанной работы была построена система управления вагоноразморозкой. Был проведен обзор существующих технологий вагоноразморозки, где были выделены их преимущества и недостатки и выбран в качестве применяемого метода радиационной метод в совокупности с конвективным для сокращения энергопотерь.
После чего был описан технологический процесс вагоноразморозки с построением SD-модели системы управления в Solid Edge и составлена функциональная схема управления по ошибке. Далее была составлена математическая модель системы управления, для чего был идентифицирован объект управления - стенка вагона - с помощью COMSOL Multiphysics и MATLAB. После этого было выбрано основное оборудование системы управления и построена и смоделирована структурная схема системы управления в Simulink. Для моделирования системы управления были рассчитаны параметры трехфазного асинхронного двигателя вентилятора в программе MathCad, построена SD-модель вентилятора для определения момента инерции крыльчатки в программе SolidEdge. В результате моделирования системы был получен переходный процесс без перерегулирования и со временем регулирования 1500 с, который удовлетворяет техническому заданию. Также был проведен анализ устойчивости объекта управления, который показал, что объект устойчив.
Следующим этапом была произведена оптимизация процесса управления вагоноразморозкой с точки зрения уменьшения затрачиваемых ресурсов за счет утилизации тепловой энергии горячего воздуха тепляка при останове газовых излучателей. Для этого был смоделирован момент останова горелок в COMSOL Multiphysics (имитационное моделирование) и затрачиваемые ресурсы были представлены суммой стоимости израсходованного природного газа и штрафа за простой при останове горелок. В результате был найден минимум затрачиваемых ресурсов с помощью градиентного метода, который выражается в останове горелок в момент времени 1380 с от начала прогрева при достижении температурой
боковой стенки 49 °С. Полученный экономический эффект за месяц при заданных начальных условиях составил 110 000 руб.
В конечном итоге были составлены алгоритмы работы системы, обеспечивающие безопасное и эффективное управление системой, и реализованы на базе ПЛК S7-1500 на комбинации языков технологического программирования LAD и FBD c построением промышленной сети PROFINET. Для управления системой вагоноразморозки были выделены ручной и автоматический режимы, последний из которых делится на три подрежима: прогрев, разморозка, продув. Далее была разработана SCADA-система WinCC, в которой были реализованы следующие механизмы: подтверждение и сброс аварий и сообщений; авторизация пользователя; системное время; время режима; механизм сообщений; режим симуляции; механизм окон; предупредительная и аварийная цветовая индикация; графики температур и давления элементов системы.
