Автоматизация и моделирование технологического процесса. Курсовая работа: Автоматизация и моделирование технологического процесса Rг - реакция сборочной головки, перпендикулярная ее ходу

Автоматизация и моделирование технологического процесса

1 АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

Автоматизация – направление развития производства, характеризуемое освобождением человека не только от мускульных усилий для выполнения тех или иных движений, но и от оперативного управления механизмами, выполняющими эти движения. Автоматизация может быть частичной и комплексной.

Комплексная автоматизация характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входит настройка машины или группы машин, включение и контроль. Автоматизация – это высшая форма механизации, но вместе с этим это новая форма производства, а не простая замена ручного труда механическим.

С развитием автоматизации все более широкое применение находят промышленные роботы (ПР), заменяя человека (или помогая ему) на участках с опасными, вредными для здоровья, тяжелыми или монотонными условиям труда.

Промышленный робот – перепрограммируемый автоматический манипулятор промышленного применения. Характерными признаками ПР являются автоматическое управление; способность к быстрому и относительно легкому перепрограммированию, способность к выполнению трудовых действий.

Особенно важно то, что ПР можно применять для выполнения работ, которые не могут быть механизированы или автоматизированы традиционными средствами. Однако ПР – всего лишь одно из многих возможных средств автоматизации и упрощения производственных процессов. Они создают предпосылки для перехода к качественно новому уровню автоматизации – созданию автоматических производственных систем, работающих с минимальным участием человека.

Одно из основных преимуществ ПР – возможность быстрой переналадки для выполнения задач, различающихся последовательностью и характером манипуляционных действий. Поэтому применение ПР наиболее эффективно в условиях частой смены объектов производства, а также для автоматизации ручного низкоквалифицированного труда. Не менее важным является и обеспечение быстрой переналадки автоматических линий, а также комплектация и пуск их в сжатые сроки.

Промышленные роботы дают возможность автоматизировать не только основные, но и вспомогательные операции, чем и объясняется постоянно растущий интерес к ним.

Основные предпосылки расширения применения ПР следующие:

повышение качества продукции и объемов ее выпуска при неизменном числе работающих благодаря снижению времени выполнения операций и обеспечению постоянного режима «без усталости», росту коэффициента сменности работы оборудования, интенсификации существующих и стимулированию создания новых высокоскоростных процессов и оборудования;

изменение условий труда работающих путем освобождения от неквалифицированного, монотонного, тяжелого и вредного труда, улучшения условий безопасности, снижения потерь рабочего времени от производственного травматизма и профессионально-технических заболеваний;

экономия рабочей силы и высвобождение трудящихся для решения народнохозяйственных задач.

1.1 Построение и расчет схемы модели «жесткий вывод – отверстие печатной платы»

Существенным фактором в реализации сборочного процесса является обеспечение собираемости электронного модуля. Собираемость зависит в большинстве случаев от точности позиционирования и усилий, необходимых для сборки элементов конструкции модуля, конструктивно-технологических параметров сопрягаемых поверхностей.

В варианте, когда в отверстие платы вводится жесткий вывод, можно выделить следующие характерные виды контакта сопрягаемых элементов:

бесконтактный проход вывода через отверстие;

контакт нулевого вида, когда конец вывода касается образующей фаски отверстия;

контакт первого вида, когда конец вывода касается боковой поверхности отверстия;

контакт второго вида, когда боковая поверхность вывода касается кромки фаски отверстия;

контакт третьего вида, когда конец вывода касается боковой поверхности отверстия, а поверхность вывода – кромки фаски отверстия.

В качестве классификационных признаков выделения видов контактов приняты: изменение нормальной реакции в точке контакта; сила трения; форма упругой линии стержня.

На надежную работу установочной головки значительное влияние оказывают допуски отдельных элементов. В процессах позиционирования и перемещения возникает цепочка допусков, которая в неблагоприятных случаях может привести к ошибке при установке ЭРЭ, приводя к некачественной сборке.

Собираемость изделия зависит, таким образом, от трех факторов:

размерных и точностных параметров сопрягаемых поверхностей компонентов изделия;

размерных и точностных параметров сопрягаемых поверхностей базового элемента изделия;

размерных и точтностных параметров позиционирования исполнительного органа с расположенным в нем компонентом.

Рассмотрим случай контакта нулевого вида, схема которого изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Расчетная схема контакта нулевого вида.

