Система автоматизации процесса автоклавной обработки силикатного кирпича

Введение

Силикатный кирпич, являясь экологически чистым продуктом, находит широкое применение для строительства жилых и производственных помещений. Его производство состоит из ряда операций, таких как дозирование, перемешивание, формование и автоклавная обработка. Каждый из этих процессов вносит свой вклад в качество конечного продукта. При этом особо важное значение имеет заключительная операция – автоклавная обработка, обеспечивающая получение кирпича с заданными техническими параметрами.

Режим работы автоклава зависит от его конструкции и разновидности силикатного кирпича. Технология этого процесса подробно изучена [1]. Существуют различные системы управления автоклавной обработкой силикатного кирпича, использующие известные подходы и решения. Тем не менее реализация автоматизированной системы на существующем производстве требует учёта конкретных технических и экономических условий.

В ООО «Ресурс» (г. Рязань) разработана система автоматизации процесса автоклавной обработки, внедрённая на Рязанском заводе силикатных изделий. Главным её отличием является относительно низкая стоимость. В качестве управляющего элемента она использует компьютер, а для организации взаимодействия между компьютером и датчиками непрерывных и дискретных параметров и для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы – модули распределённого вво­да/вывода серии ADAM-4000 компании Advantech.

Основные функции системы

После окончания процесса прессования сырец силикатного кирпича поступает для прохождения тепловлажностной обработки в автоклав. Автоклав представляет собой горизонтально расположенный стальной цилиндр с герметически закрывающимися с торцов крышками. Прочность силикатного кирпича формируется в результате взаимодействия двух процессов: структурообразования, обуслов­ленного синтезом гидросиликатов кальция, и де­струкции, обусловленной внутренними напряжениями [1]. Процесс запаривания сырца состоит из трёх последовательных этапов (рис. 1).

Первый этап (набор давления Р) длительностью t_н начинается с поступления смеси в аппарат и продолжается до выравнивания показателей температуры пара и самого изделия. Во время прохождения второго этапа (выдержка давления) температура и уровень давления Р_выд поддерживаются на постоянном уровне в течение времени t_в, чтобы в толще кирпича правильно начались и своевременно завершились все физико-химические процессы, а именно: выпаривание излишнего количества влаги и образование гидросиликата кальция. На этом этапе происходит затвердевание кирпича. Третий этап (снижение давления) – это остывание готового продукта после прекращения теплового воздействия на него в течение времени t_с. После окончания этапа снижения давления готовый силикатный кирпич поступает на склад для хранения и упаковки. Для получения силикатного кирпича с заданными характеристиками необходимо обеспечить возможность задания значения давления выдержки Р_выд, длительности набора t_н, выдержки t_в и снижения t_с давления пара в автоклаве.

Для снижения внутренних напряжений в конструкции автоклава система должна обеспечивать контроль температуры вверху, внутри и внизу автоклава, скорость нарастания давления в нём и скорость нарастания температуры, разность температуры вверху и внизу автоклава. В ходе процесса автоклавной обработки необходимо контролировать положение впускной и выпускной задвижек безопасности и регулирующих задвижек острого и мятого пара.

Архитектура системы и используемые программно-технические средства

Структурная схема системы в части контура управления автоклавом приведена на рис. 2 (на схеме показан контур управления только одним автоклавом, управление другими автоклавами организовано аналогично).

