2. Електротехнічна частина

1. Визначення параметрів контролю і розробка електротехнічних вимог до системи керування технологічним процесом

Для забезпечення автоматизації технологічного процесу виробництва томатної пасти передбачаємо наступні параметри контролю:

• Контроль завантаження мийної машини КМ-1;

• Контроль завантаження протиральної машини КПТ;

• Контроль рівня рідини у варильному котлі МЗС-374.

На основі зазначених параметрів контролю, алгоритму операцій існуючого технологічного процесу, розробляємо наступні електротехнічні вимоги:

• Передбачити ввімкнення робочих машин в наступній послідовності: машина протиральна КПТ, машина мийна КМ-1, конвейер інспекційний КТВ, котел варильний МЗС-374;

• Передбачити наступні режими роботи: ручний, вимкнено, автоматизовано;

• Передбачити світову сигналізацію роботи кожної робочої машини за допомогою ламп розжарювання;

• Передбачити звукову сигналізацію початку роботи технічної лінії протягом 10 с дзвінком електромагнітного типу;

• Передбачити захист силового обладнання від перевантажень, короткого замикання та мінімальної напруги за допомогою теплових струмових реле, автоматичних вимикачів та магнітних пускачів відповідно;

• Забезпечити контроль завантаження мийної машини за допомогою кінцевого вимикача;

• Передбачити контроль верхнього рівня томатної маси у варильному котлі за допомогою давача ємнісного типу.

2. Вибір засобів автоматизації та елементів вторинних кіл

Для забезпечення робот системи керування в автоматизованому режимі обираємо наступні засоби автоматизації:

• Реле рівня: тип – ПДУ, поплавковий на магнітокерованих контактах, вихідний сигнал – розмикання або замикання контактів, діапазон вимірювання – 0,1…2 м, 2 контактні групи, номінальний струм контактів – 0,5 А;

• Реле часу: тип – ВЛ-64, з затримкою на спрацювання, час затримки на КТ1 – 1…10 с, для КТ2 – 1…10 хв, для КТ3 – 10…100 хв. Кількість контактних груп 1 (1з+1р), спосіб встановлення – у ніші, напруга живлення – 220 В;

• Кінцевий вимикач: тип ВП15К-21А-231-54У2, кількість контактних груп – 2(1з+1р). номінальний струм – 10 А, номінальна напруга – 660 В, кількість полюсів – 2, вид привода – важіль з роліком; ступінь захисту – ІР54; кліматичне виконання та категорія розміщення – У3;

• Електромагнітний клапан: тип ТВ-Т 200 для води та пари, умовний діаметр 20 мм, робоча температура від +5 до +150 °С, умовний тиск – 0,1 МПа, номінальна напруга - 220 В.

Для побудови вторинних кіл системи керування обираємо наступні елементи:

• Кнопкові пости: тип ПКЕА-422-202, спосіб встановлення – монтаж в нішах, ступінь захисту ІР54, з пластмасовим корпусом та 2 штовхачами, кліматичне виконання та категорія розміщення – О2;

• Перемикач: тип ALCLR-22, кількість комутуємих кіл – 1, номінальна сила струму – 10 А, кількість напрямків комутації – 3, кліматичне виконання та категорія розміщення – У3, ступінь захисту – ІР54.

Обрані засоби автоматизації, елементи вторинних кіл, апарати керування та захисту, які є частиною системи керування заносимо до таблиці переліку елементів.

3. Розробка і опис схеми електричної принципової системи керування технологічним процесом

На основі електротехнічних вимог, розробляємо схему електричну принципову, яка приводиться у графічній частині роботи. Схема працює наступним чином. На силове коло напруга подається через автоматичний вимикач QF1, який призначений для захисту електроприй мачів від струмів к. з. в силовому колі та дозволяє вимкнути у разі потреби всі електроприймачі одночасно. При замиканні автоматичного вимикача QF1 напруга подається через QF2 на силові контакти магнітного пускача КМ1, який призначений для комутації електродвигуна М1. Далі при замиканні КМ1 напруга крізь чутливі елементи теплового реле КК1(КК1 призначений для захисту електроприймача від перевантаження) подається на затискачі двигуна М1. В колах інших двигунів живлення подається аналогічно.

Коло керування працює наступним чином. Живлення на коло керування подається з проводу А1 автоматичний вимикач SF1, який захищає від коротких замикань, на перемикач SA1, який забезпечує перемикання режимів роботи. В залежності від положення «Р», «О», «А» система керування може працювати в ручному режимі, бути вимкнена та працювати в автоматизованому режимі відповідно.

