Разработка системы автоматического управления микроклиматом картофелехранилища СПК им. Ленина (дипломный проект)

Дипломный проект выполнен в объёме: расчётно-пояснительная записка на страницах, таблиц – , рисунков – ; графическая часть – на 8 листах формата А1; использовано 15 литературных источников.
Ключевые слова: технологический процесс, картофелехранилище, картофель, хранение, температура, влажность.
Обоснована необходимость применения системы автоматического регулирования технологическим процессом хранения картофеля.
Составлены функциональная и электрическая принципиальная схемы.
Разработан щит управления и сигнализации.
Даны оценка экономической эффективности проекта и рекомендации по его безопасности и экологичности.


СОДЕРЖАНИЕ

Ведомость комплекта проектной документации
Задание на дипломное проектирование
Введение...............
1 Краткая характеристика хозяйства....
2 Характеристика объекта автоматизации....
2.1 Описание картофелехранилища......
2.2 Технология хранения картофеля.........
2.3 Технологическое оборудование картофелехранилища...
2.4 Агротехнические требования к системе автоматического регулирования......
2.5 Характеристика картофелехранилища как объекта управления микроклиматом.........
3 Задачи проектирования......
4 Разработка САУ вентиляции хранилища...
4.1 Автоматизация процесса активного вентилирования хранилища...
4.2 Регулирование температуры вентиляционного воздуха......
4.3 Система аварийной защиты хранимого продукта от подмораживания....26
4.4 Регулирование температуры верхней зоны...
4.5 Разработка САР температурного режима картофелехранилища...
4.6 Выбор аппаратов управления и регулирования
4.7 Выбор аппаратов защиты.........
4.8 Описание схемы управления...
5 Электрические силовые проводки. План расположения оборудования........
5.1 Выбор схемы подключения электроприемников.
5.2 Выбор конструктивного выполнения внутренних сетей. Определение
сечений проводов и кабелей...
6 Разработка щита управления...
7 Вопросы монтажа наладки и эксплуатации оборудования.......
8 Безопасность жизнедеятельности...
  8.1 Требования безопасности при монтаже электрооборудования
картофелехранилища...
8.2 Основные требования лектробезопасности при эксплуатации  оборудования...
  8.3 Расчетная проверка эффективности зануления электрооборудования   на отключающую способность......
  8.4 Пожарная безопасность...
8.5 Безопасность жизнедеятельности в чрезвычайных экологических
неблагоприятных ситуациях.........
9 Техника – экономическое обоснование проекта...
9.1 Годовой фонд времени работы оборудования....
9.2 Производственные энергоресурсы..........
9.3 Расчет капиталовложений..................
9.4 Объем производства...
9.5 Эксплуатационные затраты...
9.6 Отчисления на социальные нужды......
9.7 Амортизационные отчисления......
9.8 Затраты на ремонт оборудования...
9.9 Эксплуатационные затраты......
9.10 Прирост прибыли предприятия......
9.11 Инвестиционный годовой доход......
9.12 Расчетный период...
9.13 Расчет показателей эффективности...
Заключение.........
Литература............



4 РАЗРАБОТКА САУ МИКРОКЛИМАТОМ КАРТОФЕЛЕХРАНИЛИЩА

4.1 Автоматизация процесса активной вентиляции хранилищ

В последние годы, для управления температурным режимом в массе хранимого картофеля и в помещениях, для их хранения широкое распространение получила активная вентиляция. Под активной вентиляцией понимается, принудительная подача воздуха заданной температуры непосредственно в массу хранимого продукта (Рис.4.1а).
Для автоматизации процесса активной вентиляции в хранилищах заменяют ручное управление оборудованием на автоматическое, позволяющее полностью использовать возможности активного вентилирования и значительно снизить потерю продукта при хранении.















Рис.4.1. Структура системы активной вентиляции хранилищ схема автоматизации;
Автоматизация процессом заключается в включении-выключении вентилятора в соответствии с изменением температуры.