В каждом автоклаве контроль температуры осуществляется тремя термопарами: Т_в – вверху, Т_с – в середине и Т_н – внизу. Все эти термопары подключены к модулю аналогового ввода ADAM-4018. Состояние задвижек безопасности острого пара (ЗБОП) и задвижки безопасности мятого пара (ЗБМП) определяется по сигналам соответствующих концевых выключателей, поступающим на модуль дискретного ввода-вывода ADAM-4055. Регулирование набора давления в автоклаве производится регулирующей задвижкой острого пара (РЗОП), а снижение давления – регулирующей задвижкой мятого пара (РЗМП). По­ложение РЗОП и РЗМП контролируется посредством модуля ADAM-4018, настроенного на измерение напряжения. Управление задвижками РЗОП и РЗМП осуществляется с выходов с открытым коллектором модуля ADAM-4055 через электромеханические реле фирмы Omron. Контроль давления в автоклаве и подающей магистрали производится измери­тельными преобразователями SITRANS P серии Z фирмы Siemens (Да и Дм), подключёнными к модулю ADAM-4018. Модули ввода-вывода ADAM объединены по интерфейсу RS-485 и через интерфейсный преобразователь (RS-232/RS-485) ADAM-4520 подключены к СОМ-порту персонального компьютера (ПК). Фото­графия шкафа управления шестью автоклавами, выполненного на базе конструктива фирмы Schroff, приведена на рис. 3.

В качестве управляющей используется программа ADAMView фирмы Advantech.

Шесть автоклавов объединены в группу, управление ими осуществляется с одного компьютера. Состояние процессов во всех шести автоклавах, подключённых к компьютеру, контролируется с помощью общей экранной формы, показанной на рис. 4. 

Для каждого автоклава отображаются его номер, выполняемый этап процесса, время выполнения процесса, а также соответствующими сообщениями сигнализируется об отклонениях процесса пропарки от нормы. Из данной формы, нажав кнопку «Цифровые параметры» в поле определённого ав­токлава, мож­но перейти на одноимённую форму контроля и управления процессом пропарки выбранного ав­токлава (рис. 5).

В разделе «Задание параметров» экранной формы конкретного автоклава оператором устанавливаются давление на этапе выдержки с шагом 0,1 кгс/см², время набора, выдержки и снижения давления с шагом 1 минута.

Название раздела «Параметры процесса» говорит само за себя, и здесь отображаются текущие значения следующих показателей:

• температура вверху, внутри и внизу автоклава;
• расчётное и текущее давление в автоклаве в данный момент времени;
• давление в магистрали острого пара;
• время процесса.

В разделе «Выполняемый этап процесса» высвечивается название текущего этапа автоклавной обработки кирпича.

Раздел «Отклонение параметров» на этапе набора давления содержит ин­формацию о соответствии норме текущих значений разности температуры вверху и внизу автоклава, скорости нарастания температуры и изменения давления. Если разность температуры вверху и внизу автоклава превышает 45°C, то выводится мигающее красным цветом сообщение «Разность температур выше нормы». Если скорость нарастания температуры превышает 1,5°C в минуту, то выводится мигающее красным цветом сообщение «Скорость нарастания температуры выше нормы». Если нарастание давления в автоклаве меньше 0,06 кгс/см²/мин, то выводится ми­га­ющее красным цветом сообщение «На­растание давления ниже нормы». При любом отклонении контролируемых параметров от нормы также выдаётся звуковое сообщение «Отклонение па­раметров от нормы».

На экранной форме автоклава также показаны состояние задвижек безопасности острого пара и задвижки безопасности мятого пара в графическом виде с соответствующей надписью («Открыто», «Переключение», «Закры­то») и положение регулирующих за­движек острого и мятого пара.

В разделе «Управление процессом» возможен выбор автоматического или ручного режима. При выборе ручного управления необходимо нажать кнопку «Ручное». В окне «Выполняемый этап процесса» отобразится надпись «Руч­ное управление процессом» и появится возможность управлять положением регулирующих задвижек острого пара и мятого пара с помощью соответствующих кнопок «Закр» и «Откр». Для выбора автоматического управления необходимо нажать кнопку «Авто­ма­тическое», а затем кнопку «Пуск». Если задвижка безопасности острого пара ЗБОП от­крыта, а задвижка безопасности мятого пара ЗБМП закрыта, то начинается процесс пропарки. При другом состоянии задвижек безопасности выдаётся звуковое сообщение «Про­верьте состо­яния задвижек безопасности».