Исходные данные:

F – сборочное усилие, направленное по ходу головки;

f – коэффициент трения;

Rг – реакция сборочной головки, перпендикулярная ее ходу;

N – нормальная к образующей фаски реакции;

Мг – изгибающий момент относительно сборочной головки;

Не только уменьшаться, например, за счет улучшения культуры производства и использования экологически более совершенного оборудования и технологий, но и увеличиваться, например, при введении новых технологических процессов, таких, как десульфуризация и денитрификация дымовых газов. Сточная вода - это вода, свойства которой изменены в результате бытовых, промышленных, сельскохозяйственных или...

К сложной формообразующей оснастке и инструменту. Еще одна важная задача ТПП - управление процессами ТПП. Автоматизация управления процессами ТПП позволяет обеспечить эффективное комплексное решение всех задач подготовки производства. Работы по технологической подготовке производства выполняются соответствующими подразделениями и службами предприятия. Как правило, наибольший объем работ и общее...

На одном или нескольких рабочих местах, удлинением поточных линий, применением механизированных групповых и типовых процессов. Пропорциональность производственных процессов должна восстанавливаться все время при последовательном их совершенствовании, связанном с повышением уровня механизации и автоматизации. При этом повышение пропорциональности должно достигаться на основе все более высокой...

БИОРЕАКТОРА Лист 90 Доклад. Уважаемые члены государственной экзаменационной комиссии разрешите представить вашему вниманию дипломный проект на тему: «Система автоматизированного управления процесса стерилизации биореактора» Процесс стерилизации биореактора (или ферментера) является важной стадией процесса биосинтеза антибиотика эритромицина. Суть процесса стерилизации состоит в...

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

НИЖНЕВАРТОВСКИЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИКУМ (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего образования

«Югорский государственный университет»

МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»

Методические указания по курсовому проекту

для студентов образовательных учреждений

среднего профессионального образования

всех форм обучения (очная, заочная)

по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств

Нижневартовск 2016

Рассмотрено

На заседании ПЦК ЭТД

Протокол № 5 от 24.05.2016г.

Председатель ПЦК

М. Б. Тен

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора по УВР

ННТ (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ»

Р.И. Хайбулина

« » 2016г.

Соответствует:

1. Федеральному государственному стандарту (ФГОС) по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) утвержденному 18.04.2014 (приказ № 349)

Разработчик:

Тен Марина Борисовна, высшая квалификационная категория, преподаватель Нижневартовского нефтяного техникума (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ».

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания по курсовому проекту по МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов» для студентов очной и заочной форм обучения разработаны в соответствии с требованиями Федерального государственного стандарта (ФГОС) по специальности 15.02.07. Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям) , рабочей программе профессионального модуля ПМ 04 Разработка и моделирование несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов

Курсовой проект имеет цель закрепить и систематизировать знания студентов, развить навыки в самостоятельной работе и научить их практически применять полученные ими теоретические знания при решении вопросов производственно- технического характера.

Дидактическими целями курсового проектирования являются: обучение студентов профессиональным умениям; углубление, обобщение, систематизация и закрепление знаний по МДК; формирование умений и навыков самостоятельного умственного труда; комплексная проверка освоения профессиональных и общих кометенций.

Данное пособие ставит своей целью оказание помощи студентам при выполнении курсового проекта по МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»

Курсовой проект выполняется после изучения теоретической части МДК 04.01 «Теоретические основы разработки и моделирования несложных систем автоматизации с учетом специфики технологических процессов»

Целью курсового проекта является освоение методик разработки и моделирования систем автоматического регулирования, построения графиков временных и частотных характеристик и исследования систем автоматического регулирования, а также приобретения навыков в пользовании технической литературой, справочниками, нормативными документами. Работа над курсовым проектом способствует систематизации, закреплению, углублению знаний, полученных студентами в ходе теоретического обучения, применению этих знаний для комплексного решения поставленных задач. В результате выполнения курсового проекта студенты должны освоить профессиональные компетенции:

ПК 4.1Проводить анализ систем автоматического управления с учетом специфики технологических процессов.

ПК 4.2 Выбирать приборы и средства автоматизации с учетом специфики технологических процессов.

ПК4.3 Составлять схемы специализированных узлов, блоков, устройств и систем автоматического управления.

ПК 4.4 Рассчитывать параметры типовых схем и устройств

Тематика курсового проекта выбирается в соотвествии с местом прохождения производственной практики

2 СТРУКТУРА курсового проекта

Курсовой проект состоит из двух частей: пояснительной записки и графической части.

