Разработка электрической принципиальной схемы датчика

 

Согласно заданному режиму 0 ¸ 90⁰С, а также в связи с тем, что ПТК Деконт имеет специализированные модули для подключения термометров сопротивления модификаций R3IN6-50 (для 50-омного датчика), R3IN6-100 (для 100-омного датчика), R3IN6-500 (для 500-омного датчика) выбираем термопреобразователь сопротивления медный ТСМ Метран-203 (50М), выполненный по классу допуска «В». Краткие характеристики датчика следующие:

– Схема соединений: 2-х, 3-х, 4-х проводная для одного чувствительного элемента;

– Диапазон  измеряемых  температур:  50...150°С  (для  класса  допуска «В»);

– Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65 по ГОСТ 14254.

– Ном. значение сопротивления (R₀): 50 ± 0,05 Ом

– Масса: от 0,2 до 1,3 кг (в зависимости от длины монтажной части).

 

Так как датчик имеет сопротивление 50 Ом, то он будет подключен к модулю ввода/вывода R3IN6-50. Данный модуль предназначен для подключения 6 термосопротивлений с сопротивлением 50 Ом. Схема подключения датчика к модулю показана на рисунке 3.9.  

Рисунок 5 – Схема подключения датчика к модулю R3IN6-50     

На рисунке 5 условными обозначениями показаны:

 Rt – термосопротивление, клемма A – питание датчика, B – общий провод, С – измерительный вход.

В связи с тем, что по заданию в АСУТП развальцовки требуется три датчика температуры, то к измерительному модулю сопротивлений ПТК Деконт подключается три аналогичных датчика температуры, выполненных по данной схеме.

Электрическая принципиальная схема датчика представлена в приложении В.

 

 

4.4 Разработка кнопочной станции управления

 

4.4.1 Выбор элементной базы

 

Для управления технологическим процессом необходимо разработать панель управления на базе кнопок и электромагнитных реле, с помощью которых формируются командные сигналы, поступающие на микроконтроллер.

В качестве кнопок будем применять выключатели кнопочные серии ВК14-21. Выключатели предназначены для коммутации электрических цепей управления переменного тока частотой 50 и 60Гц напряжением до 660В и постоянного тока напряжением до 440В. Выключатели применяются для комплектации панелей, пультов, постов и шкафов управления в стационарных установках. Габаритные размеры показаны на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – Габаритные размеры выключателей кнопочных ВК14-21   

Выключатели могут иметь следующие виды контактов:

– 2 замыкающих контакта;

– 1 замыкающий и 1 размыкающий;

– 2 размыкающих контакта;

– 1 замыкающий;

– 1 размыкающий.

Будем использовать реле промежуточное серии РП-16-1. Реле промежуточные РП-16-1 предназначены для применения в электрических схемах промышленной автоматики и релейной защиты. Параметры реле приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Параметры реле РП-16-1

Тип реле	Напряжение питания, В		Коммутируемый ток, А	Коммутируемое напряжение, В		Количество контактов
	постоянного тока	переменного тока		постоянного тока	переменного тока
РП-16	12…220	100…220	0,05…5	24…220	100…220	4з/3р

Так как в разрабатываемой АСУТП большинство цепей питается от источника напряжения 24В, то имеет смысл использовать реле РП-16, с номинальным напряжением 24В.

 

 

4.4.2 Разработка принципиальной электрической схемы

 

Данная панель управления позволяет управлять электроприводом в ручном режиме, обеспечивая возможность вращения электродвигателя в обе стороны, а также возможность его останова. В ручном режиме должны обеспечиваться варианты управления: «Вперед», «Назад», «Стоп». За счет панели коммутации возможность воздействия на электродвигатель с панели управления при автоматическом режиме исключена.

Кнопки «Вперед» (S1) и «Назад» (S2) подключены к обмоткам реле K1 и K2 соответственно. Нормально разомкнутые контакты этих реле замыкают контакты 1, 2 и 3 разъема X1. Разъем X1 соединяется с помощью кабеля к приводу вальцовки. Таким образом, осуществляется управление направлением вращения вальцовки.

Кнопка «Стоп» (S3) предназначена для останова движения. При нажатии на кнопку S3 поступает ток на реле K3. Реле размыкает контакты K3.3 и  остаются в текущем положении до тех пор, пока не будут нажата кнопка S1 или кнопка S2.

Подключение панели управления к ПТК для передачи микропроцессорной системе сигнала будем осуществлять с помощью модуля DIN16C-24.

Схема, поясняющая принцип подключения панели к модулю, показана на рисунке 7. 

