32693

Система управления демонстратора патронного керамического фильтра

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Автоматическое управление системой водоочистки; увеличение надежности работы очистного оборудования, составляющего ДПКФ благодаря возможности контроля всех его элементов в частности и всей системы в целом; уменьшение затрат на затрачиваемые при очистке воды ресурсы за счет более оптимального их использования; увеличение точности и оперативности получения информации о состоянии системы водоочистки, а также о расходе ресурсов, с целью принятия значимых управленческих решений...

Русский

2014-12-01

1.14 MB

2 чел.

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ 

Дисциплина: «Системы автоматизации и управления»

Наименование темы: «Система управления демонстратора патронного керамического фильтра»


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение населения качественной питьевой водой является приоритетной социальной проблемой любой страны, решение которой направленно на достижение главной цели - улучшение и сохранение здоровья населения и в целом - безопасности нации.

Среди многих отраслей современной техники, направленных на повышение уровня жизни людей, благоустройства населенных пунктов и развития промышленности, водоснабжение занимает почетное место.

Для нужд современных городов, промышленных предприятий и энергохозяйств необходимо огромное количество воды, строго соответствующей по своим качествам требованиям ГОСТ 28.74-82 "Вода питьевая".

Проблема улучшения качества питьевой воды является наиболее острой, особенно в отношении очистки подземных вод от соединений железа, содержание которого превышает нормативные в 5-10 и более раз. В питьевой воде не должно содержаться возбудителей болезней, она не должна обладать вредными для здоровья свойствами и должна соответствовать требованиям, предъявляемым органами здравоохранения к питьевой воде. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед поступлением ее в распределительную водопроводную сеть, а также в точках водозабора наружной и внутренней водопроводной сети.

Для проектирования сооружений водоподготовки обязательным является проведение предварительных микробиологических, биологических и физических исследований сырой воды с учетом местных условий.

Химическое и физическое исследование воды следует проводить с целью определения веществ, присутствующих в воде (качественный и количественный анализы).

На данный момент качество воды в различных регионах страны может сильно отличаться (все зависит от численности населения, рек, стоков, наличия крупных предприятий), но в целом вода не может похвастаться высоким качеством, а простые угольные фильтры не в состоянии произвести максимальную водоочистку, избавить ее ото всех примесей и бактерий. Для повышения качества водоочистки приходится использовать самые современные технологии, а процесс очистки делать по-настоящему комплексным и проводить водоподготовку.

Водоподготовка - цикл мероприятий по водоочистке, который осуществляется с помощью установок умягчения, обезжелезивания и другого оборудования. Промышленная водоподготовка обеспечивается не только благодаря установкам умягчения и обезжелезивания, но также с помощью сорбционных, осадочных установок и ультрафиолетовых обеззараживателей. Используя подобную автоматизированную технику для промышленной водоподготовки, можно сделать водоочистку практически непрерывным процессом, не тормозящим производство и обеспечивающим все стадии работ водой необходимого качества.

В данном курсовом проекте речь пойдет о демонстраторе патронного керамического фильтра (далее ДПКФ) с автоматизированной системой управления. Демонстратор представляет собой макет реальной установки, полностью повторяющий процесс очистки воды. Целями данного курсового проекта являются:    

—   автоматическое управление системой водоочистки;  

—   увеличение надежности работы очистного оборудования, составляющего ДПКФ благодаря возможности контроля  всех его элементов в частности и всей системы в целом;      

—   уменьшение затрат на затрачиваемые при очистке воды ресурсы за счет более оптимального их использования;     

—   увеличение точности и оперативности получения информации о состоянии системы водоочистки, а также о расходе ресурсов, с целью принятия значимых управленческих решений;     

—   ведение учета параметров и событий в системе водоочистки;

—   контроль качества очищенной воды, при понижении которого незамедлительно выполняются меры по улучшению водоочистки.

1 ДЕМОНСТРАТОР КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Фильтровальные установки ПКФ с керамическими фильтрующими элементами применяются для высокопроизводительной фильтрации, очистки, утилизации и обезвреживания промышленных суспензий и растворов под давлением.

