Система автоматизированного управления пневмотранспортом сыпучих продуктов

Введение

Одно из условий дальнейшего повышения эффективности промышленного производства в строительной индустрии – рост его технической вооружённости, в том числе развитие и совершенствование оборудования для погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ с сыпучими материалами. Для транспортировки таких материалов в настоящее время широкое распространение получили пневматические устройства, которые имеют целый ряд преимуществ перед другими видами транспортного оборудования. Рассмот­рим основные из этих преимуществ.

1. Пневмотранспортные установки обес­печивают возможность перемещения сыпучих материалов по сложной траектории, забор материала из различных средств доставки и труднодоступных мест, выдачу его в различных точках, надёжную защиту от атмосферных воздействий и необ­ходимые санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала. Кроме того, обеспечивается защита самой окружающей среды от распыления транспортируемого материала.

2. Пневмотранспортные установки требуют относительно малых площадей для оборудования и трубопроводов, которые могут быть проложены с учётом любых местных условий производства, в том числе и в труднодоступных местах. Это оборудование от­личается простотой эксплуатации, лёгкостью управления, возможно­стью автоматизации процессов транспортирования и использования дистанционного управления.

3. Применение пневмотранспорта особенно важно для улучшения условий труда на предприятиях строительной индустрии, при производстве цемента, гипса, глинозёма, на мельничных комбинатах и др. Широкое внедрение пневмотранспорта для пылящих материалов имеет большое социальное значение и направлено на резкое уменьшение опасности роста массовых профзаболеваний.

К недостаткам пневмотранспорта относят сравнительно высокий удельный расход электроэнергии на тонну перемещаемого материала и износ тру­бо­проводов и других частей устано­вок, соприкасающихся с транспортируемым материалом. Однако эти недостатки сейчас успешно нивелируются за счёт внедрения новых эффективных технологий и современного оборудования.

Развитие пневматического транспорта и его усовершенствование в нашей стране идёт в следующих направлениях:

• полная автоматизация работы пневмотранспортных установок;
• создание наиболее эффективных способов транспортирования с целью увеличения экономичности и надёжности пневмотранспорта;
• расширение номенклатуры выпускаемых установок;
• совершенствование существующих и разработка новых систем и методов расчёта пневмотранспорта и его элементов.

В настоящее время имеются осуществлённые и оправдавшие себя в эксплуатации пневмотранспортные системы в различных отраслях народного хозяйства, которые представляют интерес как примеры возможных схем пневматического транспортирования отдельных видов сыпучих грузов.

Представленная в данной статье сис­тема автоматизированного управления пневмотранспортом предназначена для управления работой уст­ройств перекачки сыпучих продуктов между приёмными ёмкостями, ёмкостями хра­нения и ёмкостями от­грузки. Сис­тема обеспечивает уменьшение рас­хода электроэнергии за счёт снижения времени работы оборудования вхолостую. Последо­ва­тельность вклю­чения и от­ключения устройств, а так­же встро­ен­ные блокировки уменьшают вероят­ность закупорки пневмопровода про­дуктом. Также обеспечено снижение влияния человеческого фактора.

На предприятиях «КОНТАКТ-1» (г. Рязань) и «МЕТАЛТЕК» (г. Москва) осуществляется совместная разработка и ввод в эксплуатацию таких систем. Для примера рассмотрим систему, внедрённую в городе Алма-Ате.

Характеристика объекта автоматизации

Объект автоматизации – пневмотранспортная система для сыпучих продуктов. Продуктом является це­мент. Технологическая схема объекта автоматизации представлена на рис. 1.

Перекачка производится из приёмного силоса Е-1, который имеет два выпускных конуса, в ёмкости хранения Е-2…Е-7, откуда продукт перекачивается в ёмкости отгрузки Е-8, Е-9, Е-10. Перекачка производится насосами Н1, Н2 из силоса Е-1 и насосами Н3…Н8 из соответствующих силосов хранения Е-2…Е-7. Сжатый воздух в насосы по­да­ётся из трёх магистралей. Ма­гист­раль 1 обслуживает насосы Н1 и Н2, ма­гистраль 2 – насосы Н3 и Н4, Н5, ма­гистраль 3 – насосы Н6, Н7 и Н8. Для управления подачей воздуха в насосы используются электромагнитные клапаны К-1…К-11. Клапаны К-1 и К-3 работают в противофазе (на сброс воздуха) с аналогичными клапанами К-2 и К-4, установленными непосредственно на насосах Н1 и Н2. На входе силосов Е-2…Е-10 установлены вибраторы В-1…В-9 для встряхивания фильтров.

В системе используются электрические клапаны EVXP 2390 (клапаны та­рельчатого типа с катушкой 220 В переменного тока) и вибраторы WA 1030 180W.