4.2 Разработка САР температуры вентиляционного воздуха

Наиболее напряженным временем работы вентиляции является осень, т.е. период охлаждения, когда продукция должна охлаждаться до температуры хранения в зависимости от ее вида. Температура вентиляционного воздуха, поступающего в массу продукта, должна быть ниже температуры последней, но не ниже криоскопической (криоскопическая температура-температура начала замерзания картофеля и овощей; для большинства видов продукции она равна -1С).
При отрицательных наружных температурах вентилирование ведут наружного и рециркуляционного (внутреннего) воздуха.
Для получения смеси наружного и внутреннего воздуха с заданной температурой в хранилищах с активной вентиляцией применяются смесительные камеры, оборудованные одностворчатыми или жалюзийными поворотными клапанами с электрическими, исполнительными механизмами (Рис.4.2а).
В качестве исполнительных механизмов регулирующих органов в системах вентиляции хранилищ применяются ИМ-2/120 и МЭО-63/250, время одного оборота выходного вала которых 100-250 секунд.
Смесительную камеру с регулируемым клапаном, как объект управления можно описать уравнением теплового баланса в приращениях:

сρнGн+cρрGр=сρпG, (4.2.1)

где ρн и ρр - значения температур наружного и рециркуляционного воздуха, С;
Gн=-Gр- приращение смешиваемых количеств наружного и рециркуляционного, кг/с;
 

 
ρп -приращение температуры (град) для удельного расхода приточного воздуха G, кг/с.
С учетом указанных соотношений уравнение (4.2.1) можно представить в виде
  (4.2.2)

Откуда определяется значение передаточной функции смесительной камеры как усилительного звена

 (4.2.3)

Смесительная камера представляет собой безынерционное звено. Постоянная времени регулирующего органа значительно превышает инерционность датчика температуры ТЕ1 и в системе управления поворотным клапаном могут быть использованы регулирующие приборы А1 непрерывного регулирования с любым законом регулирования, включая простейший, пропорциональный закон.

















Рис.4.2.а



Рис.4.2 Структура системы регулирования температуры вентиляционного воздуха:
а) - схема автоматизации;
б) - принципиальная схема управления поворотным клапаном;

Открытие клапана производится контактом А1 регулирующего прибора А1, тем самым происходит снижение температуры воздуха в смесительной камере до установленного значения после чего контакт размыкается. Закрывается клапан автоматически после отключения привода вентилятора.
Сигнал на разрешение открытия клапана подается дифференциальным терморегулятором А2 один из датчиков которого ТЕ3 установлен снаружи хранилища, а второй ТЕ2 внутри. При перепаде температур (ρвн-ρнар)>2-3 С происходит открытие клапана.
Датчик ТЕ1 терморегулятора А1 установлен после вентилятора в магистральном канале на расстоянии 2-3 м от него.
В качестве регулирующего прибора может быть использован трехпозиционный терморегулятор. Верхнее значение уставки ”норма” должна соответствовать температуре хранения продукта, нижняя уставка минимально допустимому значению температуры хранения продукта. При этом должно быть выполнено следующее условие:

3Тд tн,  (4.2.4)

где Тд – постоянная времени датчика температуры регулирующего устройства;
tн – время снижения температуры воздуха после открытия смесительного клапана на величину t – ” норма”. Если это неравенство не выдерживается, то необходимо уменьшить скорость открытия клапана.

4.3 Устройство защиты хранимого продукта от подмораживания

В качестве регулятора для аварийной защиты от подмораживания хранимого продукта может быть использован датчик температуры SK, который устанавливается в магистральном канале после приточного вентилятора.
Принципиальная схема защиты приведена на рис.9.3.
А КМ N
SK


Рис.4.3. Принципиальная электрическая схема для защиты продукта от подмораживания.
При снижении температуры воздуха в магистральном канале ниже допустимой, срабатывает датчик SK и привод приточного вентилятора отключается. При подогреве продукта происходит включение привода.




