Наименование, назначение и область применения разработки

 

Автоматизированная система управления технологическим процессом развальцовки предназначена для обеспечения автоматизированной работы технологического оборудования, осуществляющего развальцовку труб в трубных решетках теплообменных аппаратов общего назначения.

Данная АСУТП развальцовки может быть применена на различных предприятиях промышленности, которая производит теплообменные аппараты, на предприятиях где используется технология развальцовки труб, а также производящая ремонтные работы.

 

 

2.2 Технические характеристики

 

1. Вариант	14
2. Количество постов, шт.	5
3. Удаленность постов, м	300
4. Тип датчика крутящего момента:
4.1. Величина крутящего момента, Нм	50
4.2. Диаметр мездозы, мм	25
4.3. Длина мездозы, мм	26
4.4. Толщина стенки мездозы, мм	2
4.5. Тип тензопреобразователя	ПП (полупроводниковый)
4.6. Схема включения тензопреобразователя	ПМ (полумост)
4.7. Материал мездозы	Сталь 45Х ГОСТ 1050 - 88
4.8. Твердость материала мездозы	35HRC;
5. Датчик угла поворота	Фотоимпульсный
5.1. Количество импульсов на оборот, имп/об	6
5.2. Диаметр растрового диска - dр, мм	35
5.3. Толщина растрового диска - bр, мм	1,6
5.4. Глубина прорезей диска, мм	5…6
6. Тип датчика температуры	Термосопротивление
6.1. Диапазон измерений температуры, С0	0 – 90
6.2. Количество датчиков температуры, шт.	3
7. Электропривод	Электродвигатель асинхронный короткозамкнутый
7.1. Мощность, кВт	1,5
7.2. Номинальная скорость вращения, об/мин	1500
8. Количество кнопок управления, шт.	6
8.1. Функциональное назначение кнопок управления	1 – Вперед; 2 – Назад; 3 – Стоп; 4 – Ручной режим; 5 – Режим АСУТП; 6 – Сеть
9. Тип элемента индикации	Светодиод
9.1. Количество светодиодов, шт.	6

 

 

Техническое описание

 

В результате разработки микропроцессорной системы управления должна осуществляться следующая последовательность: вычисления, выдача команд управления исполнительному устройству развальцовки.

После включения питания система запрашивает у оператора, в каком режиме она будет работать (ручном, автоматическом или полуавтоматическом). Когда режим работы определен, начинается производственный процесс.

Анализируя информацию от датчиков, расположенных непосредственно на объекте (датчик угла поворота, датчик крутящего момента), компьютер в соответствии с заложенной в него программой сравнивает получаемые им величины с заложенными, таким образом контролируя и корректируя процесс вальцовки.

 

3 Ядро АСУТП развальцовки

 

Проанализировав характеристики рассмотренных контроллеров, ядро разрабатываемой АСУТП будем разрабатывать на контроллерах серии DEP. Данный тип контроллеров позволяет вести обработку и управление в режиме реального времени, обладает гибкими возможностями установки и передачей информации в обрабатывающий комплекс. Контроллеры серии DEP могут устанавливаться непосредственной близости от преобразователей и датчиков.

Основу аппаратной части комплекса составляют следующие компоненты:

– Программируемый контроллер Decont-182 с набором сменных интерфейсов;

– Модули ввода\вывода.

Программируемый контроллер Decont-182 обеспечива­ет взаимодействие с модулями ввода-вывода, ведет алгорит­мы, архивы, поддерживает связь с другими контроллерами и верхним уровнем системы. Устанавливаемые в контроллере сменные интерфейсные платы обеспечивают передачу дан­ных по разнообразным каналам связи.

Модули ввода\вывода – это функционально законченные устройства, обеспечивающие необходимую первичную обра­ботку входных физических сигналов с объекта, преобразова­ние их в защищенный цифровой вид для дальнейшей пере­дачи по технологической сети.

Также для связи контроллера с пользователем будет использоваться ЭВМ, совместимая с IBM PC, с помощью которой пользователь может программировать контроллер и осуществлять наблюдение за технологическим процессом.