Структура пояснительной записки:

титульный лист;

перечень листов графической части;

перечень условных обозначений и приятых сокращений;

введение;

глава 1;

глава 2;

глава 3;

заключение;

библиографический список;

приложения.

Графическая часть состоит из двух листов формата А1, при этом чертежи и схемы могут быть разработаны на формате А1 или А2, конкретный набор графической части определяется в индивидуальном задании и может включать следующие схемы и чертежи:

схему автоматизации функциональную;

схему соединений внешних проводок;

принципиальные электрические схемы;

схемы электрических подключений;

структурную схему контроллера.

3 СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Введение

Введение содержит следующие разделы:

а. Актуальность темы проекта (обоснование необходимости исследования вопросов, связанных с предметом исследования), например Актуальность создания автоматизированных систем управления значительно возросла, в связи c затратами на содержание обслуживающего персонала и поддержания экологии окружающей среды ;

б. Объект – (совокупность связей и отношений свойств, которая существует объективно в теории и практике и служит источником необходимой для исследователя информации). Объектом исследования определяют явление или процесс объективной реальности, на который направлена исследовательская деятельность субъекта, например для темы «Разработка системы а втоматизации скважин ЭЦН, ШГН и АГЗУ на кусту скважин», объектом будет куст скважин ;

в. Предмет исследования (более конкретен и включает только те связи и отношения, которые подлежат непосредственному изучению в данном проекте, устанавливает границы научного поиска). В каждом объекте можно выделить несколько предметов исследования, но в работе должен быть указан один предмет исследования. Предметом исследования определяют конкретные свойства объекта, например для темы «Разработка системы а втоматизации скважин ЭЦН, ШГН и АГЗУ на кусту скважин», предметом будет скважины ЭЦН, ШГН и АГЗУ ;

Из предмета исследования вытекают его цель и задачи.

г. Цель ( формулируется кратко и предельно точно, в смысловом отношении выражая то основное, что намеревается сделать исследователь).

Примеры: 1. Цель проекта разработка системы автоматизации на базе оптимально подходящих средств автоматизации. Моделирование устойчивой и качественной системы автоматического регулирования

Цель конкретизирует и развивается в задачах исследования.

Задача должна быть сформулирована с использованием глагола в форме инфинитива, например: разработать, проанализировать, выявить и т.д.

Первая задача , как правило, связана с выявлением, уточнением, углублением, методологическим обоснованием сущности, природы, структуры изучаемого объекта. Например, проанализировать назначение объектов и разработать структурную схему куста скважин

Вторая – с анализом реального состояния предмета исследования, динамики, внутренних противоречий развития. Например, проанализировать технологию работы и основные технические характеристики АГЗУ, определить параметры автоматизации и условия эксплуатации средств автоматизации.

Третья и четвертая – со способами преобразования, моделирования, проверки либо с выявлением путей и средств повышения эффективности совершенствования исследуемого явления, процесса, т.е. с практическими аспектами работы, с проблемой управления исследуемым объектом. Например, разработать схему автоматизации, определить способы внешних соединений средств автоматизации, исследовать способы монтажа, ремонта, поверки средств автоматизации, определить экономическую эффективность

Методы исследования включают использование конкретных теоретических и эмпирических методов исследования, например: анализ научно-методической литературы, документальных источников и др.

Структура и объем работы (указывается, из каких структурных

элементов состоит работа: введение, количество глав, параграфов, заключение, библиографический список, с указанием количества наименований, а также объем работы в страницах и др.).

Объем введения составляет 2-3 страницы.

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ (САР)

2.1 Технологическая характеристика объекта регулирования

В этом подразделе курсового проекта необходимо коротко изложить технологию и основные технологические характеристики рассматриваемого объекта регулирования.

2.2 Математическая модель объекта регулирования

Необходимо начертить переходную характеристику объекта регулирования согласно варианта в заданном масштабе.

По виду переходной характеристики, необходимо определить каким типовым динамическим звеньям соответствует объект регулирования по динамическим свойствам. Записать передаточную функцию этих звеньев и по графику определить численные значения коэффициентов.

Например:

По экспериментально снятой переходной характеристике (рисунок 2.1) определяем передаточную функцию объекта регулирования.