В ручному режимі двигун привода барабанної мийної машини вмикається шляхом натиснення кнопки SB1.2 («ПУСК») на кнопковому посту: при цьому напруга подається на котушку магнітного пускача КМ1 через коло А1-SF1-SB1.1-SB1.2-KK1, після спрацювання силових контактів КМ1 живлення подається на електродвигун М1. Замикає мий контакт КМ1.1 призначений для блокування контактів кнопки SB1.2, щоб при відпусканні кнопки «ПУСК» живлення на котушку КМ1 не переривалось. Розмикає мий контакт теплового струмового реле розмикає коло живлення котушки КМ1 в разі виникнення перевантаження. Вимикання здійснюється шляхом натиснення кнопки SB1.1 («СТОП»): коло переривається і напруга з котушки магнітного пускача КМ1 знімається. Ручний режим колах керування інших робочих машин здійснюється аналогічно.

Світлова сигналізація реалізується сигнальними лампами HL…HL4, які увікнені паралельно котушкам магнітних пускачів КМ1…КМ4 та сигналізують про роботу відповідних електродвигунів.

В автоматизованому режимі при перемиканні пакетного вимикача SA1 в положення «А» в початковий момент часу здійснюється звукова сигналізація (дзвінок НА1 працює на протязі 4-5 с.), яка вимикається за допомогою реле часу КТ1 (контакт з затримкою на розмикання КТ1.1), це ж саме реле за допомогою контакту КТ1.2 подає напругу на котушку реле часу КТ» та одночасно через розмикає мий контакт КТ2.2 на котушку YA2 електромагнітного клапана реле часу варильного котла готового до роботи. Одночасно з цим контакт КТ2.1 подає напругу на котушку магнітного пускача КМ1 – спрацьовує електродвигун мийної машини, який починає мийку томатів.

4. Обгрунтування, вибір та перевірочний розрахунок силових електроприймачів

Для електроприводів технологічної лінії обираємо двигуни серії АИР. Електродвигуни працюють у тривалому режимі навантаження, тому електродвигуни обираємо за умовою

,

де Р_ндв – номінальна потужність електродвигуна, кВт;

к_з – коефіцієнт запасу, який залежить від Р_мех;

Р_мех – механічна потужність робочої машини, кВт.

Механічна потужність конвейера інспекційного Р_мех, Вт, розраховується за формулою

де П – продуктивність, кг/год; П = 10000 кг/год;

L – довжина мийної машини, м; L = 5,82 м;

Н – висота підйому, м; Н = 0 м;

к – коефіцієнт запасу; к = 3…5, приймаємо к = 5;

η – ККД мийної машини, η = 0,7.

Для Р_мех = 4 кВт коефіцієнт к_з повинен дорівнювати 4,5.

Вибираємо за паспортними даними двигун АИР100L4У3 у якого Р_ндв = 4 кВт ≥ Р_мех = 4,5·0,84 = 3,36 кВт.

Перевірку електродвигуна за умовою пуску здійснюється за умовою

де М_п.дв – пусковий момент електродвигуна з урахуванням зниження напруги, Н·м;

М_зр – момент зрушення робочої машини, Н·м.

Пусковий момент електродвигуна М_п.дв, Н·м, з урахуванням зниження напруги розраховується як

де М_ндв – номінальний момент електродвигуна, Н·м;

μ_п – кратність пускового моменту електродвигуна, в.о.;

к_и – коефіцієнт, що враховує зниження напруги в мережі, к_и = 0,9.

Номінальна кутова швидкість, ω_н, рад/с, розраховується за формулою

де п_н – номінальна частота обертання валу електродвигуна, об/хв..

Момент зрушення М_зр, Н·м, робочих машин орієнтовно можна прийняти

де М_оп – момент опору робочої машини при номінальній частоті обертів п_н, Н·м.

Номінальний момент опору робочої машини М_оп, Н·м

Так як М_п.дв = 50,1 Н·м ≥ М_зр = 8,2 Н·м, то перевірка за умовою пуску виконується.

Перевірку електродвигуна за перевантажувальною здатністю здійснюють за умовою

де М_{макс.дв} – максимальний момент електродвигуна, Н·м;

М_оп – максимальний момент опору робочої машини, Н·м.

Максимальний момент електродвигуна М_{макс.дв}, Н·м, визначаємо за формулою

де μ_макс – кратність максимального моменту двигуна, μ_макс = 2,3.