 

4 Подсистема ввода

 

4.1 Разработка датчика крутящего момента

 

4.1.1 Анализ существующих устройств измерения крутящего момента

 

TPN-AB и TPN-CB

В тензометрических датчиках крутящего момента серий TPN-AB и TPN-CB применен принцип вращающегося трансформатора для бесконтактной передачи сигнала, что позволяет проводить долговременные стабильные измерения без эффекта щеток и контактных колец. Защита смазкой обеспечивает длительное время работы, что делает оптимальным их применение со встройкой в системы контроля и управления.

Область применения: в ручном электроинструменте – для защиты работников при резкой остановке вращения. В заводском оборудовании, автомобилях, катерах и т.д. Для контроля усилий на вращающихся частях механизмов и машин, а так же для предотвращения их разрушений.

 

Датчик крутящего момента TPH-A.

Бесконтактные датчики крутящего момента фланцевого типа серии TPH-A обладают высокойчувствительностью, воспроизводимостью и повторяемостью. Они позволяют измерять крутящий момент при частоте вращения до 10000 об/мин. Высокие прочностные характеристики датчиков дополняются использованием дополнительных упругих муфт. Уникальная конструкция без контактных элементов, таких как, контактные кольца, позволяет безопасно эксплуатировать датчик в длительных режимах при высоких частотах вращения. Встроенный усилитель сигнала дает возможность выдавать сигнал по напряжению и токовый сигнал непосредственно на устройства записи и индикации, а также через АЦП на персональный компьютер для сбора и обработки данных.

Выход датчика частоты вращения, входящий в стандартную конфигурацию TPH-A, позволяет одновременно измерять момент и частоту вращения.

Данные датчики имеют некоторые особенности, такие как:

– Высокая торсионная прочность с применением муфт, выше в 10-20 раз, чем у классических моделей.

– Отсутствие вращающихся частей, таких как, токосъемные кольца, делает датчики легкими в обслуживании и позволяет производить точные измерения при высоких скоростях вращения.

– Отсутствие влияния температуры трения в подшипниках делает характеристики датчиков высокостабильными.

– Подача питания на датчик посредством «вращающего трансформатора» и оптическая передача цифровых сигналов позволяют избежать интерференции

– сигнала и минимизировать наводки от вибрации и смещения валов.

– Упругие муфты диафрагменного типа

– Специальный встроенный усилитель позволяет получить сигнал по напряжению (±10 В) и току (4 ÷ 20 мА).

– Тахометрический выход (открытый коллектор) позволяет считать число оборотов (1 импульс/оборот)

 

Датчик обладает следующими техническими характеристиками:

– Номинальный момент: ±40

– Нелинейность: В пределах ±0.2% НВС* (±0.5% НВС* для 1TMA и выше)

– Гистерезис: В пределах ±0.2% НВС* (±0.5% НВС* для 1TMA и выше)

– Повторяемость: ±0.1% или менее (±0.5% НВС* макс. для 1TMA и выше)

– Номинальный выходной сигнал: ±10 В ±0.02 В (сопротивление нагрузки >10 кОм) ± 8 мА ±0.04 мА (сопротивление нагрузки до 500 Ом) (4 мА для отрицательного номинального момента, 12 мА для «0» и 20мА для положительного номинального момента)

– Диапазон термокомпенсации: -10÷60° С (без конденсации)

– Температурный дрейф ноля: В пределах ± 0.03% НВС*/°C

– Темп. изменение вых. сигнала: В пределах ± 0.03% /°C

– Частотный диапазон: 0 ÷ 1 кГц +1 ÷ -3 дБ (усилитель)

– Уровень сигнала: 50 дБ и более

– Питание: Постоянный ток

– Безопасная перегрузка: 150%

– Насыщение выходного сигнала при нагрузке: ~110%

 

Тензорезисторы.

Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций

Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть выполнены в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки или фольги, в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки и другими способами.

Чувствительный элемент обычно прикрепляют к основе  из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего (клея, цемента), которые передают деформацию чувствительному элементу. На объекте исследования основу закрепляют также посредством связующего. Для электрического соединения тензорезистора с измерительными схемами имеются выводы.

Особенность тензорезистора состоит в том, что его чувствительный элемент (решетка), как правило, имеет механическую связь с объектом исследования по всей длине измерительной базы (а не только по концам базы).

Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформации к величине относительной деформации. Широкое распространение тензорезисторов как универсального средства измерения деформаций объясняется возможностью:

1. измерения деформаций при разных размерах базы, начиная с десятых долей миллиметра;

2. дистанционных измерений в большом числе точек;

3. измерений в широком диапазоне температур при самотермокомпенсации или автоматической схемной компенсации;

4. измерений при самых различных внешних условиях (влажность, давление, ионизирующие излучения и др.), неблагоприятных для других измерительных средств;

5. измерения многокомпонентных деформаций на локальных участках объекта исследования.

Они также имеют незначительную массу, широкий частотный диапазон, включающий статические деформации и низкий порог реагирования, высокую надежность и сравнительно низкую стоимость.

Тензорезисторам свойственны и некоторые недостатки:

1. невозможность индивидуальной градуировки;

2. возможность только однократного использования (исключая тензорезисторные преобразователи механических величин);

3. относительно невысокая чувствительность и относительно низкий абсолютный уровень выходных сигналов.

 

 

4.1.2 Обоснование выбора тензорезистивного преобразователя

 

При выборе тензорезисторов принимают во внимание характер решаемой задачи, требуемую чувствительность и точность измерений, а также упругие и структурные особенности материала объекта исследования

Требуемая чувствительность измерений предопределяет выбор тензорезисторов проводникового или полупроводникового типа. При этом следует иметь в виду,, что высокочувствительные полупроводниковые тензорезисторы для целей так называемой общей тензометрии мало пригодны из-за существенной величины температурных и других погрешностей.

Разброс метрологических характеристик тензорезисторов увеличивается как с уменьшением, так и с увеличением базы. В первом случае увеличение разброса вызвано ухудшением условий передачи деформации на решетку, во втором — трудностями, связанными с надежным закреплением большебазных тензорезисторов на поверхности объекта исследования. По этим причинам во всех случаях, когда позволяют задачи исследований, применяют тензорезисторы с базами от 5 до 50 мм. Выбирая малобазные, особенно микропроволочные тензорезисторы, необходимо иметь в виду, что габаритная длина последних может в 1,5—2,5 раза превышать активную базу.

Номинальное сопротивление тензорезисторов прежде всего должно соответствовать входным данным применяемых тензометрических преобразователей или приборов. При тензометрировании машин чаще всего применяют тензорезисторы с номинальным сопротивлением 100—400 Ом.

При меньших величинах номинальных сопротивлений начинает в большей степени сказываться влияние переходных сопротивлений различных контактов, входящих в измерительные цепи (например, токосъемников или штепсельных разъемов), а также влияние сопротивлений измерительных проводов. Поэтому лучше использовать тензорезисторы с большими номинальными сопротивлениями. Вместе с тем чрезмерно большие сопротивления (более 400 Ом) являются причиной увеличения уровня электрических и магнитных помех. Меньшие значения номинальных сопротивлений выбирают только при тензометрировании без усилителей, когда требуется согласовать выходное сопротивление моста с критическим сопротивлением прибора, например гальванометра.

Исходя из вышеизложенных соображений необходимо выбрать тензорезистор. Так как в задании уже задан тип тензорезистора, то исходя из расчета выбираем полупроводниковый тензорезистор Ю-8А:

– Номинальная тензочувствительность +100

– Номинальное сопротивление: R = 220 Ом;

– Рабочий ток: I = 10 мА;

– Габаритные размеры: l = 2 мм, L = 3 мм, b = 0,3 мм;

 

 

4.1.3 Определение напряжения питания тензорезистивного преобразователя

Напряжение питания полумоста рассчитывается по формуле:

,

где  - номинальный ток тензорезистора;

 - эквивалентное сопротивление схемы.

 

Рисунок 2 – Включение тензорезисторов (R1 и R4) по схеме полумоста дополненного до моста стабильными резисторами R2 и R3   

 

Эквивалентное сопротивление берётся из соображения, что напряжение питания прикладывается к двум параллельно соединённым ветвям (R1-R4 и R2-R3). При равенстве сопротивлений по каждой из этих ветвей протекает номинальный ток тензорезистора.      