После набора давления в течение заданного времени процесс пропарки переходит к этапу выдержки давления, что отображается надписью «Выдерж­ка давления» в окне «Выполняемый этап процесса». Заданное значение давления поддерживается с точностью ±0,05 кгс/см². Если отклонение больше этого значения, что в большинстве случаев обусловлено снижением давления в подводящей магистрали острого пара, выводится сообщение «Сниже­ние давления ниже нормы» и выдаётся звуковое оповещение «Отклонение параметров от нормы».

После окончания этапа выдержки давления выводится сообщение «Пере­ход к снижению давления» и выдаётся звуковое сообщение «Внимание! Этап выдержки давления закончен. Закройте впускную и откройте выпускную за­движки безопасности». Оператор за­крывает впускную и открывает вы­пускную задвижки безопасности и на­жимает кнопку «Обеспаривание». По­-сле этого выводится сообщение «Этап снижения давления» и начинается снижение давления в течение заданного времени. После окончания этапа обеспаривания выводится текстовое сооб­щение «Процесс пропарки закончен» и звуковое оповещение «Процесс пропарки закончен».

Из формы «Цифровые параметры» оператор, нажав кнопку «Автоклавы», может вызвать форму, на которой отображаются все подключённые к компьютеру автоклавы и протекающие в них процессы (рис. 4), а нажав кнопку «Архив», высветить форму «Текущий архив» (рис. 6).

На форме «Текущий архив» в верхнем окне показано изменение температуры вверху, внутри и внизу автоклава, а в нижнем окне – изменение давления в автоклаве и в магистрали подачи острого пара. Информация на форме «Текущий архив» позволяет качественно оценить процесс автоклавной обработки. Для более точной оценки параметров была разработана программа Graph (рис. 7). 

В окне этой программы могут отображаться значения давления в магистрали подачи острого пара и в автоклаве, а также температуры вверху, внутри и внизу автоклава. Для выбора отображаемых параметров необходимо щелчком мыши поставить галочку в окошке с названием параметра. Для точной оценки параметров в определённый момент времени нужно щёлкнуть левой кнопкой мыши, и в окне экранной формы появится вертикальный маркер. В окнах, расположенных внизу под соответствующей надписью, высветятся значения параметров процесса в точке пересечения вертикального маркера с соответствующей зависимостью, а в окне «Время» отобразится время получения этих значений (время оценки параметров процесса). Вертикальный маркер можно перемещать с помощью мыши в заданную временнýю точку процесса. Для удобства анализа можно изменять масштаб графиков по оси Х и оси Y.

Заключение

Внедрение разработанной системы начато в 2005 году на Рязанском заводе силикатного кирпича в условиях действующего производства. В связи с этим подключение автоклавов осуществлялось поочередно. К концу 2008 года было подключено 10 автоклавов, управление которыми производилось с двух компьютеров. В настоящее вре­мя проводятся работы по дальнейшему расширению системы на описанных принципах до обслуживания уже 12 автоклавов.

Опыт создания и эксплуатации сис­темы показал правильность выбранных решений, которые позволили автоматизировать процесс обработки силикатного кирпича. Внедрение автоматизированной системы привело к повышению качества силикатного кирпича на основе появившейся возможности более точного соблюдения технологических режимов и параметров, а также к росту энергоэффективности обработки кирпича за счёт снижения потребления пара. ●

Авторы выражают благодарность директору ЗАО «Системы и комплексы» Пронину Юрию Дмитриевичу за поддержку и консультации в ходе разработки системы, а также инженеру Щукину Сергею Юрьевичу за предоставленную программу просмотра архивных данных Graph.

Литература

1. Хавкин Л.М. Технология силикатного кирпича. – М. : Стройиздат, 1982. – 384 с. 

E-mail: saa_r@mail.ru

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!