Так як М_{макс.дв} = 50,1 Н·м ≥ М_зр = 27,4 Н·м, то перевірка за перевантажувальною здатністю виконується.

Інші електродвигуни розраховуються і перевіряються аналогічно. Технічні дані силового обладнання заносяться до таблиці 1.

Таблиця 1 – Технічні характеристики силового електрообладнання

Поз. позн	Тип силового електрообладнання	Рндв, кВт	пн, об/хв	Індв, А	η, %	cos φн	кі	μп	μмакс	Тип робочої машини
М1	АИР80А6У3	0,75	910	3,9	69	0,72	5,5	2,1	2	КМ-1
М2	АИР100L4У3	4	1420	15,2	82	0,84	7	2,3	2,3	КТВ
М3	АИР100L8У3	1,5	700	7,9	74	0,67	5	2	1,8	КПТ
М4	АИР200М2У3	22	730	45,8	90	0,81	6,6	2	1,9	МЗС-374

5. Обгрунтування, розрахунок та вибір внутрішніх електричних мереж

Згідно вимогам до надійності електропостачання, техніки безпеки приймаємо наступну конфігурацію електричної мережі (рисунок1). При цьому розподільчий щит А1 розташований в окремому приміщенні – електрощитовій і живить за радіальною схемою шафу керування А2 та освітлюваний щиток А3.

Рисунок 1 – Схема електрична принципова електричної мережі

Для правильного вибору кабелів і проводів виконуємо розрахунок струмів на різних ділянках електричної мережі:

Ділянка А2-М1: І_рМ1 = 3,9 А;

Ділянка А2-М2: І_рМ2 = 15,2 А;

Ділянка А2-М3: І_рМ3 = 7,9 А;

Ділянка А2-М4: І_рМ4 = 45,8 А.

Ділянка А1-А2 (без урахування коефіцієнту одночасності роботи електродвигунів): І_{рА1-А2 =} І_рМ1 + І_рМ2 + І_рМ3 + І_рМ4 = 3,9 + 15,2 + 7,9 + 45,8 = 72,8 А.

Струм на ділянці А1-А3 (до освітлюваного щитка) визначається за виразом

де U_осв – номінальна напруга освітлювальної мережі, В, U_осв = 220 В;

cos φ_н – номінальний коефіцієнт потужності, в.о., для люмінесцентного освітлення cos φ_н = 0,7.

Потужність необхідна для освітлення виробничого об’єкту Р_осв, Вт, знаходиться за формулою

де 1,2 – коефіцієнт, що враховує втрати потужності в ПРА;

Р_пит – питома потужність для відповідного приміщення, Вт/м², Р_пит = 10 Вт/м²;

S_п – площа відповідного приміщення, м².

Струм на ділянці від ТП до ввідного щита А1 визначається як: І_рТП-А1 = = І_рА1-А2 + І_рА1-А3 + І_резерв. І_резерв = 4·16 = 64 А (4 автоматичних вимикача з тепловими розчіплювачами на 16 А). І_рТП-А1 = 72,8 + 1,92 + 64 = 138,72 А.

Провода та кабелі обираємо за наступними умовами:

• За допустимим тривалим струмом;

• За механічною міцністю.

Проводи для силової електричної мережі обираємо за допустимим тривалим струмом з умови

де І_тр.пр, І_р – відповідно допустимий тривалий та розрахунковий струми, А.

При визначенні І_тр.пр враховують матеріал проводу, кількість проводів або жил кабелю, спосіб прокладення. Для живлення електроприймачів М1-М4 обираємо алюмінієві одножильні проводи марки АПВ. До кожного електродвигуна прокладено по чотири проводи. Спосіб прокладання – у трубі. Знаючі розрахунковий струм електродвигуна М1, визначаємо найближчий переріз провідника на ділянці А2-М1: 2,5 мм², для якого І = 19 А. Тому обираємо провід АПВ 4(1×2,5).

Аналогічно виконується вибір і розрахунок проводів і кабелів на інших ділянках електричної мережі і результати заносимо до таблиці 1.