Рисунок 7 – Схема подключения панели к модулю DIN16C-24 

 

Схема электрическая принципиальная кнопочной станции управления приведена в приложении Д.

 

 

5 Подсистема вывода

 

5.1 Разработка панели индикации

 

5.1.1 Выбор элементной базы

Для показания состояния технологического процесса и режимов необходимо разработать панель индикации, показывающую режимы работы установки.

В качестве индикаторов выбираем светодиоды зелёного цвета АЛ307ВМ, красного цвета АЛ307БМ и желтого цвета АЛ307ДМ.

Технические характеристики светодиодов занесены в таблицу 7

Таблица 7 – Технические характеристики светодиодов

Тип светодиода	Цвет	Напряжение питания, В	Рабочий ток, mA	Максимальный прямой ток, mA
АЛ307БМ	Красный	2	10	22
АЛ307ВМ	Зеленый	2,8	20	22
АЛ307ДМ	Желтый	2,5	10	22

Будем использовать светодиод красного цвета для индикации:

–  «Стоп»

Будем использовать светодиод желтого цвета для индикации:

– «Ручной»

Будем использовать светодиоды зеленого цвета для индикации:

– «АСУТП»

– «Вперед»

– «Назад»

Светодиоды подключаются к модулю через ограничительные резисторы.

Расчёт ограничительного резистора:

Для АЛ307БМ:

 Ом;

Берем R_к из ряда Е24: R_к = 1,0 кОм±5% тип МЛТ-0,25

 

Для АЛ307ВМ:

 Ом;

Берем R_з из ряда Е24: R_з = 1,0 кОм±5% тип МЛТ-0,25

 

Для АЛ307ДМ:

 Ом;

Берем Rз из ряда Е24: R_ж = 1 кОм±5% тип МЛТ-0,25

 

 

5.1.2 Разработка электрической принципиальной схемы

 

В модуле DOUT8-R07 содержатся 8 реле. У четырех реле замыкающие контакты, у остальных четырех – переключающие. На схеме общий провод обозначен как GND.

В ручном режиме световые сигналы СТОП, ВПЕРЕД, НАЗАД должны формироваться панелью управления. В автоматическом режиме указанные сигналы должны формироваться микропроцессорной системой. Сигналы РУЧНОЕ и АВТОМАТИЧЕСКОЕ формируются только панелью коммутации режимов.

При включении режима РУЧНОЕ нажатием соответствующей кнопки на панели переключения режимов в схеме панели индикации появляется сигнал «РУ», который зажигает соответствующий светодиод. Аналогично происходит зажигание светодиода, индицирующего нажатие кнопки «Автоматическое». Зажигание светодиода индицирующего режим «Вперед» происходит в ручном режиме при поступлении сигнала «Вперед ПУ» с панели управления или же по приходу сигнала «Вперед АУ» от микропроцессорной системы. Цепи светодиодов индицирующих режимы «Стоп» и «Назад» функционируют также как и для режима «Вперед».

Схема электрическая принципиальная панели индикации приведена в приложении Г.

 

5.2 Проектирование привода вальцовки

 

5.2.1 Обоснование компоновки привода

 

В качестве привода выбираем асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Данный тип двигателей является наиболее распространенным в промышленности. К достоинствам можно отнести: высокая надежность и простота.

Электродвигатель подключается к трехфазной сети переменного тока 380. Так как мы должны управлять двигателем с помощью контроллера, то двигатель будет соединен с магнитными пускателями. Магнитный пускатель представляет собой 2 реле, одно из которых подключает двигатель к питающей сети, а другое подключает в обратной последовательности (обычно 1-2-3 и 3-2-1). Таким образом, можно реверсировать двигатель.

Так как при работе асинхронного электродвигателя есть вероятность короткого замыкания (например, при заклинивании механизма), то в магнитных пускателях обычно находятся тепловые реле. Тепловое реле срабатывает при протекании через него большого тока и размыкает силовые линии.

 

 

5.2.2 Выбор элементной базы

 

Согласно заданию, мощность двигателя должна быть 1500 Вт. Берем асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором модели 5А80МВ4. Параметры электродвигателя приведены в таблице 8.

Таблица 8 – Параметры двигателя 5А80МВ4

Номинальная мощность, кВт	1,5
Номинальная частота вращения, об/мин	1500
Номинальный ток при 380 В, А	3,6
КПД, %	76
Коэффициент мощности	0,81
Отношение пускового тока к номинальному	5,5
Отношение пускового момента к номинальному	1,9
Отношение максимального момента к номинальному	2,2
Масса, кг	14,7

 

По заданию, привод должен вращаться в обе стороны, поэтому возьмем реверсивный пускатель с тепловой защитой. Берем пускатель ПМ 12-025641. Параметры пускателя приведены в таблице 9.