Пневмотранспорт отделён от ёмкостей посредством шиберных задвижек, которые позволяют производить вы-бор силосов для загрузки и выгрузки.

В системе применены следующие ши­берные задвижки:

• ЗД-1 и ЗД-2 – задвижки ГРАНВЭЛ ЗПСС (дисковые поворотные с пнев­моприводом, механическим дат­чиком положения и распределителем в виде соленоидного клапана с катушкой 220 В переменного тока);
• ЗД-3…ЗД-30 – задвижки ОРБИНОКС ЕХ-01-D/A (ножевые с пневмоприводом, механическим датчиком положения и распределителем в виде соленоидного клапана с катушкой 220 В переменного тока).

Наряду с исполнительными устройствами пневмотранспортная система использует три вида датчиков: датчики уровня LIC1… LIC6, сигнализаторы уровня LCA1…LCA5 и датчики давления PIC1…PIC11.

Структура системы управления и назначение её частей

Структурная схема системы автоматизированного управления пневмотранспортом представлена на рис. 2. 

Реализация базовых принципов размещения аппаратуры в условиях конкретного производственного объекта привела к разделу оборудования данной системы на три части, установленные в подвальной части хоппероприёмника, на складе цемента и в операторной.

Подвальная часть хоппероприёмника

В подвальной части хоппероприёмника находятся ёмкость Е-1, насосы Н1 и Н2, шиберные задвижки ЗД-1…ЗД-4, электрические клапаны К-1…К-5, датчики нижнего уровня LCA1, LCA2, датчики давления PIC1…PIC3, а также вторичные приборы – местные блоки МБ-24/0(1) и МБ-0/24, шкаф контроля и управления ШКУ-01.

Шкаф ШКУ-01

Шкаф ШКУ-01 построен на базе конструктива ZPAS серии SWN (800×800×300 мм) с использованием кнопок, переключателей и индикаторов Schneider Electric со степенью защиты IP54. Для коммутации ис­пользу­ются реле Omron MY4 с клеммными блоками WAGO. Питание уст­ройств обеспечивают блоки Siemens LOGO!Power (24 В/ 2,5 A).

Шкаф служит для выполнения следующих функций:

• выбор режима работы для каждого исполнительного устройства;
• индикация состояния «Работа» для каж­дого исполнительного устройства;
• формирование выходных управляющих сигналов 220 В (50 Гц) на исполнительные устройства в ручном (от кнопок) и автоматическом (по командам с МБ-0/24) режимах;
• приём данных с датчиков давления и передача их по интерфейсу RS-485 в шкаф ШКУ-04 в операторную;
• передача сигнала режима работы для каждого исполнительного устройства на входы местного блока МБ-24/0(1).

Местный блок МБ-24/0(1)

Местный блок МБ-24/0(1) служит для выполнения следующих функций:

• приём сигналов состояния «Откры­то»/«Закрыто» от шиберных задвижек;
• приём сигналов «Открыто» клапанов К-1…К-5 с выходов реле управления шкафа ШКУ-01;
• приём сигналов от датчиков LCA1, LCA2;
• приём сигналов режима работы для каждого исполнительного устройства от шкафа ШКУ-01;
• передача состояния всех входов на ШКУ-04 по интерфейсу RS-485.

Все местные блоки системы, включая блок МБ-24/0(1), строятся на базе модулей CPU188-5LC, TBI-24/0С-1, TBI-0/24С, TBCOM фирмы FASTWEL и блоков питания Siemens LOGO!Power (24 В/ 1,3 A и 5 В/ 3 A). Для устанавливаемого в местные блоки микроконтроллера CPU­188-5LC была разработана специальная программа на языке Си. Оборудование каждого местного бло­ка размещено в отдельном шкафу ZPAS с габаритными размерами 400×400×200 мм.

В местных блоках МБ-24/0(1)/(2) и МБ-48/0(1)/(2) осуществляются сбор данных с дискретных входов через модули TBI-24/0C-1 и их передача по запросу на компьютер по интерфейсу RS-485. В местных блоках МБ-0/24 и МБ-0/48 по командам с компьютера, передаваемым по интерфейсу RS-485, формируются выходные дискретные сигналы типа «открытый коллектор» и выдаются через модули TBI-0/24C.

Местный блок МБ-0/24

Местный блок МБ-0/24 служит для выполнения следующих функций:

• формирование сигналов типа «от­кры­тый коллектор» по командам со шкафа ШКУ-04, передаваемым через интерфейс RS-485;
• передача сигналов типа «открытый коллектор» на шкаф ШКУ-01 для управления исполнительными уст­ройствами ЗД-1…ЗД-4 и К-1…К-5 в автоматическом режиме.