Таблиця 1 – Результати вибору проводів та кабелів

Познака ділянки на схемі	Розрахунковий струм, Ір, А	Допустимий тривалий струм, Ітр.пр, А	Спосіб прокладення	Марка і переріз проводу
А2-М1	3,9	19	В трубі	АПВ 4(1×2,5)
А2-М2	15,2	19	В трубі	АПВ 4(1×2,5)
А2-М3	7,9	19	В трубі	АПВ 4(1×2,5)
А2-М4	45,8	50	В трубі	АПВ 4(1×2,5)
А1-А2	72,8	80	По основі	АВВГ 5×6
А1-А3	1,92	19	По основі	АВВГ 5×2,5
ТП-А1	138,72	140	В землі	АСРБ 4×25

При виконанні прокладання проводів в трубі, розрахунковий діаметр труби, d_тр, мм, визначається за формулою

де d_пр – зовнішній діаметр проводу (кабелю) з ізоляцією, мм;

п – кількість проводів в трубі. У випадку багатожильного кабелю п =1.

К_з – коефіцієнт заповнення, к_з = 0,5.

Для ділянки А2-М1, яка прокладається проводом АПВ 4(1×2,5) розрахунковий діаметр труби d_тр, мм, дорівнює

Тому приймаємо трубу Т15 з внутрішнім діаметром 15 мм. Інші труби обираємо аналогічно.

6. Обгрунтування, розрахунок та вибір автоматів керування і захисту, низьковольтних комплектних пристроїв

У розрахунково-графічній роботі в якості апаратів захисту використані автоматичні вимикачі та теплові реле, у якості апаратів керування – магнітні пускачі.

1. Вибір автоматичних вимикачів

Автоматичні вимикачі обираємо за умовами (на прикладі автоматичного вимикача QF1):

• За типом: compact NS100;

• За напругою: U_н.ав = 400 В;

• За номінальним струмом: І_н.ав = 100 А;

• За номінальним струмом теплового розчіплювала І_н.тр = 50 А;

• За струмом відсічки електромагнітного розчіплювача І_емр.ст

• За кількістю полюсів: триполюсний;

• За кліматичним виконанням: У;

• За категорією розміщення: 3;

• За ступенем захисту: ІР40.

Обираємо автоматичний вимикач QF1 типу Compact NS100 DC. Результати розрахунків решти автоматичних вимикачів вносимо до таблиці 1.

Таблиця 1 – Характеристики обраних автоматичних вимикачів

НКП	Умовна познака	Ір, А	Познака автоматичного вимикача	Ін.ав, А	Ін.тр, А	Іемр.ст, А	Іемр.р, А
А1	QF1	140	Compact NS160 DC	160	100	1600	1000
А1	QF2	50	Compact NS100 DC	100	50	630	432
А1	QF3	35	Compact NS100 DC	100	35	350	резерв
А1	QF4	35	Compact NS100 DC	100	35	350	резерв
А1	QF5	35	Compact NS100 DC	100	35	350	резерв
А1	QF6	35	Compact NS100 DC	100	35	350	резерв
А1	QF7	35	Compact NS100DC	100	40	400	356
А2	QF1	50	Compact NS100 DC	100	50	630	432
А2	QF2	3,9	NG125LMA	4	16	35	160
А2	QF3	15,2	NG125LMA	25	35
А2	QF4	7,9	NG125LMA	12,5	15
А2	QF5	45,8	NG125LMA	50	85
А3	QF1	19	Compact NS100DC	25	35

2. Вибір магнітних пускачів

Магнітні пускачі вибираємо за наступними умовами:

• За типом: ПМЛ;

• За номінальною напругою магнітного пускача: U_н.мп = 380 В;

• За номінальним струмом пускача І_н.мп = 125 А;

• За кількістю блок-контактів магнітного пускача: 2 допоміжні;

• За кліматичним виконанням: У;

• За категорією розміщення: 3;

• За ступенем захисту: ІР40;

• За класом комутаційної стійкості: А.

Для керування двигуном М1 обираємо магнітний пускач серії ПМЛ-6000У3А: U_н.мп = 380 В; І_н.мп = 125 А; нереверсивний, з тепловим реле, з 2 допоміжними контактами.

Таблиця 2 – Технічні характеристики магнітних пускачів

Поз. позн.	Ір, А	Тип магнітного пускача	Ін.мп, А	Uм, В	Uн.мп, В	Uн.к, В	Виконання	Оболонка
КМ1	3,9	ПМЛ-1000УЗА	10	380	380/660	220	Нереверсивний, з тепловим реле РТЛ-1008	ІР40, У3
КМ2	15,2	ПМЛ-2000УЗА	25	380	380/660	220	Нереверсивний, з тепловим реле РТЛ-1022	ІР40, У3
КМ3	7,9	ПМЛ-2000УЗА	25	380	380/660	220	Нереверсивний, з тепловим реле РТЛ-1022	ІР40, У3
КМ4	45,8	ПМЛ-4000УЗА	63	380	380/660	220	Нереверсивний, з тепловим реле РТЛ-2057	ІР40, У3