1.1 Технические требования и характеристики

Технические характеристики ДПКФ:

  •  Номинальная площадь фильтрации     0,025 м2.
  •  Температура обрабатываемой суспензии   10…80°С.
  •  Потребляемая мощность, не более    0,3 КВт.
  •  Напряжение и частота питания     220 В, 50 Гц;

                                                                                               110 В, 60 Гц.

Электрический монтаж на демонстраторе  должен быть выполнен с учетом всех действующих требований электробезопасности.

Система управления должна обеспечивать автоматическое поддержание заданного режима работы демонстратора, индикацию и запись всех измеряемых параметров процесса фильтрации:

  •  температуры суспензии;
  •  объем суспензии, прошедшей через фильтр;
  •  объем выхода фильтрата из фильтра;
  •  давления в корпусе фильтра;
  •  давления в линии фильтрата.

Система управления должна быть построена на базе мобильного компьютера (ноутбука).

Должно быть предусмотрено ручное включение насоса в обход системы автоматического управления.

Демонстратор должен эксплуатироваться в производственном  помещении при температуре от 15 – 400С и относительной влажности до 90%.

Режим работы  – длительный непрерывный, с автоматическим поддержанием заданных параметров работы.

1.2 Конструкция и принцип работы демонстратора патронного керамического фильтра

Технологическая схема демонстратора представлена в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

Структура ДПКФ включает в себя:

—  пульт управления (оператор);

—  фильтр патронный керамический;

—  центробежный насос;

—  преобразователь частоты;

—  датчики контроля технологических параметров.

Изначально загрязненная вода находится в емкости для суспензии А3.

Насосом Н1 вода со взвешенными частицами через расходомер FE1 подается на пьезокристаллический активатор А2, где обрабатывается излучением его головки.

После обработки в активаторе вода поступает через клапан К7 на патронный фильтр А1.

Во время работы фильтра вода при открывании клапана К7 нагнетается насосом Н1 в его корпус. При заполнении корпуса по сигналу от датчика уровня LE1 клапан К1 закрывается, и давление в корпусе фильтра поднимается насосом до заданной величины, которая контролируется датчиком давления PE1 и дополнительно оператором по манометру PI1. Фильтрат (очищенная вода), прошедший через мембраны фильтрующих патронов, через основание корпуса отводится в выводной трубопровод. Концентрат накапливается в корпусе фильтра и удаляется при его промывке. При достижении заданной величины падения производительности фильтра (которая измеряется по показаниям расходомеров FE1 на линии загрязненной воды и FE2 на линии чистой воды), либо заданного перепада давления на фильтре (по показаниям датчиков давления PE1 и  PE2), либо через заданное время происходит промывка фильтра.    

Для промывки керамических фильтрующих элементов используется запас очищенной воды (фильтрата), набираемый в емкость А4 при работе ДПКФ. Очищенная вода насосом Н1 через клапан  К5 подается в полость фильтрующего элемента для промывки его «Обратным потоком». При этом концентрат загрязнений сбрасывается соответственно через клапан К2.

 

2 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДПКФ

Структура АСУ демонстратора патронного керамического фильтра имеет двухуровневую структуру. На нижнем уровне системы находятся электронные устройства – датчики, модуль ввода-вывода и прочая автоматика. На данном уровне выполняется сбор данных и передача управляющих сигналов на устройства модуля. На верхнем уровне  (уровень оператора) производится контроль состояния системы в пригодном, для понимания оператора, виде. Здесь используются программные средства, инструменты для получения и представления информации, для оповещения оператора системы здесь реализованы средства визуальной и звуковой индикации.           

В качестве верхнего уровня АСУ предлагается использование рабочего места оператора на персональном компьютере с применением SKADA системы.  SCADA (аббр. от англ. supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.     