Датчики нижнего уровня

В качестве датчиков нижнего уров­ня LCA1 и LCA2 в ёмкости Е-1 используются сигнализаторы уровня СУ-503.1П с защитными стаканами. Эти датчики подключаются к местному бло­ку МБ-24/0(1) по трёхпроводной схеме и обеспечивают формирование выходного дискретного сигнала, когда чувствительный элемент датчика выходит из толщи цемента. Применяемые датчики отличаются высокой стабильностью при работе в условиях запылённости.

Датчики давления

В качестве датчиков давления PIC1…PIC3 используются датчики 7MF1563-5CA00 (Siemens), имеющие двухпроводную схему подключения, выходной сигнал 4…20 мА и погрешность измерения не более 0,25% от полной шкалы. Эти датчики предназначены для эксплуатации в тяжёлых условиях. Их отличают высокая стабильность и надёжность работы.

Склад цемента

На складе цемента находятся ёмкости Е-2…Е-7, насосы Н3…Н8, шиберные задвижки ЗД-5…ЗД-30, электрические клапаны К-6…К-11, вибраторы В-1…В-9, датчики уровня LIC1…LIC6, датчики давления PIC4…PIC11, а также вторичные приборы – местные блоки МБ-48/0(1), МБ-48/0(2), МБ-24/0(2), МБ-0/48, шкафы контроля и управления ШКУ-02 и ШКУ-03.

Кроме того, в это помещение приходят сигналы от датчиков верхнего уровня LCA3, LCA4, LCA5 в ёмкостях Е-8, Е-9, Е-10. В качестве датчиков верхнего уровня тоже используются сигнализаторы СУ503.1П с защитными стаканами, настраиваемые на срабатывание при до­стижении цементом чувствительного элемента.

Датчики давления здесь аналогичны рассмотренным ранее.

Шкаф ШКУ-02

Шкаф ШКУ-02 строится из комплектующих, аналогичных применяемым в шкафу ШКУ-01, и служит для выполнения следующих функций:

• выбор режима работы для каждого исполнительного устройства;
• индикация состояния «Работа» для каждого исполнительного устройства;
• формирование выходных управляющих сигналов 220 В (50 Гц) на исполнительные устройства в ручном (от кнопок) и автоматическом (по командам с МБ-0/48) режимах;
• электрическая блокировка исполнительных устройств согласно алгоритму работы системы;
• передача сигнала режима работы для каждого исполнительного устрой­ства на входы местных блоков МБ-48/0(1) (задвижки) и МБ-24/0(2) (вибра­торы);
• питание датчиков уровня LIC1…LIC6;
• подключение датчиков LIC1…LIC6 по интерфейсу RS-485 и передача данных в шкаф ШКУ-04.

Шкаф ШКУ-03

Шкаф ШКУ-03 служит для выполнения следующих функций:

• выбор режима, индикация, формирование сигналов и блокировка, иден­тичные первым четырём из спис­ка функций ШКУ-02;
• передача сигнала режима работы для каждого исполнительного устройства на входы местных блоков МБ-48/0(2) (задвижки и клапаны) и МБ-24/0(2) (вибраторы);
• приём данных с датчиков давления и передача их по интерфейсу RS-485 в шкаф ШКУ-04 в операторную.

Местный блок МБ-48/0(1)

Местный блок МБ-48/0(1) служит для выполнения следующих функций:

• приём сигналов состояния «Откры­то»/«Закрыто» от шиберных задвижек ЗД-5…ЗД-18;
• приём сигналов режима работы для за­-движек ЗД-5…ЗД-18 от шкафа ШКУ-02;
• передача состояния всех входов на ШКУ-04 по интерфейсу RS-485.

Местный блок МБ-48/0(2)

Местный блок МБ-48/0(2) служит для выполнения следующих функций:

• приём сигналов состояния «Откры­то»/«Закрыто» от шиберных задвижек ЗД-19…ЗД-30;
• приём сигналов «Открыто» для клапанов К-6…К-11 с выходов реле управления шкафа ШКУ-03;
• приём сигналов режима работы для задвижек ЗД-19…ЗД-30 и клапанов К-6…К-11 от шкафа ШКУ-03;
• передача состояния всех входов в ШКУ-04 по интерфейсу RS-485.

Местный блок МБ-24/0(2)

Местный блок МБ-24/0(2) служит для выполнения следующих функций:

• приём сигналов состояния «Работа» для вибраторов В-1…В-6 с выходов реле управления шкафа ШКУ-02 и вибраторов В-7…В-9 с выходов реле управления шкафа ШКУ-03;
• приём сигналов режима работы для вибраторов В-1…В-6 от шкафа ШКУ-02 и вибраторов В-7…В-9 от шкафа ШКУ-03;
• приём сигналов от датчиков LCA3…LCA5;
• передача состояния всех входов на ШКУ-04 по интерфейсу RS-485.