 

Таблица 9 – Параметры пускателя ПМ 12-025641

Максимальный ток, А	25
Максимальное напряжение, В	660
Кнопки управления	нет
Число и исполнение контактов вспомогательной сети	2з – 4р
Реверс	да

 

 

5.2.3 Разработка электрической принципиальной схемы привода

 

Электрическая принципиальная схема представлена в приложении Е.

Электродвигатель управляется с помощью магнитного пускателя. Вращение по часовой стрелке происходит при срабатывании реле K1, против – K2. При срабатывании теплового реле K3 вращение прекращается. В магнитном пускателе реализована электрическая защита от короткого замыкания (при включении одновременно реле K1 и K2), это осуществляется с помощью контактов реле K2.3 и K1.3.

Команды на вращение двигателя могут поступать от ЛУСО (разъем X3) или от панели ручного управления (разъем X2). Сигнал режима поступает от разъема X5, к цепям которого подключено реле K5, срабатывающее при включении автоматического режима. Все сигналы управления («Вперед», «Назад») проходят через контакты реле K5, таким образом осуществляется выбор сигналов. Например, при включении автоматического режима, реле K5 срабатывает, контакты K5.1, K5.2 и K5.5 замыкаются и сигналы от ЛУСО проходят к пускателю, а контакты K5.3 и K5.4 размыкаются и сигналы управления от панели управления не проходят на пускатель.

Сигнал «Стоп» подключен к реле K4, все сигналы управления приводом проходят через нормально замкнутые контакты реле К4. Таким образом, при подачи сигнала «Стоп», магнитный пускатель размыкает цепь 380В – электродвигатель.

Текущее состояние привода можно наблюдать на панели индикации, для этого есть разъем X4, к которому подключены контакты реле K1 и K2.

 

 

6  Проектирование платы коммутации режимов «АСУТП» / «Ручной»

 

6.1 Выбор элементной базы

 

Необходимо разработать панель коммутации режимов на базе кнопок и электромагнитных реле, с помощью которых происходит коммутация сигналов от датчиков на ЛУСО.

Для платы коммутации режимов будем использовать два кнопочных выключателя серии ВК14-21, имеющих один замыкающий и один размыкающий контакты.

Будем использовать два реле серии РП-16. Реле промежуточные РП-16 предназначены для применения в электрических схемах промышленной автоматики и релейной защиты. Параметры реле приведены ранее в таблице 6.

 

 

6.2 Разработка электрической принципиальной схемы

 

Главными элементами панели является реле K1 и К2, при срабатывании которых система переходит в автоматический режим работы (контакт K2.1). Включение режимов осуществляется двухпозиционной кнопкой S1. При срабатывании кнопки S1 система переходит в автоматический режим работы «Авт.», а при включении кнопки S2 – ручной «Руч.». При нажатии кнопки S1 происходит срабатывание реле. Параллельно кнопке S1 включен контакт K1.1, таким образом происходит фиксация состояния реле К1 и К2. При нажатии кнопки S2 происходит размыкание цепи +24В – S1/K1.1 – K1 и реле К1 и К2 отключаются.

Кроме разъема питания, панель имеет 3 разъема. К разъему X2 подводятся все сигналы с датчиков: контакты 1-6 - два термосопротивления, контакты 7-8 - датчик крутящего момента и контакты 9-10 датчик угла поворота. А с разъема X4 все сигналы поступают на соответствующие модули. Между разъемами находятся контакты реле К1 и К2, позволяющие в ручном режиме отключить все сигналы, идущие от датчиков на ЛУСО.

С разъема X3 выходят сигналы, определяющие работу привода (от панели управления или от ЛУСО), на блок управления приводом и на панель индикации для индикации текущего режима.

Схема электрическая принципиальная платы коммутации режимов приведена в приложении Ж.

 

 

7 Разработка функциональной схемы АСУТП развальцовки

 

Разработка функциональной схемы АСУТП развальцовки введется в соответствии с функциональными блоками, которые выбираются исходя из особенностей технологического процесса. К ним относятся функциональные блоки: ПТК Decont; персональный компьютер типа IBM PC; блоки питания; модули ввода/вывода; панели и датчики. модули измерения угла поворота, температуры, крутящего момента, система управления приводом вальцовки, блоков управления и индикации. Из этих блоков состоят пять постов, удаленных друг от друга на расстояние 300м. Программируемый логический контроллер «Деконт-182» осуществляет контроль и управление процессом развальцовки. Модули ввода/вывода обмениваются информацией с ним по сети.