Вибір теплового струмового реле виконується за наступними умовами:

• За серією – LRD;

• За номінальною напругою теплового реле: U_н.тр = 660 В;

• За номінальним струмом теплового реле І_н.тр = 5 А;

• За номінальним струмом не спрацювання теплового реле І_н.тр = 4…6 А;

• За кліматичним виконанням: У;

• За категорією розміщення: 3;

• За ступенем захисту: ІР20/

Для захисту двигуна М1 від довгострокових струмів перевантаження по [9] обираємо теплове реле LRD10. Інші теплові реле обираємо аналогічно і результати заносимо до таблиці 2.5.

Таблиця 2.5 – Технічні характеристики обраних теплових струмових реле

Поз. позн.	Uм, В	Uнтр, В	Тип реле	Ір, А	Ін.тр, А	Ін.н.тр, А	Оболонка
КК1	380	660	LRD10	3.9	5	4…6	ІР20, У3
КК2	380	660	LRD22	15,2	16	16…24	ІР20, У3
КК3	380	660	LRD14	7,9	8	7…9	ІР20, У3
КК4	380	660	LRD3361	45,8	50	55…70	ІР20, У3

В якості силового розподільчого щита А1 обираємо розподільчий пункт серії ПР8503-2001-5УХЛ3 з одним триполюсним автоматичним вимикачем серії ВА57-35-33 на вводі, шістьма автоматичними вимикачами ВА57-31-33 [6]. Силовий розподільчий щит ПР8503-2001-5УХЛ3 встановлюється стоячи у приміщенні електрощитової, ступінь захисту 47-29М.

Шафу керування А2, яка є низьковольтним комплектним приводом, обираємо згідно методики [3] типу Ш5926-3574У3.

7. Розробка схем електричних з’єднання, силової розподільчої мережі, розташунку технологічного і електросилового обладнання

Розробка схеми електричної з’єднання. Розробку схеми електричної з’єднання виконуємо адресно-графічним методом. На дверцята шафи виносимо елементи керування та світлової сигналізації: перемикач режиму роботи SA1, кнопкові станції SB1-SB4, прилади світлової сигналізації HL1-HL4. На задню стінку шафи виносимо апарати захисту і керування (автоматичні вимикачі QF1-QF5, S1, магнітні пускачі КМ1-КМ4, теплові струмові реле КК1-КК4), реле часу КТ1-КТ3, колодки затискачів Х1-Х4. Колодки затискачів Х1-Х4 секціонуємо за призначенням: Х1 – для з’єднування з електродвигунами М1-М4; Х2 – блок нейтральних затискачів; Х3 – для приєднування електромагнітних клапанів та здавачів; Х4 – колодка для РЕ-провідників. Ввід напруги здійснюємо на верхні затискачі ввідного автоматичного вимикача QF1.

Розробка схеми електричної принципової силової розподільчої мережі. Схема внутрицехової розподільчої мережі (схема електрична принципова) розробляється на підставі ДСТУ Б А.2.4-21-2008 та наведена на аркуші графічної частини. На схемі показана апаратура керування та захисту, низьковольтні комплектні пристрої, електродвигуни, елементи електропроводки, їх познаки, типи і основні технічні характеристики.

Розробка схеми електричної розташунку технологічного та силового електрообладнання. Схема електрична розташунку технологічного та силового електрообладнання розробляється на підставі ДСТУ Б А.2.4-21-2008 і показана на рисунку 2,2. На схемі показано відносний розташунок технологічного та електросилового обладнання технологічної лінії на плані приміщення згідно з дійсним розташунком. Силовий розподільчий щит А1 розташований у окремому приміщенні – електрощитовій. Шафа керування А2 та освітлювальний щиток А3 винесено до виробничого приміщення. Також на схемі показаний розташунок силової електропроводки і основна характеристика.

Рисунок 2.2 – Розташунок технічного та силового обладнання

7. Розробка заходів з електро- та пожежобезпеки

При розробці заходів з електро- та пожежобезпеки при обслуговуванні електрообладнання даної технологічної лінії керуємося главами розділів І, ІІ і ІІІ Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів та Правил техніки безпеки при експлуатації електроустановок споживачів (ПТЕ і ПТБ).

У якості системи заземлення використовуємо систему TN-C-S. Функцій ний (робочий) заземлювач приєднуємо до РЕ-колодки силового розподільчого щита А1. Опір заземлювача повинен бути не більш 4 Ом.