Автоматизация технологического комплекса дробления обогатительной фабрики ПАО ЕВРАЗ-КАГОК

У контроллеров совстроеннымModbus TCP/IP может быть установлена карта памяти, хранящая Web-сервисы, в частности Web-сервер.Типичная производительность для контроллера P34 1000 - 5400 булевых инструкций за миллисекунду, для контроллеров P34 2xxx - 8100 булевых инструкций за миллисекунду. Модули дискретного ввода/вывода имеют до 64 каналов совходными сигналами 24, 48, 110 В как постоянного, так и переменного тока, а также 220 В перем. тока. Для модулей вывода доступны как транзисторные выходы 24 В пост. тока, так и релейные выходы 220 Вперем. тока. Модули аналогового ввода поддерживают унифицированные стандартные сигналы (4-20 мА, 0-10 В), а также все виды датчиков температуры с возможностью подключения до 8 каналов с выходным сигналом 4-20 мА. АЦП имеют 16 бит разрядность модулей аналогового ввода-вывода. К специализированным относятся модули контроля движения для управления сервоприводами с РТО-выходом.Процессорный модуль, блок питания и модули расширения изготовлены с полиуретановым покрытием электронных плат для работы в условиях агрессивной окружающей среды. В таком исполнении расширен диапазон рабочих температурот 0...+60 0С(стандартное исполнение) до -25...+70 0С для покрытого полиуретаном корпуса.5 Синтез локальной системы автоматического регулирования5.1 Выбор серийных датчиковДля автоматизации процесса долбления выбирается оборудование, удовлетворяющее следующим требованиям:- способность работать в неблагоприятных условиях;- надежность;- диапазон измерения;- погрешность измерения;- наличие определенных видов защиты;- несложный монтаж;- наличие унифицированного выходного сигнала.Тензометрический датчик веса SCAIME консольного типа SK30X используется в весоизмерительной системе и обеспечивает измерение веса в диапазоне 200 г - 5000 т, а силы – 0,1 – 5000 Н.Калибруются тензодатчики веса в кг.  Рис. 5.1 - Тензометрический датчик веса SCAIMEТехнические характеристики Тензометрический датчик веса SCAIME SK30X:Диапазон измерений 300; 500, 1000, 2000 кг;Суммарная Погрешность 0,017 %;Напряжение питания, 15 В ;Рабочий коэффициент передачи, 2±0,1%, мВ/В ;Диапазон рабочих температур, °С –20...+60;Диапазон температур компенсированный, °С –10...+40;Предельно допустимая перегрузка, 200 %;Степень защиты по EN 60529 (ГОСТ 1425496) IP68;Материал – нержавеющая сталь.Датчик пригоден для всехтипов промышленных весов. Имеет компактную конструкцию, предназначендляпереоснащениямеханическихплатформенныхвесов и весовых систем.В качестве вторичного прибора используем программируемый измерительный преобразовательс цифровой индикацией IPA 2000 (рис. 5.2).Рис. 5.2 - Вторичный прибор датчика веса SCAIMEIPA 2000Его технические характеристики:● Для высокоскоростных весоизмерительных систем;● Подключение до 4 параллельно соединенных датчиков (350 Ом);● Погрешность измерения 0,05%;● Скорость измерения до 2000 отсчетов/с;● Светодиодный 4разрядный индикатор;● Аналоговый выход ±10 В или 420 мА;● Последовательный интерфейс RS232;● Два параметрируемых релейных выхода;● Дистанционное управление функциями черездискретные входы или интерфейс RS232;● Габаритные размеры 96×96×155 мм;● Степень защиты по передней панели IP65;● Диапазон рабочих температур от –5 до +40°С.В качестве преобразователя переменного тока для контроля нагрузки дробилок используетсяОмь-4 производства ООО НПО "МИР".Измерительныйпреобразователь "ОМЬ" служит для измерения электрических параметров (сила тока, напряжение, мощность, ток коротких замыканий) и преобразования измеренных значений в унифицированные токовые сигналы для систем управления.К преимуществам данных преобразователей можно отнести:-высокая линейность передаточной характеристики, в том числе при малых значениях входных сигналов;-низкая основная погрешность во всем диапазоне измеряемых токов благодаря использованию особого материала для изготовления магнитопроводов входных трансформаторов;-повышенная надежность и улучшенная временная стабильность параметров преобразователей благодаря элементной базе;-расширенный диапазон рабочих температур от - 40 до + 50°С;-минимальное собственное энергопотребление.