Местный блок МБ-0/48

Местный блок МБ-0/48 служит для выполнения следующих функций:

• формирование сигналов типа «от­кры­­тый коллектор» по командам от шка­­фа ШКУ-04, передаваемым че­рез интерфейс RS-485;
• передача сигналов типа «открытый коллектор» в шкафы ШКУ-02 и ШКУ-03 для управления исполнительными устройствами в автоматическом режиме.

Датчики уровня

В качестве датчиков уровня LIC1…LIC6 в системе используются радиоволновые уровнемеры БАРС 322МИ (производство «КОНТАКТ-1»). Дат­чи­ки обеспечивают бесконтактное измерение уровня цемента и передачу ин­фор­мации по интерфейсу RS-485.

Операторная (шкаф ШКУ-04)

В операторной устанавливается шкаф контроля и управления ШКУ-04.

Шкаф ШКУ-04 имеет в своём составе промышленный панельный компьютер iROBO-5052T с ПО АСУ «Пнев­мо­транспорт» и обеспечивает выполнение следующих функций:

• приём данных по интерфейсу RS-485 от ШКУ-01, ШКУ-02, ШКУ-03, МБ-24/0(1), МБ-24/0(2), МБ-48/0(1), МБ-48/0(2), датчиков LIC1..LIC6 (дан­ные от этих датчиков поступают в ШКУ-04 через ШКУ-02);
• выполнение операций по приёму/ отпуску продукта согласно алгоритму работы системы;
• передача команд управления на МБ-0/24, МБ-0/48 по интерфейсу RS-485.

Для сигналов RS-485 шкафы ШКУ-01, ШКУ-02 и ШКУ-03 фактически являются только распределительными коробками. В шкафах ШКУ-01 и ШКУ-03 установлены модули АЦП I-7017RC, на входы которых поступают токовые сигналы от датчиков давления. Эти модули объединяются в одну линию интерфейса RS-485 с местными блоками, принимающими дискретные сигналы, и датчиками уровня, образуя линию контроля. Наряду с ней в системе можно выделить линию управления, к которой подключаются местные блоки с выходными дискретными сигналами. Обе интерфейсные линии со­единены с портами промышленного ком­пьютера шкафа ШКУ-04: линия контроля – с СОМ1, линия управления – с COM2.

Наличие шкафов управления ШКУ-01, ШКУ-02, ШКУ-03 обеспе­чивает возможность перевода лю­бого из ис­полнительных устройств в ручной ре­жим работы для выполнения ре­монтных и регламентных ра­бот. В шка­­фах расположены силовые реле для управления исполнительными ме­­ханизмами. При этом управление системой в автоматическом режиме осуществляется безопасным напряжением +24 В.

Контроль перепада давления в ма­гистралях 1, 2, 3 и на входе клапанов К-1, К-2, К-6…К-11 даёт возможность определять состояние этих клапанов для отработки блокировок, что создаёт условия для уменьшения вероятности закупорки пневмопровода транспортируемым продуктом.

На рис. 3 показаны шкафы системы (фотография сделана во время проведения испытаний на предприятии-из­готовителе).

Программное обеспечение АСУ «Пневмотранспорт»

Программное обеспечение системы управления устанавливается на компьютере шкафа ШКУ-04 и обеспечивает:

1. сбор информации о состоянии пневмотранспортной системы;
2. наглядное предоставление информации оператору;
3. управление состоянием устройств со­гласно выбору оператора (оператор на мониторе выбирает, из какой ёмкости в какую осуществляется пе­рекачка, затем система работает в ав­томатическом режиме);
4. реализацию блокировок, предусмотренных системой;
5. ведение журнала событий по аварийным ситуациям.

Программное обеспечение разработано на языке Delphi. Его функционирование осуществляется под управлением операционной системы Windows семейства NT/2K/XP.

На рис. 4 показан внешний вид основного экрана системы. Особен­нос­­тью программы является то, что она разработана для сенсорного экрана и по­зволяет оператору быстро формировать маршруты работы пневмотранспорта путем нажатия на изображения соответствующих силосов.

Заключение

Разработанная система позволяет быстро и качественно управлять технологическим процессом загрузки/вы­грузки силосов с использованием пнев­­мотранспорта на современных строительных производствах.

Модульная конструкция даёт возможность легко компоновать и монтировать оборудование системы при различных конфигурациях объектов автоматизации.

Используемые при разработке шкафов комплектующие обеспечивают надёжную и безотказную работу системы в условиях повышенной запылённости строительных производств. Первая из таких внедрённых систем уже проработала больше трёх лет, и за время её эксплуатации не было ни одного отказа оборудования. ● 

E-mail: VictorGusev@inbox.ru