4.4 Регулирование температуры в верхней зоне
Температура воздуха над массой хранимого продукта оказывает большое влияние на сохранность верхнего слоя продукта, особенно когда в условиях активного вентилирования емкость хранилища используется полностью и между насыпью продукта и перекрытем остается воздушная прослойка высотой 0,8 – 1,5 м .
При низких наружных температурах перекрытие переохлаждается, температура воздуха и верхних слоев продуктов снижается и на них выпадает конденсат. Увлажнение верхнего слоя продукции ведет к повышенным ее потерям.
Для предупреждения выпадения конденсата необходимо поддерживать температуру воздуха между перекрытием и продуктом на 1–2 С выше температуры массы продукта и обеспечить циркуляцию воздуха.
Проведение исследования и опытная эксплуатация доказали, что эту задачу наиболее успешно осуществляют при помощи рециркуляционно- отопительных агрегатов, состоящих из электрокалорифера и осевого вентилятора, обеспечивающих подогрев воздуха при его прохождении через агрегат на 2 – 4 С.
Передаточную функцию верхней зоны овощехранилища можно определить из дифференциального уравнения теплового баланса

сGdρ/dt=q - F(ρр-ρo)-cGв(ρв-ρo)  (4.2.5)

где с – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кгС);
G и ρ – масса и температура воздуха в верхней зоне, соответственно кг и С;
q – тепловыделения от продукции, Дж/с;
–коэффициент теплоотдачи от воздуха к ограждениям, Дж/(м2сС);
F – площадь поверхности ограждений, м2;
ρ - температура ограждений, С;
ρв и Gв – температура и удельный расход воздуха на входе в верхнюю зону, соответственно С и кг/с;

Если из-за отсутствия численных величин, входящих в уравнение (4.2.5), трудно найти аналитическим путем количественное выражение передаточной функции, то следует снять экспериментальную кривую разгона и по ней одним из существующих методов определить передаточную функцию верхней зоны. Она выражается тремя составляющими (по числу параллельно действующих возмущений), а именно, согласно уравнения (4.2.5), от изменения q, ρр - ρ0 и ρв - ρр :

  (4.2.6)

для типового овощехранилища на 2000 т значение коэффициентов можно принять К1=0,3; К2=0,5; К3=0,2; Т1=2,3ч; Т2=0,12ч и Т3=0,04ч;
Закон регулирования работы рециркуляционно-отопительных агрегатов, двухпозиционный: при снижении температуры воздуха верхней зоны до уровня температуры в массе, продукции агрегата должны включаться, а при достижении заданной температуры выключаться.
Датчик терморегуляторы должен устанавливаться на расстоянии 40-60 см от перекрытия вне действия прямых потоков теплового воздуха.
Рециркуляционно-отопительный агрегат мощностью 10,6кВт с осевым вентилятором N6 надежно обеспечивает предупреждение увлажнение верхнего слоя продукта на площади 80-120 см2






4.5 Функции САР температурного режима
картофелехранилища

 Применение системы автоматического регулирования температуры в хранилище рассмотренных выше типов не исключает необходимости ручного труда. Для полного устранения ручного труда, при управлении оборудованием хранилища с активной вентиляцией, нужны комплексные системы автоматического регулирования температурного режима картофелехранилища.

Такие системы должны обеспечить:
• Периодическое вентилирование продукта рециркуляционным воздухом по заданной программе с целью интенсификации раненых реакций в продукте в лечебный период;
• Подачу в массу продукта наружного воздуха или смеси с рециркулярционным при температуре наружного воздуха более низкой, чем в продукции, с целью эффективного охлаждения последней до оптимальных для хранения температур;
• Периодическое вентилирование продукта по заданной программе смесью рециркуляционного и наружного воздуха для удаления теплоизбытков, снятия температурных и влажностных градиентов в режиме зимнего хранения;
• Прогрев верхней зоны хранилища при помощи электрокалориферов с целью предупреждения ее переохлаждения;
• Подачу воздуха определенный температуры в массу хранимой продукции;
• Аварийную защиту продукта от переохлаждения и перегрева вентиляционным воздухом;
• Автоматическое перекрытие заслонки смесительного клапана приточной шахты при остановке вентилятора;
• Прогрев заслонки клапана перед включением вентилятора ;
• Автоматическое поддержание оптимального температурного режима внутри шкафа автоматики;
• Дистанционно замерять температуру в хранилище вентиляционного воздуха.
На основании вышеперечисленных требований, разрабатываем схему управления отвечающую этим требованиям.
В схеме управления необходимо предусмотреть ручной и автоматический режим работы оборудования, а также световую сигнализацию, свидетельствующую о ходе технологического процесса.