-возможность подключения цепей питания преобразователей к источникам переменного и постоянного тока (без соблюдения полярности) в широком диапазоне питающих напряжений благодаря специальной плате питания;-стандартный диапазон изменения сопротивления нагрузки от 0 до (2,5 - 3) кОм, от 0 до 0,6 Ом;-унифицированные выходные сигналы постоянного тока (0 - 5) мА, (4 - 20) мА, (0 - 20) мА, (4 - 12 - 20) мА, (0 - 2,5 - 5) мА, (- 5 - 0 - 5) мА.Для измерения и сигнализации уровня руды в бункере и дробилках используемуровнемеры Rosemount серии 5600 - интеллектуальные приборы для измерений уровня различных сред в резервуарах любого типа и размеров. Обладают высокой чувствительностью, применяются в широком диапазоне значений температур и давлений. Внешний вид представлен на рисунке 5.3.Рисунок 5.3.Уровнемер Rosemount 5600Основные технические характеристики:- измеряемые среды: сыпучие и жидкие не пенящиеся продукты;- диапазон измерений: до 50м;- погрешность измерений уровня: ± 5мм;- время обновления данных: 100 мс;- частота: 10 ГГц;- рабочий диапазон давлений: от 0,1 до 5,5 МПа;- рабочий диапазон температур окружающей среды: от -40 до 70°С;- рабочий диапазон температур процесса: от -40 до 400°С;- выходные сигналы: 4-20 мА с цифровым сигналом на базе HART-протокола;- исполнение: взрывозащищенное;- степень зашиты от воздействия пыли и воды IP67;- межповерочный интервал - 2 года;- гарантийный срок эксплуатации - 1 год.5.2 Выбор исполнительных механизмовДля управления электроприводами дробилок, грохотов, питателей используем пускатель типа КМБ-040-100реверсивный бесконтактный.Пускатель реализован схемой управления бесконтактными транзисторными ключами, силовой схемы на семисторах, коммутирующей напряжение питания механизма, и источника питания для дистанционного управления пускателем.Питание осуществляется однофазной сетью переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. Максимальный коммутируемый ток 4 А. Потребляемая мощность 10 ВА. Входной сигнал постоянного тока 24 ± 6 В; входное сопротивление пускателя не менее 750 Ом.Устройство предназначено для работы при температуре окружающего воздуха 5-50 °С и относительной влажности до 80 %.Габаритные размеры 90∙240∙250 мм.Блок управления электродвигателями БУЭР в цепи регулирования производительности дробилки, разработанные и выпускаемые ЗАО «Волмаг»..Блоки управления электродвигателями БУЭР предназначены для бесконтактного управления электрическими исполнительными механизмами.Блоки управления БУЭР имеют следующие преимущества:-современная элементная база, обеспечивающая высокую надежность;-значительно меньшие габариты и вес.Блоки БУЭР выполнены в пластмассовом корпусе с креплением на стандартную DIN-рейку шириной 35 мм и устанавливаются в шкаф.Принцип действия исполнительного механизма заключается в преобразовании электрического сигнала, поступающего от регулирующего или управляющего устройства, в перемещение выходного элемента, передающего перестановочное усилие или момент регулирующему органу.В качестве исполнительного механизма - электропривода дробилки-выбранасинхронный трехфазныйдвигатель с короткозамкнутым ротором АИР-180 М2 (рис. 5.4).Рис. 5.4 - Асинхронный трехфазныйдвигатель с короткозамкнутым ротором АИР-180 М2Технические характеристики электродвигателя АИР 180М2 30/2940:Электродвигатели асинхронные трехфазные закрытого исполнения предназначены для продолжительного режима работы по ГОСТ 183—74 от сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 220/380/660 В. Условия эксплуатации: Вид климатического исполнения У1, У2, У3 по ГОСТ 15150 — 69; 750 мм ротор с 4-мя лезвиями - 130 кг.