Персональный компьютер типа IBM PC является верхним уровнем системы. Он предназначен для сбора информации от контроллера. Еще одно назначение – загрузка технологической программы управления в контроллер.

Блоки питания осуществляют питания всех функциональных модулей системы.

Оператор взаимодействует с оборудованием и панелями: управления, коммутации режимов и индикации. К управляемому оборудованию относится привод вальцовки, который управляется либо от модуля ввода/вывода, либо от панели управления. 

К датчикам относится: датчик крутящего момента, датчик температуры и датчик угла поворота. Датчики обеспечивают сбор информации о текущем состоянии и параметрах оборудования. Все датчики подключены к модулям ввода.

Для датчика угла поворота потребуется счетный дискретный модуль ввода (так как выходным сигналом является последовательность импульсов), для датчика крутящего момента – аналоговый модуль ввода, для датчика температуры – модуль измерения сопротивления.

Модули ввода обеспечивают сбор и первичную обработку информации от датчиков и ее передачу на программируемый логический контроллер. Модули вывода осуществляют преобразование цифрового сигнала в дискретный (включено/выключено).

 

 

8 Разработка структурной схемы АСУТП развальцовки

 

С точки зрения архитектуры построения, комплекс представляет собой структурированную систему, состоящую из унифицированных модулей, базирующихся на принципах сетевых технологий.

Основным элементов АСУТП является программируемый логический контроллер Decont-182. К нему с помощью интерфейса RS-485 подключены модули ввода/вывода. Контроллер имеет несколько портов интерфейса RS-485: В, С и D. Причем, порты C и D не входят в базовую комплектацию и расположены на плате расширения Z-2xRS-485.  

 

 

Рисунок 8 – Структура локальной сети    

 

На рисунке 7.1. показана структура локальной сети. К порту A контроллера Decont-182 подключен персональный компьютер типа IBM PC. Для этого используется сетевой адаптер PC-I-RS485.

Пост 1 и пост 2 соединены в единую сеть, также в эту сеть соединен контроллер Decont-182 (порт B). Принцип соединения других постов такой же. Таким образом, протяженность одной сети составляет 2400 м, что вполне согласуется со стандартом на сети с интерфейсом RS-485 [6, стр.56].

Для подключения датчиков и исполнительных механизмов используем следующие модули ввода/вывода:

1) DIN16C-24 – для ввода дискретных сигналов от датчика угла поворота и панели управления;

2) DOUT8-R07 – для вывода дискретного сигнала на привод;

3) R3IN6-50 – для измерения сопротивления термометра сопротивления;

 

В качестве блоков питания будем использовать следующие блоки:

1) PWS24V1A (24В) – для питания контроллера Decont-182;

2) PWS24V1A (24В) – для питания модулей ввода/вывода;

3) PWS24V1A(24В) – для питания датчиков, исполнительных механизмов и панелей оператора;

4) PWS5V5A (5В) – для питания датчика крутящего момента

 

 

9 Разработка электрической принципиальной АСУТП развальцовки

 

На основании рассмотренного материала и расчета разработаем схему электрическую принципиальную АСУТП развальцовки.

Так как на одну клемму может быть заведено не более 2 проводов, то в схему необходимо добавить клеммный блок (A5). Ввиду того, что модули ЛУСО будут расположены рядом друг с другом, то достаточно будет соединить один модуль с другим. В случае датчиков, исполнительных механизмов и панелей оператора (ввиду их удаленности друг от друга) придется использовать клеммник. Будем использовать клеммник K16-20. 

Каждый датчик или устройство подключается к блокам питания или ЛУСО с помощью разъемов. Это позволяет производить замену датчика не трогая кабели.

Чтобы гальванически разделить микропроцессорные средства и аналоговые/дискретные устройства необходимо использовать разные блоки питания. Поэтому для питания контроллера будем использовать БУ1 PWS24V1A (24В); для модулей ввода/вывода – БУ2 PWS24V1A (24В); для датчика крутящего момента – БУ3 PWS5V5A (5В); для датчиков и исполнительных механизмов – БУ4 PWS24V1A (24В).

 

 

10 Техническое описание АСУТП развальцовки

 

АСУТП предназначена для крепления труб в трубных решетках теплообменных аппаратов трехроликовой вальцовкой. При этом достигается повышение качества и производительности по сравнению с неавтоматизированным производством, а также достигается больший ресурс вальцовочных соединений и инструмента.

