М14. Системы автоматизации производства КР

Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра «Вагонное хозяйство и наземные транспортные комплексы»

Системы автоматизации производства и ремонта вагонов

Методические указания к выполнению курсовой работы
для обучающихся специальности 23.05.03 – «Подвижной состав железных дорог»,
направленность «Вагоны», очной и заочной форм обучения

Составитель: А.Н. Шмойлов

Самара

2024

Общие сведения

При выполнении курсовой работы, обучающиеся должны опираться на знания, умения и
навыки, полученные при предшествующем изучении дисциплин учебного плана:

• - «Теория систем автоматического управления» (владеть основами теории
  автоматического управления и математического аппарата моделирования автоматики и
  электроники);
• - «Системы автоматического управления и регулирования» (владеть основами
  автоматики и теорией автоматического управления.).

Дисциплина «Системы автоматизации производства и ремонта вагонов» имеет
важное самостоятельное значение и выступает базой для дальнейшего обучения и будущей
профессиональной деятельности обучающихся. Знания, умения и навыки, полученные при
изучении дисциплины, помогут обучающимся увязать теоретические знания с
практическими навыками прохождения преддипломной практики, ориентироваться в
дипломном проектировании. Кроме того, дисциплина необходима и при практическом
решении технических задач в будущей профессиональной деятельности в области
автоматизации технологических процессов производства и ремонта вагонов.

Выполнение курсовой работы предполагает частичное формирование следующих
профессиональных компетенций, обозначенных ФГОС-3+ ВПО по специальности 23.05.03
«Подвижной состав железных дорог».

• - ПК-2: Способность организовывать работы по эксплуатации, производству и
  ремонту вагонов; автоматизации технологических процессов; разрабатывать проекты
  объектов инфраструктуры вагонного хозяйства, их технологического оснащения;
• - ПК-2.7: Поясняет принципы автоматизации и управления технологическими
  процессами эксплуатации, производства и ремонта грузовых вагонов с использованием
  современных информационных технологий;

В результате выполнения курсовой работы обучающиеся должны:

• - знать: основы оценки уровня автоматизации при производстве и ремонте вагонов,
  технологическое оборудование средств автоматизации;
• - уметь: строить структурные с схемы систем автоматики, рассчитывать основные
  параметры силовых приводов систем механизации и автоматизации;
• - владеть: методами применения полученных знаний для разработки и внедрения
  средств автоматизации и механизации при производстве и ремонте вагонов.

Введение

Главная задача производства заключается в выпуске продукции, удовлетворяющей
потребностям экономики, обладающей высоким качеством при минимальных затратах на
ее производство материальных, финансовых, трудовых и энергетических ресурсов.

Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить
производительность труда и качество выпускаемой продукции, сократить долю рабочих,
занятых в различных сферах производства.

Автоматизация производства – это процесс в развитии машинного производства,
при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком,
передаются приборам и автоматическим устройствам [1].

Современное производство предполагает автоматизацию технологических
процессов на базе применения информационных технологий, систем машин,
автоматических манипуляторов с программным управлением, автоматизированных и
роботизированных комплексов и линий, гибких производственных систем,
охватывающих основное, вспомогательное и обслуживающее производства [2].

Содержание курсовой работы

Основное назначение курсовой работы – приобретение и закрепление навыков
решения теоретических, конструкторских и изобретательских задач путем внедрения
современных технических средств, наиболее доступно поддающихся процессу
автоматизации с минимальными затратами.

Исходные данные – объект автоматизации обучающийся выбирает из таблицы А.1
Приложения А. В таблице А.1 представлен перечень технологических процессов
применяемых при производстве и ремонте вагонов и объектов подвергаемых
определенному воздействию согласно технологического процесса. Выбор
технологического процесса подлежащего автоматизации осуществляется по порядковому
номеру в списке группы обучающихся.

Исходные данные для расчета привода выбираются по таблице А.2, А.3 и А.4
приложения А.

Структура курсовой работы включает пять разделов, которые рекомендуется
раскрыть в следующей последовательности.