Объект регулирования соответствует последовательному соединению нескольких апериодических звеньев и звена запаздывания, поэтому его передаточная функция

Рτ , (2.1)

Для определения численных значений коэффициентов K 1 , Т 1 , τ 1 по графику находим установившееся значение регулируемого параметра h уст , h уст = 14. Перейдём в относительные единицы, приняв значение h уст за 1, разделим полученный отрезок на десять равных частей, отметим точки а=0,7, i =0,3. Определим по графику время соответствующее этим точкам t i =9,8 и t а =11,8. Принимаем значение m =3.

По таблице 7.8 определяем значение постоянных коэффициентов Т а *, А ia , В ia , для а=0,7 и i =0,3 в зависимости от степени m передаточной функции

m = 3,

Т 7 * = 0,277,

А 37 = 1,125,

В 37 = 1,889.

Определяем время запаздывания объекта регулирования

, (2.2)

Определяем постоянную времени объекта регулирования

(2.3)

Т 1 = 0,277 (11,8 – 9,8) = 1,19

Определяем коэффициент усиления объекта регулирования

вх
(2.4)

где h уст – установившееся значение регулируемой величины.

Так как нам дана переходная характеристика, то Х вх =1, значит

K 1 = h уст , (2.5)

K 1 =14

В результате получаем передаточную функцию ОР в виде

-7,5р

2.3 Определение оптимальных параметров настройки регулятора

В соответствии с заданным законом регулирования (исходные данные) необходимо определить передаточную функцию автоматического регулятора и рассчитать параметры настройки.

Например:

Согласно исходных данных закон регулирования пропорциональный.

Уравнение закона регулирования имеет вид:

y = Kε (2.6)

где y - выходная величина;

K – коэффициент усиления;

ε – рассогласование.

Запишем закон регулирования в общем виде:

Х вых = K 2 Х вх (2.7)

Определим передаточную функции автоматического регулятора W 2 (p )

Х вых (р) = К 2 Х вх (р)

W 2 (р) = К 2 (2.8)

Определяем параметры настройки регулятора по формулам ВТИ (таблица 7.13 ):

Характеристика объекта:

(2.9)

Определяем предел пропорциональности:

δ = 2 K 1 , (2.10)

δ = 2*14 =28

Определяем коэффициент усиления автоматического регулятора K 2 :

(2.11)

В результате получаем передаточную функцию АР в виде

W 2 (p )=0,035

2.4 Математическая модель исполнительного механизма и измерительного преобразователя

В качестве исполнительных механизмов в САР широкое применение находят электрические двигатели переменного тока. В системах, где требуется регулирование скорости исполнительного механизма применяют трёхфазные асинхронные электродвигатели с фазным ротором. Если регулирование скорости не требуется, то применяют электродвигатели с короткозамкнутым ротором. В качестве исполнительных механизмов небольшой мощности широко применяют двухфазные асинхронные двигатели. Динамические свойства асинхронных электродвигателей определятся дифференциальным уравнением

(2.12)

где Т м – электромеханическая постоянная времени электродвигателя, с;

К р – коэффициент передачи электродвигателя;

U р – напряжение на роторе, В;

Q – угловая скорость ротора, рад/с.

Электромеханическая постоянная времени Т м в зависимости от инерционности ОР может быть в пределах Т м =0,006÷2 с. В курсовом проекте, например, принимаем Т м =2с.

Согласно исходных данных, например, К р =4, таким образом передаточная функция ИМ:

(2.13)

Измерительный преобразователь по динамическим свойствам соответствует усилительному звену. Его уравнение:

Х вых =КХ вх (2.14)

Коэффициент усиления К=1, следовательно передаточная функция ИП:

W 5 (p )=1 (2.15)

3 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

3.1 Регулирование технологического процесса

Необходимо выбрать типы элементов САР, привести описание их принципа действия, технических характеристик. Описать работу системы автоматического регулирования.

3.2 Структурная схема разомкнутой САР по задающему и возмущающему воздействию

Необходимо разработать структурную схему системы автоматического регулирования по задающему и возмущающему воздействиям. Определить передаточную функцию разомкнутой системы.

Например.

Рисунок 3.1 – Структурная схема

Рассчитываем передаточную функцию последовательно соединённых элементов

Передаточная функция разомкнутой САР по задающему воздействию

(3.1)

Передаточная функция разомкнутой САР по возмущающему воздействию

(3.2)

3.3 Структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования по задающему и возмущающему воздействиям

Определим передаточную функцию замкнутой САР по задающему воздействию (рисунок 3.1):

(3.3)

Определим передаточную функцию замкнутой САР по возмущающему воздействию (рисунок 3.1):

(3.4)

4 УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

4.1 Устойчивость по критерию Гурвица. Критический коэффициент усиления

По критерию Гурвица система устойчива, если при а 0 >0 определители Гурвица положительны. Пусть характеристическое уравнение рассматриваемой системы

3,36р 4 +10,14р 3 +11,37р 2 +5,57р+2,17=0

Рассчитываем определители Гурвица

Δ 1 =10,14

Вывод: Система устойчива.