Зададим номинальный ток тензорезистора как 0.7…0.8 от максимального, тогда напряжения питания будет равно:

Принимаем напряжение питания тензорезистора от стабилизированного источника питания 5В.

 

 

4.1.4 Обоснование геометрических параметров месдозы

 

Проверим заданную толщину месдозы по допустимым касательным напряжениям.

Рисунок 3 – Схема поперечного сечения месдозы

 

Для трубчатого вала

M_кр – крутящий момент на валу;

D – внешний диаметр месдозы;

d – внутренний диаметр.

 

По условию прочности должно выполняться условие:

Для стали 45X допустимое [t]=240 МПа.

Толщина месдозы:

Из данных формул можно вывести минимально-допустимую толщину месдозы.

Подставим в данную формулу числовые значения и рассчитаем минимально-допустимую толщину месдозы:

По условию d=2мм, что удовлетворяет условию с некоторым запасом прочности, что приведет к уменьшению чувствительности датчика, но предотвратит возможность разрушения месдозы вследствие действия других сил, возникающих при наклеивании тензорезисторов и монтаже месдозы.

Оценку коэффициента преобразования при измерении момента силы делают путем расчета. Однако такой способ рекомендуется только в тех случаях, когда полностью исключена возможность градуировки тензометрируемого вала.

Для расчетов используют следующие соотношения:

для сплошного вала

для полого (трубчатого) вала

где М — измеряемый крутящий момент, Нм;

D — наружный диаметр вала, мм;

d — внутренний диаметр вала, мм;

a — угол между осью наклонного тензорезистора и образующей вала;

G — модуль сдвига, ГПа.

Деформация лежит в допустимых пределах ±3 тыс.еод, следовательно разрушения тензорезистора не произойдет.

Рассчитаем сигнал с выхода тензометрического моста:

где Uп – напряжение питания датчика.

DR – изменение сопротивления тензорезистора.

R – сопротивление плеча моста.

Так как датчик питается от стабилизированного источника питания 5В то U_пит=5В. Относительное приращение сопротивления тензорезисторов находим по известному коэффициенту преобразования и тензочуствительности.

Тензочуствительность S_T находим по графику. S_T=2,1

 В

Таким образом, максимальный диапазон изменения напряжения на выходе датчиков очень мал. Полученное напряжение необходимо усилить с помощью специальных усилителей, что не входит в задание данного проектирования, и поэтому считаем, что сигнал нормализован и его можно подавать на микроконтроллер.

 

 

4.1.5 Компоновка датчика крутящего момента

 

Определение величины моментов сил (крутящих моментов) в приводах и трансмиссиях машин с помощью тензорезисторов производят тремя способами: непосредственным измерением деформаций закручивания вала исследуемого механизма; измерением окружной силы, передаваемой специальным силоизмерителем, встроенным в трансмиссию, и, наконец, специальным тензометрическим преобразователем крутящего момента.

Первый способ прост, однако далеко не на каждый вал можно наклеить тензорезисторы; кроме того, некоторые валы выполняют с большим запасом прочности, что уменьшает измеряемые деформации, увеличивая тем самым погрешность измерения.

Второй и третий способы обеспечивают наибольшую точность, но требуют демонтажа и даже временного (частичного) изменения конструкции исследуемого узла или разрыва силовой цепи, что не всегда осуществимо.

Встроенный силоизмеритель или преобразователь крутящего момента может быть подобран нужной чувствительности и точно проградуирован.

Могут быть также наклеены четыре тензорезистора, соединенные по схеме полного моста. Тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака, включают в противоположные плечи мостовой схемы.

Рисунок 4 – Конструкция преобразователя крутящего момента

4.1.6 Разработка электрической принципиальной схемы датчика крутящего момента

 

Электрическая принципиальная схема представлена в приложении А.

Электрическая принципиальная схема датчика крутящего момента может быть реализована путем соединения тензорезисторов по схеме полумоста, дополненного до полного моста стабильными резисторами, установленными в корпусе датчика. Примем конструкцию датчика с двумя тензорезисторами Rl, R4, расположенными на месдозе и обычных резисторов R2, R3 расположенных вне месдозы и образующих при соединении через щетки и кольца по электрической схеме на рисунке 4 мост.