В состав АСУТП входит 5 постов развальцовки удаленных на 300 метров. Разработанная система включает в себя датчик крутящего момента, датчик угла поворота, 3 датчика температуры, а также микропроцессорную систему, состоящую из модулей ввода/вывода, контроллера, интерфейсной платы и персонального компьютера типа IBM PC. Также в составе АСУТП имеется привод вальцовочного оборудования, панель индикации, управления и коммутации режимов.

Модули постов взаимодействуют между контроллером по интерфейсу RS-485.

Панель коммутации позволяет переключаться между автоматическим и ручным режимами. В автоматическом режиме технологический процесс осуществляется под управлением микропроцессорной системы. В ручном режиме перемещением вальцовки управляет оператор (кнопки «Вперед» и «Назад»). Кнопка «Стоп» на панели управления позволяет остановить привод вальцовки в случае возникновения аварийных или иных ситуаций.

Панель индикации позволяет наблюдать режимы работы АСУТП и команды, отрабатываемые приводом вальцовки как в ручном, так и автоматическом режимах управления.

Датчик крутящего момента реализован на тензометрическом преобразователе. Датчик угла поворота – на фотоимпульсном преобразователе.

Для осуществления процесса вальцовки оператор включает автоматический режим (кнопка S1, панель коммутации режимов), при этом срабатывает реле K1 и К2 на панели коммутации и выходы/входы датчиков соединяются с модулями ЛУСО, на панели индикации загорается светодиод VD4 («АСУТП»).

При включении ручного режима (кнопка S2 панели коммутации), происходит отключение всех цепей датчиков от модулей ЛУСО. В этом режиме можно производить замену датчиков или модулей ЛУСО.

 

Список использованной литературы

 

1. Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие / Под ред. Р. А. Макарова. М.:Машиностроение, 1975.

2. Данилин, В.Я. Создание АСУТП в отраслях промышленности. Часть I. Основные положения создания АСУТП: учеб. пособ./ ВолгГТУ, Волгоград, 2001.

3. Светодиоды обычной яркости, отечественные. Технические характеристики [Электронный ресурс]. – [2005].– Режим доступа:http://www.amplepro.ru/rr.shtml?page=catalog&pcod=0300000000000000&manuf_id=52

4. Коммутационное оборудование [Электронный ресурс]. – [2005]. – Режим доступа: http://www.emko.ru/rele/rele_391.html

5. Термопреобразователи сопротивления ТСМ и ТСП Метран-200. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. – [2004].– Режим доступа: http://www.metran.ru/rukovodstva/m200.pdf

6. Асинхронные электродвигатели [Электронный ресурс]. – [2006].– Режим доступа: http://www.vemp.ru/files/Asinxronn_elektrodvigateli.pdf

7. Информационный, измерительный и управляющий комплекс Decont. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. – [2005].– Режим доступа: http://www.dep.ru

8. Микроконтроллеры общего назначения для встраиваемых приложений производства ATMEL Corp [Электронный ресурс]. – [2006].– Режим доступа: http://atmel.ru/Articles/ all.html

9. Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200[Электронный ресурс]. – [2006].– Режим доступа: http://www.automation-drives.ru/as/products/microsystems/index.php

10. Программируемые контроллеры SIMATIC S7-300[Электронный ресурс]. – [2006].– Режим доступа: http://www.automationdrives.ru/as/products/simatic_s7/s7_300/index.php

11. ADAM-5000 Series: User's manual [Электронный ресурс]. – [2004].– Режим доступа: URL http://taiwan.advantech.com.tw/unzipfunc/Unzip/5000485%207th.pdf

12. Саргсян, А.Е. Сопротивление материалов, теории упругости и пластичности. Основы теории с примерами расчетов. Учебник /А.Е. Саргсян -М изд-во АСВ, 1998. - 240 с.

13. Преобразователи угловых перемещений ЛИР-112А. Технические условия[Электронный ресурс]. – [2005].– Режим доступа: http://www.skbis.ru/lib.php

14. Пускатели электромагнитные ПМН 12-025 [Электронный ресурс]. – [2005]. – Режим доступа: http://www.emko.ru/puskat/pm12_25.html

15. Схемы подключения термопреобразователей сопротивления [Электронный ресурс]. – [2005]. – Режим доступа: http://asp.tstu.ru/tfs/new/2/param.htm

16. http://www.metran.ru/rukovodstva/m200.pdf