Техническое описание: Степень защиты IP55 по ГОСТ 17494—87; Способ охлаждения 1С 0151 по ГОСТ 20459—87; Класс вибрации трехфазных двигателей 2,8 мм/с по ГОСТ 20815—93; Уровень звука двигателей в режиме холостого хода соответствует 2 классу ГОСТ 16372—93; Асинхронные 3-х фазные электродвигатели имеют систему изоляции класса нагревостойкости «F» по ГОСТ 8865—93.5.3 Разработка общего вида щита управления КИПиАЩиты предназначены для размещения приборов и аппаратуры автоматического контроля, управления и сигнализации на пунктах управления и состоят из корпуса или каркаса с установленными приборами, аппаратурой, электрической и трубной проводками, подготовленными к подключению внешних цепей.В чертеж общего вида щита входят вид спереди на фронтальную плоскость, вид сбоку, таблица надписей в рамках и перечень основных частей. Вид спереди на фронтальную плоскость содержит изображения размещаемых на ней приборов и органов управления.Общий вид щита управления системы автоматизации процесса дробленияпредставлен на рис. 5.5 в приложении В. На данном чертеже представлены: качестве устройства сопряжения используем контроллер М340, элементы управления двигателями, а также сигнализация параметров и хода процесса.Щит имеет размеры 2200х800х600 и предназначен для работы стоя.При этом обеспечивается оптимальная зона расположения индикаторных элементов и органов управления, щит разрабатывался с учетом эргономических свойств.Электрическая аппаратура размещена в шкафу управления. Кнопки управления смонтированы на крышке пульта управления. Рис. 5.5 - Щит КИП и А системы регулированияСистема электрооборудования линии обеспечивает управление приводами дробилок, грохота и питателя. Питание системы осуществляется от сети напряжением 380/220 В, 50 Гц. Вторичный прибор IPA 2000 расположен на передней стенке шкафа управления, как и сигнализация режимных параметров процесса.Спецификация к щиту управления представлена в приложении Г.5.4 Расчет надежностиРасчет эксплуатационной надежности системы автоматизации производится в соответствии со схемой системы автоматизации процесса дробления.К основными показателям надежности относятся:– средняя наработка на отказ (среднее время безотказной работы) — математическое ожидание наработки до первого отказа;– вероятность безотказной работы P(t) — вероятность того, что в заданном интервале времени t в системе или элементе не возникает отказ;– интенсивность отказов λ(t) — условная плотность распределения времени безотказной работы для момента времени при условии, что до момента времени отказ устройства не произойдет, т.е;– частота отказов — плотность распределения времени безотказной работы или производная от вероятности безотказной работы:.При экспоненциальном распределении времени безотказной работы и при условии постоянства интенсивности отказов λ(t) зависимость вероятности безотказной работы то интенсивности отказов имеет следующий вид:,(5.1)а время безотказной работы.Для расчета надежности элементов и систем сначала рассматриваемая система регулирования разделяется на отдельные элементы (группы элементов).Далее осуществляется определение интенсивности отказов всех групп элементов, предполагая основное соединение по формуле(5.2)гдеλI— интенсивность отказа i-го элемента;N — количество элементов в группе.Данные λI элементов выбираются из справочной литературы. Численные данные и перечень элементов сведены в таблице 5.1.Таблица 5.1 — Интенсивность отказа элементов схемы.Наименование и типы элементовКоличествоNiИнтенсивностьотказовλ*106, 1/часИнтенсивность отказов λIгруппы элементовNi*λj*106, 1/часλmaxλcpλminmaxcpminДатчик уровняRosemount 560043,22,11,612,88,46,4Датчик веса SCIME- SK30X13,22,11,63,22,11,6 Датчик мощности Омь - 431,81,41,15,44,23,3Магнитный пускатель816,1104128,88032Блок управления БУЭР-1-30-00311,28,64,4933,625,813,47 Контроллер10,060,020,01750,060,0220,017Модуль вводааналоговый10,020,010,010,020,010,01Модуль вывода дискретный 10,020,010,010,020,010,01Интенсивность отказа системы183,9120,5441,6Определяется вероятность безотказной работы по формуле 5.1 при значениях времени работы t равных 10, 20, 30, 40, 50 тыс. часов.