4.6 Выбор аппаратов управления и регулирования
 В качестве регулирующих приборов температуры применим приборы марки ТМ2141, укомплектованные датчиками 50М(W100=1.426) с диапазоном измерения от –19,9 до +99,9 оС. Для измерения перепада температур применим прибор ТМ2232-R с двумя датчиками 50М.
 Для последовательного включения приточных вентиляторов установим -контроллер работающий в режиме переключения. В -контроллере имеются шесть входов и четыре выхода. Программа обеспечивает последовательное переключение выходов с заданным интервалом времени.
 Задержку времени для включения второго двигателя будет осуществлять реле времени РП21М-003В1. В качестве промежуточных реле установим РП21М-400 на напряжение 220В.
Для задания режима работы управления микроклиматом, и исключения одновременного и параллельного управления процессом, используются трёхпозиционные переключатели УП5300, с числом секций до 10 (SA1,SA2, SA3,SA4,SA5,SA6).
 В ручном режиме предусматриваем кнопочные посты ПКЕ–112–2 (SB1...SB14), установленные на щите. Для ручного управления заслонками установим переключатели ТВ2–1 (SA7...SA10).
Пуск двигателей осуществляется магнитными пускателями ПМЛ–121002 и ПМЛ221002 с тепловыми реле типа РТЛ, которые защищают от перегрузки. Для защиты двигателей от токов короткого замыкания используем автоматические выключатели ВА51.
Защиту схемы управления осуществляем автоматическим выключателем марки А63М, Iр.н.=5А. Для дополнительного контроля над работой оборудования используем светосигнальную арматуру, АС–220.

4.7 Выбор аппаратуры защиты
Для устойчивой работы электрооборудования, а также для защиты от аварийных режимов, выбираем электрические аппараты управления и защиты: предохранители, автоматические выключатели и магнитные пускатели с тепловым расцепителем, а для защиты от неполно фазного режима применим реле РОФ-11.
Типы применяемых электродвигателей и их параметры приведены ниже в таблице 4.7.1.
Таблица 4.7.1. Типы и паспортные данные электродвигателей
Рн, кВт Тип N0, мин-1 КПД,
% Iн, А Cos  Кi функция
7.5 АИР112М2  3000 0.875 14.8 0.88 7.5 Вентилятор
приточный
0.75 АИР71A2 3000 0.789 1.7 0.83 6 Вентилятор отопительного блока
9.6 СФО   14.6   ТЭНы отопительного блока
1.2 ТЭН   2.1   Подогрев заслонки
Выбор автоматических выключателей производим по номинальному напряжению и току с соблюдением следующих условий:

(4.7.1)
(4.7.2)


где номинальное напряжение автоматического выключателя, В;
номинальное напряжение сети, В;
номинальный ток автоматического выключателя, А; длительный расчетный ток линии, А.
Номинальный ток теплового расцепителя должен быть не меньше номинального тока двигателя

(4.7.3)

Ток уставки электромагнитного расцепителя (отсечки), с учетом неточности срабатывания и отклонений действительного пускового тока от каталожных данных, выбирается из условия

(4.7.4)

где пусковой ток двигателя, А;
кратность пускового тока (таблица 4.7.1).
Автоматические выключатели для приводов приточных вентиляторов.




Принимаем автоматический выключатель с комбинированным расцепителем типа ВА51Г-25: = 25А; = 16А; 160А, таблица 9, /1/.
Выбор автоматических выключателей для остальных электродвигателей осуществляется аналогично, результаты расчетов сведены в таблицу 4.7.2.

Таблица 4.7.2 Автоматические выключатели
Тип выключателя Номинальный ток выключателя,А Iном. расц,А Iуст. эл.магн, А Электоприемник
ВА51Г-25  25  16  160 Приточный вентилятор
ВА51Г-25  25  8  80 Для группы вентиляторов

Для защиты схемы управления принимаем автоматический выключатель типа А63М: = 5 А

Выбор магнитных пускателей с тепловым реле проводится из условий:

(4.7.5)

(4.7.6)

где – номинальный ток магнитного пускателя, А;
номинальный ток теплового реле, А.
Результаты расчетов по выбору магнитных пускателей с тепловым реле сведены в таблицу 4.7.3.