В качестве программного обеспечения для системы управления я применяю продукт фирмы  National  Instruments (США) – LabVIEW  версии  7. Данная версия программного продукта является условно-бесплатной, поэтому приобрести ее не составило труда. Также выбор именно этого программного продукта обоснован тем, что с его функционалом и основными приемами разработки мы познакомились в курсе лекций   “Системы автоматизации и управления”.        Функциональная схема системы управления представлена в ПРИЛОЖЕНИИ 2.           Модульная система сбора данных через интерфейс USB сообщается с персональным компьютером. В качестве модуля ввода/вывода используется USB-устройство сбора данных, которое содержит как аналоговые вводы, так и аналоговые и цифровые выводы. Поэтому данный модуль способен обрабатывать сигналы с датчиков и посылать управляющие сигналы к исполнительным устройствам. Исполнительными устройствам в данной системе являются клапаны и привод насоса. Для сопряжения исполнительных устройств с системой управления, а также для гальванической развязки между управляющей и силовой частью используются реле.   

Так как привод насоса является частотно-регулируемым, то для подачи и циркуляции воды в системе ДПКФ используется центробежный насос со встроенным преобразователем частоты. Управляющие сигналы на преобразователь частоты  передаются через USB-устройство сбора данных по аналоговому выводу, а управление клапанами осуществляется по цифровым каналам все от того же модуля.

3 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ

3.1 Насос

Насос Grundfos TPE 32-30/4 серии 1000 мощностью 0,12 кВт со встроенным преобразователем частоты.

Grundfos является ведущим мировым производителем насосного оборудования и новатором в области инновационных и комплексных решений в насосостроении. Отличительными особенностями всех насосов Grundfos являются непревзойденная надежность и эффективность, которые и предопределяют выбор большинства профессионалов.

Вертикальные, многорядные насосы Grundfos TP и TPE используются в различных областях применения. Данные насосы являются одноступенчатыми, многорядными, центробежными насосами со стандартными двигателями и торцевыми уплотнениями вала. Данные насосы имеют короткую муфту, т.е. насос и двигатель являются отдельными блоками. Соответственно данные насосы менее чувствительны к загрязнениям перекачиваемой жидкости, чем аналогичные насосы с герметизированным ротором.

Имеется две различные модели вертикальных, многорядных насосов. Необходимо отметить, что существует несколько специальных вариантов исполнения каждой модели.

Основным различием между насосами TP и TPE является двигатель. Двигатели насосов TPE имеют встроенный преобразователь частоты, позволяющий использовать различные методики управления. Насосы TPE имеют преимущества в виде лучшего энергосбережения и повышенного уровня комфорта.

Таблица 3.1 – Технические данные насоса

Количество фаз

1

Вольтаж

200-240 В

Мощность электродвигателя

0,12 кВт

Расход

340 м3

Напор

90 м

Температура жидкости

от -25 до +140 0С

Макс. рабочее давление

16 бар

Рисунок 3.1 – Насос Grundfos TPE 32-30/4

3.2 Датчики давления

Малогабаритные датчики Метран-55 предназначены для работы в различных отраслях промышленности, системах автоматического контроля,

регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование измеряемых величин избыточного (ДИ), абсолютного (ДА) давления, разрежения (ДВ), давления-разрежения (ДИВ) нейтральных и агрессивных сред в унифицированный токовый выходной сигнал. Простота конструкции, надежность, малые габариты, невысокая стоимость обеспечивают повышенный спрос потребителей.

Основные технические параметры:

- Измеряемые среды: жидкость, пар, газ (в т.ч. газообразный кислород)

- Диапазон измеряемых давлений: минимальный 0-0,06 МПа;

                                                        максимальный 0-100 МПа

- Выходной сигнал: 4-20, 0-5 мА

- Температура окружающего воздуха: -40...70°С

- Межповерочный интервал: 3 года

- Степень защиты от воздействия пыли и воды: IP65

Рисунок 3.2 – Схема внешних электрических соединений датчика

 

Рисунок 3.3 – Датчик давления Метран-55

В нашей системе используется 2 датчика-преобразователя давления.

Для дополнительного контроля давления оператором будем использовать цифровые манометры ДМ 5001 (2 шт.).

Основные технические характеристики:

- Диапазоны давления: от 0…1 МПа до 0…160 МПа;

- Основная погрешность: не превышает 1%.