Таблица 5.2 — Зависимость P(t) = e-λt при λср = 120,54t, час1000020000300004000050000P(t)0,1310,0170,002430,000350,00004Таблица 5.3 — Зависимость P(t) = e-λt при λmax = 183,9t, час1000020000300004000050000P(t)0,0420,00170,00070,0000060,0000007Таблица 5.4 — Зависимость P(t) = e-λt при λmin = 41,6t, час1000020000300004000050000P(t)0,3430,1220,0410,0140,005Зная интенсивность отказов системы, мы можем рассчитать время безотказной работы по формуле: (5.3)Подставляя среднее, минимальное и максимальное значения в формулу, получим:час;час;час.Рисунок 5.6 — График зависимости P(t) от времени эксплуатации.Расчёт показал, что эксплуатационная надёжность отвечает требованиям, предъявленным к системе управления, время безотказной работы - 24038 час. 5.5 Синтез локальной САР производительности процесса дробленияВ соответствии с п. 1.4 и разделом 3 данного курсового проекта выполним синтез и моделирование САР производительности процесса дробления, опираясь на уже изложенные данные. Алгоритмическая структурная схема процесса дробления представлена на рис. 1.13 и в Приложении Д. Соотношениями (3.3) в разделе 3 курсового проекта представлена передаточная функция дробилки по каналу «массовый расход сырья на входе конусной дробилки – массовый расход сырья на выходе».Питатель также описан в разделе 3 передаточной функцией (3.1) по каналу «скорость электропривода конвейера– массовый расходисходного материала».Электроприводом конусной дробилкиявляется асинхронный трехфазный двигательАИР 180М2 30/2940, который описывается передаточной функцией инерционного звена (рис. 1.13) с постоянной времениТд = 0,0034 с и коэффициентом усиления двигателя kд = 4,2.Коэффициенты усиления датчиков kДП = 0,1, kДТ =kДУ=1 (производительности дробилки QДР, тока/мощности двигателя и уровня h заполнения камеры дробилки соответственно), исходя из технической спецификации на данные датчики.Тогда схема 1.13 представляется в виде, показанном на рис. 5.7.Рис. 5.7 - Алгоритмическая структурная схема процесса дробленияВ передаточной функции транспортного запаздывания дробилки уже присутствует запаздывание 20 с, вносимое питателем, и 25 с - время запаздывания самой дробилки.Нелинейные звенья Н31 и Н32 в схеме характеризуютинерционность, вносимую действием обратных связей по уровню заполнения камеры h дробления и току двигателя дробилки при текущих значениях этих параметров ниже их заданных значений. До высоты уровня руды 0,6*hmax  в камере дробления регулирование ведется только по производительности дробилки, при превышении этого уровня – по уровню загрузки и производительности.При перегрузке двигателя дробилкиI > IЗАД  вступает в действие обратная связь по току и реализует снижение подачи руды в дробилку. Проведем моделирование объекта в пакете MatlabSimulink.Рис. 5.8 - Структурная схема процесса дробления в пакете MatlabSimulinkПри подаче на входе единичного ступенчатого сигнала получим переходную характеристику объекта по каналу ”Количество руды в питании дробилки Qп - количество готового продукта Q” (рис. 5.9).Рис. 5.9 - Переходная характеристика объекта по каналу ”Количество руды в питании дробилки Qп - количество готового продукта Q”Статическая ошибка модели объекта составляет ест = 1-0,036 = 0,964, ошибка значительная, необходимо применить ПИ или ПИД - регулятор, чтобы создать астатическую систему.5.6 Выбор регулятора и расчет настроекДля устранения статической ошибки, в качестве регулятора выберем ПИ и ПИД -регуляторы, рассчитаем параметры их настройки и оценим качество регулирования.ПИ-регулятор сочетает в себе преимущества П- и И-регуляторов, т.е. простоту реализации и настройки П-регулятора и отсутствие статической ошибки И-регулятора. ПИ-регулятор можно представить как параллельное соединение пропорционального и интегрирующего или как последовательное соединение интегрирующего и форсирующего звеньев.