Таблица 4.7.3 Магнитные пускатели с тепловым реле
Номинальный ток пускателя,
А  Тип
пускателя 
Тип реле
 Номинальный
ток реле,
А Электроприем-ник
25 ПМЛ-221002 РТЛ-1004  25 Приточный вентилятор
10 ПМЛ-121002 РТЛ-1001  25 Вентилятор теплового блока
25 ПМЛ-221002   ТЭН теплового блока
10 ПМЛ-121002   Подогрев заслонки

Выбор предохранителей производится по номинальному напряжению, номинальному току предохранителя и номинальному току плавкой вставки.

Номинальное напряжение должно соответствовать напряжению сети:

     (4.7.7)

Номинальный ток предохранителя должен соответствовать рабочему току защищаемого электроприемника или линии:

      (4.7.8)

Номинальный ток плавкой вставки должен соответствовать рабочему току защищаемого электроприемника или линии:

(4.7.8)

так как предохранители используются для защиты ТЭНов то ограничимся тремя условиями.
Выбираем предохранитель НПН2-60 Iпред=63А, Iпл.вст=15А, Uн=380В

  63  14.8, А

15  14.8, А

Результаты выбора сводим в таблицу 4.7.4


Таблица 4.7.4 Предохранители
Тип предохрани-теля Номинальный ток предохранителяА Iпл.вст,
А лектоприемник
НПН2-60  63  16 ТЭНы теплового блока
НПН2-60  63  6 ТЭНы подогрева заслонок


4.8 Описание схемы управления
 Схема управления работает в ручном и автоматическом режимах. Выбор режимов производим с помощью пакетных переключателей SA1, SA2, SA3, SA5, SA6.
В автоматическом режиме с помощью переключателя SA4 задаем режим лечение или хранение, охлаждение. Контроллер по программе с суточным циклом последовательно включает и отключает магнитные пускатели, управляющие электроприводами приточных вентиляторов. При подаче напряжения на КМ5 включается приточный вентилятор N1, и получает питание реле времени КТ1, которое с выдержкой времени подаёт питание на КМ6 и включается вентилятор N2. При перепаде температур наружного и внутреннего воздуха в 2-3оС, срабатывает регулятор перепада температур А2 подавая питание на катушку реле KV1 и КТ5. Замкнувшись KV1 подаёт питание на катушку магнитного пускателя КМ1 который включает подогрев заслонок смесительных клапанов N1 и N2. С выдержкой времени КТ5 замкнет контакт и подаст напряжение на схему управления заслонками. Получат питание регуляторы температуры А3..А6 которые впоследствии и управляют заслонками, подовая сигнал на открытие или закрытие заслонки. Задержка времени реле КТ5 необходима для того, чтобы вначале включился подогрев заслонки, а затем только включения привода заслонки. Размыкающий контакт КМ5 в цепи управления заслонками 1 и 2, предназначен для закрытия заслонки после отключения приточных вентиляторов 1 и 2.
При температуре воздуха в верхней зоне ниже заданной, срабатывает регулятор температуры А7, и при условии что ни один из приточных вентиляторов не включен, контакты магнитных пускателей КМ6 КМ8 КМ10 КМ12 замкнуты, получает питание промежуточное реле KV2, и включается подогрев верхней зоны. Далее принцип работы схемы повторяется.
Для защиты от замерзания применяются датчики SK1...SK8, включённые в цепь питания магнитных пускателей управления приточными вентиляторами.
С помощью тумблеров SA11 и SA12 включаем обогрев щита. Температуру в щите контролируют датчики SK9 и SK10, и при её превышении, отключают катушки магнитных пускателей КМ29 КМ30, и следовательно отключаются нагревательные элементы ЕК1 и ЕК2.
Для защиты от неполно-фазных режимов защищает реле KV3, при обрыве фазы оно размыкает свой контакт в цепи питания схемы управления, и обесточивает её.
Защищает схему управления от коротких замыканий автоматический выключатель QF11.
В схеме управления предусмотрены световая сигнализация включения оборудования HL1...HL14 и сигнализация наличия напряжения HL15.