Рисунок 3.4 – Манометр ДМ 5001

3.3 Расходомеры электромагнитные

Электромагнитный расходомер Promag 51P

Рисунок 3.5 – Расходомер Promag 51P

Таблица 3.2 – Технические характеристики расходомера

Принцип измерения

Электромагнитные расходомеры

Характеристики

Модуль S-DAT

Функция самодиагностики

Быстрая настройка с меню "Quick SetUp"

ECC 

2 сумматора

Пулевидные электроды

Диаметр

DN 15...600

Погрешность измерения

±0.5%

±0.2% (опция)

Диапазон измерения

0...9600 м3/ч

Диапазон рабочего давления

PN10...40

Рабочая температура

-40...+150°C 

Окружающая температура

-20...+60°C

-40...+60°C (optional)

Степень защиты электроники

IP 67 (NEMA 4x)

IP 68 (Nema 6P)

Дисплей/Настройка

2х-строчный с подсветкой дисплея

Клавиши управления

Выходные сигналы

4...20 мА

Импульсно-частотный

Сигнал состояния

Входные сигналы

Сигнал состояния

Коммуникация

HART

Сертификаты на взрывозащиту

ATEX

 Для нашей системы необходимо 2 расходомера.

3.4 Датчик уровня

Рисунок 3.6 – Датчик уровня LMP 331i

Интеллектуальные датчики серии LMP 331i представляют следующее поколение датчиков давления и являются дальнейшим развитием наших стандартных датчиков для промышленного применения. Датчики предназначены для универсального применения в промышленности и соответствуют высоким требованиям по точности и стабильности характеристик. Механическая конструкция датчика выполнена в соответствии со стандартной схемой исполнения. В датчиках применён принципиально новый цифровой усилитель, основанный на микропроцессорной сборке, а также 16-битный аналого-цифровой преобразователь, что позволяет обойтись без применения дополнительного аналогового усилителя. Блок обработки осуществляет активную компенсацию характеристик чувствительного элемента, таких как эффекты

нелинейности, влияние температуры.

Технические параметры:

 Рисунок 3.7 – Схема подключения

3.5 Датчик температуры

Датчик температуры КДТ-200.1

Рисунок 3.8 – Датчик температуры КДТ-200.1

Предназначен для измерения температуры жидкостей в трубах диаметром от 15 мм до 100 мм. Степень защиты IP54.

Технические параметры:

Рисунок 3.9 – Схема подключения

3.6 Система сбора данных

National Instruments (NI) – мировой лидер в области компьютерных систем автоматизации предлагает вниманию потребителей широкий модельный ряд устройств на базе плат сбора данных, работающих на шинах PCI, PCI Express, PXI, CompactFlash, Ethernet, FireWire, USB, и функционирующих на операционных системах Windows, Mac OS X, Linux, Pocket PC/Windows CE, RTX для применения их в настольных, мобильных и распределенных системах.

National Instruments предлагает обширный ряд устройств, отлично подходящих для решения широкого круга задач – от сбора и анализа данных до создания полнофункциональных встроенных OEM-систем. Ассортимент NI включает в себя недорогие, высокоскоростные и специализированные, высокоточные устройства, разработанные для работы с шиной USB, что дает возможность свободно разрабатывать программное обеспечение для настольных компьютеров и ноутбуков, а также под другие платформы, используемые для решения повседневных задач.

Модуль сбора данных

Рисунок 3.10 – USB-устройство сбора данных NI 6008

Таблица 3.3 – Технические характеристики модуля

Особенности

NI 6008

NI 6009

Шина

USB

USB

Аналоговые входы

8 SE (4 DI)

8 SE (4 DI)

Частота оцифровки сигналов

10 кГц

48 кГц

Разрешение АЦП (бит)

12

14

Диапазоны входного напряжения

от ±1 до ±20 В

от ±1 до ±20 В

Аналоговые выходы

2

2

Разрешение ЦАП (бит)

12

12

Частота работы ЦАП

150 Гц

150 Гц

Выходной диапазон

0-5 В

0-5 В

Цифровые каналы ввода/ вывода

12

12

Счетчики

1, 32 бита

1, 32 бита

Синхронизация

цифровая

цифровая

Так как все датчики имеют токовый выход, а на входы USB-устройства нужно подавать напряжение, то в цепь каждого из датчиков ставим резистор.