Параметры настройки ПИ - регулятора рассчитаем по корневому методу синтеза [10]. Для этого аппроксимируем переходную характеристику объекта инерционным звеном с запаздыванием. Результат аппроксимации представлен на рис. 5.10.Рис. 5.10 - Переходная характеристика объекта (красный цвет графика) и аппроксимирующего инерционного звена WA(p) (синий цвет)WA(p) = .Тогда параметры настройки ПИ - регулятора:WПИ(p) = ,; (5.10);; (5.11).WПИ(p) = .Рассчитаем параметры настройки ПИД - регулятора.WПИД(p) = .;;.WПИД(p) = .Рис. 5.11 - Структурная схема системы автоматического регулирования производительности дробилки в пакете MatlabSimulink5.7 Результаты моделирования автоматической системы регулирования производительности дробилкиПостроим переходные характеристики САР производительности дробилки с ПИ и ПИД - регуляторами в пакете MatlabSimulink.Из сравнения переходных характеристик с ПИ и ПИД - регуляторами следует, что переходная характеристика САР с ПИ - регулятором практически монотонна и обладает лучшим быстродействием.Оценим показатели качества САР производительности дробилки, подав на вход системы заданную производительность конусной дробилки 300 т/ч и показав диапазон регулирования ± 1т/ч (рис. 5.13).Рис. 5.12 - Сравнение переходных характеристик САР с ПИ и ПИД - регуляторами Рисунок 5.13–Переходная характеристика САР с ПИ - регулятором по каналу управления ”Количество руды в питании дробилки Qп - количество готового продукта Q”По переходной характеристике определим показатели качества регулирования по каналу управления:- время регулирования: с ;- перерегулирование: ;- статическая ошибка отсутствует.Полученные показатели полностью удовлетворяют точности и быстродействию системы.Таким образом, комбинированная САР процесса дробления обеспечивает требуемую производительность дробилки, защиту ее электродвигателя от перегрузки, исключает переполнение камеры дробления, не содержит статической ошибки.5.8Моделирование локальной комбинированной системы регулирования Согласно [9], алгоритмическая структура комбинированной системы управления по каналу “Δnп-ΔPА” имеет вид:Рис. 5.14. Алгоритмическая структура комбинированной системы управления по каналу “Изменение частоты вращения привода питателя nп с коррекцией по величине активной мощности PА”На рис. 5.14 показана передаточные функции W1(p) иW2(p) по каналам «nэп–QPП»и «QPП –Q1P»соответственно, которые были получены в п.п. 3.1 - 3.3;W4(p) - передаточная функция грохота; передаточные функции Wрег1(p) иWрег2(p) - описание регуляторов в основном и стабилизирующем контурах комбинированной АСР соответственно.Расчет регулятора Wрег2(p) начинаем с контура стабилизации по передаточной функции объекта по каналу «QPП –Q1P». Тогда для ПИ - регулятора по соотношениям (5.10) и (5.11) определим Wрег2(p):Wрег2(p) = .Структурная схема комбинированной системы с регулятором Wрег2(p)вконтуре стабилизации в пакете MatlabSimulink представлена на рис. 5.15.Рис. 5.15 - Структурная схема контура комбинированной системы с регулятором Wрег2(p)вконтуре стабилизации в пакете MatlabSimulinkНа рис. 5.16 представлена переходная характеристика (ПХ) полученной АСР, которую необходимо аппроксимировать и определить передаточную функцию аппроксимирующего звена для определения параметров настройки ПИ - регулятора основного контураWрег1(p). ПХ аппроксимирующего звена также показана на рис. 5.16. Рис. 5.16. Переходные характеристики (ПХ) контура стабилизации и его аппроксимирующего звенаПередаточная функция звена Wа(p), аппроксимирующего контур стабилизации имеет вид:Wа(p) = .По Wа(p) определим параметры настройки ПИ - регулятора основного контураWрег1(p):Wрег1(p) = .Схема комбинированной системы управления по каналу “Изменение частоты вращения привода питателя nп с коррекцией по величине активной мощности PА” показана на рис. 5.17, а ее переходная характеристика - на рис. 5.18.