Определяем граничный коэффициент усиления по критерию Гурвица.

Заменяем коэффициенты усиления буквенными обозначениями.

W 2 (p )= K 2

W 3 (p )= K 3

W 5 (p )= K 5

Рассчитываем передаточную функцию САР.

Таким образом характеристическое уравнение системы имеет вид:

K 2 K 1-5 =0

Внесём замену K 2 K 1-5 = K гр.

3,36р 4 +10,14р 3 +11,37р 2 +5,57р+1+ K гр =0

Составляем определитель Гурвица:

Система находится на границе устойчивости, если один из определителей Гурвица равен 0.

Из полученного выражения определяем K гр.

642,17-102,81-102,81 K гр -104,24=0

102,81 K гр =-435,12

K гр =4,23

Таким образом критический коэффициент усиления K гр =4,23.

4.2 Устойчивость по критерию Михайлова. Критический коэффициент усиления

Согласно критерию Михайлова система устойчива, если годограф Михайлова проходит последовательно против часовой стрелки n -четвертей комплексной плоскости при изменении ω=0 ÷ +
. Пусть характеристическое уравнение системы:

3,36р 4 +10,14р 3 +11,37р 2 +5,57р+2,176=0

Полином Михайлова:

Задаваясь значениями ω=0 ÷ +
строим годограф Михайлова.

Расчет необходимо выполнить программным путем. Например с использованием EXEL . Составляем программу для данного примера.

В2=3,36*B1^4-11,37*B1^2+2,176

В3=-10,14*B1^3+5,57*B1

Таблица 4.1 – Результаты расчета

Годограф необходимо построить с использованием программной среды.

Рисунок 4.1 – Годограф Михайлова

Вывод: система устойчива.

Определяем граничный коэффициент по критерию Михайлова.

Характеристическое уравнение при неизвестных коэффициентах усиления имеет вид:

3,36р 4 +10,14р 3 +11,37р 2 +5,57р+1+ K гр =0

Полином Михайлова равен:

F (jω )

Система находится на границе устойчивости, если годограф Михайлова проходит через начало координат при частоте ω≠0. Следовательно, система находится на границе устойчивости, если действительная и мнимая части равны 0.

4.3 Устойчивость по критерии Найквиста. Запас устойчивости по амплитуде и фазе

Для того чтобы система была устойчива в замкнутом виде необходимо и достаточно чтобы годограф АФХ устойчивой разомкнутой системы не охватывал точку на комплексной плоскости с координатами

(-1;0) при изменении ω=0 ÷ +0. Разомкнутая система считается устойчивой, если состоит из устойчивых типовых звеньев.

Пусть передаточная функция разомкнутой системы.

Определяем АФХ:

Задаваясь значениями
строим АФХ разомкнутой системы с использованием Excel :

Таблица 4.2 – Результаты расчёта

Рисунок 4.3 – Годограф АФХ

Вывод: система устойчива

Запас устойчивости по амплитуде и фазе определяем по годографу АФХ разомкнутой системы

Запас устойчивости по амплитуде ΔА=0,74

Запас устойчивости по фазе Δφ=130 0

5 КАЧЕСТВО САУ

5.1 График переходного процесса

График переходного процесса можно построить методом трапеций. Для этого необходимо определить АФХ замкнутой системы, выделить действительную частотную характеристику, построить график ДЧХ. Затем выполнить операции в следующей последовательности.

Рассмотрим построение графика переходного процесса на примере.

Определяем АФХ замкнутой системы:

Строим график ДЧХ

Таблица 5.1 – Результаты расчёта ДЧХ

Разбиваем ДЧХ на трапеции, так чтобы две стороны каждой трапеции были параллельны оси ω, третья совпадала с осью Р.

Рисунок 5.1 –Действительная частотная характеристика

Определяем для каждой трапеции ω 0 , ω d , h 0.

Например, 1 трапеция: ω 0 =0,54.

ω d =0 ,31

h 0 =45,5

Вычисляем для каждой трапеции значение Х:

По значении Х находим по таблице значения h x функции, задаваясь значениями τ, для каждой трапеции.