3.7 Электромагнитные клапаны

Клапаны электромагнитные Muller co-ax типа RSV12.

Коаксиальные электромагнитные клапаны Muller co-ax, в отличие от «классических» типов электромагнитных клапанов, подходят для использования на загрязнённых и вязких рабочих средах. Непревзойдённое Германское качество, большая металлоемкость изделий и полная автоматизация рабочих процессов позволяет эксплуатировать оборудование без обслуживающего персонала. Конструкция клапанов стойкая к вибрации, т.к. соосный привод клапана размещён вокруг трубопровода и его центр совпадает с центром трубопровода, что позволяет эксплуатировать клапаны, к  примеру, на газотурбинных установках. Облегающий привод уменьшает габаритные размеры и позволяет компактно размещать клапан относительно технологической установки.

Рисунок 3.11 – Клапан Muller co-ax RSV12

Технические параметры:

3.8 Устройства коммутации

Электромагнитное реле RM85 1050 sensitive.

    Рисунок 3.12 – Реле RM85 1050 sensitive

Технические характеристики:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В  данном  курсовом  проекте  была  разработана  система  управления демонстратора патронного керамического фильтра. Разработана функциональная схема системы управления, произведен  выбор  оборудования.

Данная система улучшает технико-экономические характеристики ДПКФ.  Применение  новейшего оборудования и программного обеспечения позволяет реализовать сложные алгоритмы управления для повышения производительности и обеспечить полностью автоматическое управление модулем.  

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.  Водовозов,  А.М.  Системы  автоматизации  и  управления:  Метод. указания  к  курсовому  проектированию/А.М.  Водовозов  –  Вологда:  ВоГТУ, 2011. – 46 с.           2.   Системы  автоматизации  и  управления:  Конспект  лекций  /  А.  М. Водовозов – Вологда: ВоГТУ, 2009. – 290 с.       3. Официальный сайт ООО «Промэлектроника» : [Электронный  ресурс] Режим доступа: http://www.promelectronika.com/aboutcomp.htm   4. Русскоязычный сайт компании  «National Instruments»: [Электронный  ресурс] Режим доступа: http://russia.ni.com     

5. Русскоязычный сайт компании Grundfos : [Электронный  ресурс] Режим доступа: http://www.ru.grundfos.com       6. Электронный каталог продукции фирмы «IEK»: [Электронный  ресурс] Режим доступа: http://iek.ru/products/catalog/     

 

    

    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56247. Сценарій позакласного заходу для старшокласників «Стріла Амура» 44 KB
  Традиція святкування Дня Святого Валентина прийшла й у нашу країну, у наше місто. Бал закоханих проводиться в нас не перший рік, і сподіваємося, що він стане доброю традицією. Отже, шановні учасники й уболівальники...
56248. Михаил Ломоносов 109 KB
  Цель урока занятия: познакомить учащихся с жизнью научной деятельностью гражданской позицией Ломоносова; дать представление о Ломоносове как о выдающейся личности своего времени.
56249. МЫ ТАКИЕ РАЗНЫЕ 79 KB
  Появляются веселые дети. Лучше придумаем мы какую-нибудь веселую историю А лучше сказку расскажем чтобы совсем не страшно было Например я очень люблю сказку Курочка ряба Вот ее то мы вам и покажем...
56250. Сценарий открытого урока в средней школе «День учителя» 32.5 KB
  Здравствуйте дети Сегодня 5 октября все учителя отмечают свой профессиональный праздник День учителя И мы ученики старших классов в этот прекрасный день решили сделать им подарок.
56251. Сценарий урока английского языка по теме "Holidays" ("Праздники") 61 KB
  Ведущая идея занятия: Актуализировать, дополнить и совершенствовать произносительные, лексические и грамматические знания по разговорной теме “Holidays”; совершенствовать лексико-грамматичсекие навыки диалогической речи.
56254. Домики, которые построила природа 29.5 KB
  Формировать УУД: универсальные учебные действия УУД Личностные УУД: радость общения красотой окружающего мира формирование навыков работы материалами умение использовать цвет для достижения своего замысла; повышение культуры речевого общения развитие способностей к творческому самовыражению.