Рис. 5.17. Схема комбинированной системы управления по каналу “Изменение частоты вращения привода питателя nп с коррекцией по величине активной мощности PА”Рис. 5.18. Переходная характеристика комбинированной системы управления по каналу “Δnп-ΔPА”По переходной характеристике определим показатели качества регулирования по каналу управления:- время регулирования: с ;- перерегулирование: ;- статическая ошибка отсутствует.Полученные показатели полностью удовлетворяют точности и быстродействию системы.Таким образом, комбинированная САР управления по каналу “Изменение частоты вращения привода питателя nп с коррекцией по величине активной мощности PА”обеспечивает требуемыепоказатели качества процесса дробления и не содержит статической ошибки.ЗаключениеВ данной курсовой работе описан технологический процесс дробления на обогатительной фабрике ПАО ЕВРАЗ-КГОК, проанализированы основные режимные параметры, которые необходимо регулировать в ходе процесса дробления,выбраны тип, конструкция и функционирование датчиков для контроля массы, уровня и мощности двигателей дробилок. На основе анализа процесса дробления как объекта автоматизации составлена схема автоматизации процесса дробления и общего вида щита управления КИП и А и спецификации к ним. Исследована алгоритмическая структураматематической модели процесса дробления. Выполнен синтез и моделирование контура регулирования производительности дробилки. Проведена оценка качества управления по переходным характеристикам и расчет надежности системы.Схема автоматизированного технологического процесса имеет существенные преимущества передмеханизированной, так как улучшается контроль за процессом, уменьшаются затраты рабочей силы, а так же даётся возможность следить и управлять всем технологическим процессом одному квалифицированному оператору.Совершенствование автоматизации технологических процессов в перерабатывающей промышленности является одним из важнейших условий для повышения качества выпускаемой продукции и эффективности производства в целом.Список литературыКафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств .- М. Высшая школа, 1991г.- 400с.- ил.ЗакгеймА.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов .- М. Химия, 1982г.- 287с.- ил.Медведев А.Е., Чупин А.В. Автоматизация производственных процессов. Уч. пособие. / А. Е. Медведев, А. В. Чупин ;Кузбас. гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2009. – 325 с.Справочник слесаря по контрольно измерительным приборам. Гресько А.А., Долгая А.А. Киев, «Техника – 2005».www.kipiasoft.su - Библиотека специалиста по КИПиАПроектирование систем автоматизации технологических процессов: Справочное пособие по содержанию и оформлению проектов. Емельянов А.И., Капник О.В.М.: Энергоатомиздат, 2006.Прокофьев Е.В. Системы автоматизации в управлении.: Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд - во УГГГА, 1999. Прокофьев Е.В., Ефремов В.Н. Структурная и параметрическая идентификация технологических комплексов и обогатительных фабрик.: Учебное пособие. -Екатеринбург: Изд - во УГГГА, 2000.Прокофьев Е.В.Автоматизация технологических процессов и производств: Методическое пособие по выполнению курсового проекта по дисциплине “Автоматизация технологических процессов и производств” для студентов специальности 220301 - “Автоматизация технологических процессов и производств (в горной промышленности)” Екатеринбург: Изд - во УГГГА, 2007.Суэтина Т.А., Кочетков А.В., Толмачев А.Г., Ли Чжой, Пэн Линь Особенности автоматического управления дробилками первичного дробления // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №5 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/55TVN515.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/55TVN515.Ротач В.Я. Теория автоматического управления энергетическими процессами, М, Энергоатомиздат, 2004.Приборы и средства автоматизации. Каталог Т1. Приборы для измерения. М. 2007.