Введение

• 1 Исследование условий выполнения операций технологического процесса.
• 2 Построение структурной схемы системы автоматизации технологического
  процесса.
• 3 Расчет силового привода и выбор основных элементов системы автоматизации
  технологического процесса.
• 4 Разработка функциональной схемы системы автоматизации технологического
  процесса.
• 5 Оценка использования предлагаемого варианта автоматизации технологического
  процесса.

Заключение.

Список использованных источников.

Графическая часть.

Указания к выполнению разделов курсовой работы

1 Исследование условий выполнения операций технологического процесса.

Необходимо исследовать условия выполнения операций технологического процесса,
выбранного из таблицы А1 приложения А, согласно варианта.

При автоматизации объектов вагоноремонтного производства чаще всего
автоматизируют операции очистки, обмывки, сварки, наплавки, механической
обработки, транспортировки, окраски и др. Поэтому при анализе таких операций
необходимо учитывать наличие вредностей и опасностей, требующих исключения
человека при их выполнении [3,4].

Операции очистки и обмывки. Выполнение этих операций сопряжено:

• – с применением растворов каустической соды в опасных для человека
  концентрациях (1,5..2%), горячей воды и содового раствора (температура 80…90 ^о С),
  высоких давлений жидкости (10…40МПа);
• – с наличием паров жидкостей, содержащих вредные вещества, повышенной
  влажности, грязи, пыли;
• – с использованием электрооборудования насосов, пневмо- и электроприводов
  механизмов подъема дверей (кожухов), электрооборудования конвейеров;
• – с возможностью травмирования рабочих при их падении, столкновении с
  поднимающимися дверями (кожухами), при взаимодействии с растворами вредных и
  горячих жидкостей.

Пневмоприводы механизмов характеризуются производственным шумом,
возникающим при выхлопе отработанного воздуха и ударном взаимодействии деталей.

Применение электроприводов может привести к поражению человека током.

Степень поражения зависит от длительности прохождения тока через организм или
участок тела человека. Наибольшим сопротивлением обладает кожа человека. Вместе с
тем, протекание тока через неё может привести к её обугливанию и последующему
резкому снижению общего электрического сопротивления тела и нарастанию тока,
вызывающего тепловое разрушение внутренних органов.

Операции сварки и наплавки. Выполнение этих операций сопряжено с возможностью:

• – Поражения электрическим током;
• – Поражения лучами электрической дуги глаз и незащищенных поверхностей кожи;
• – Ожогов каплями расплавленного металла и шлака;
• – Отравления организма вредными газами, выделяющимися при сварке;
• – Ушибов и ранений, поражения от взрывов баллонов и сосудов со сжатым и
  сжиженным газами.

Операции механической обработки. Выполнение операций механической обработки
изделий сопряжено с возможностью:

• – Соприкосновения станочников с движущимися приспособлениями и
  инструментом при установке заготовок и снятии деталей;
• – Поражения глаз и дыхательных органов пылью, возникающей при шлифовании;
• – Поражения глаз и кожного покрова стружкой и пылью токсичных металлов;
• – Травмирования станочников перемещаемыми грузами;
• – Поражения станочников электрическим током;
• – Наличия шума и вибраций.

Операции транспортировки. Подъемно-транспортные операции сопряжены с
возможностью:

• – Травмирования рабочих при перемещении грузов с помощью несамоходных
  тележек массой более 60 кг (для женщин) и 100 кг (для мужчин);
• – Травмирования рабочих при падении;
• – Травмирования рабочих из-за неисправности подъемно-транспортного
  оборудования;
• – Поражения электрическим током.

Операции окраски и сушки. Выполнение операций окраски и сушки сопряжены с
возможностью:

• – Поражения человека электростатическим электричеством;
• – Поражения электрическим током;
• – Поражения вредными веществами, выделяющимися при окраске и пылью при
  сушке;
• – Травмирования рабочих при их падении или падении изделий [4].

Основными элементами автоматизации являются приводы, обеспечивающие
различные формы движения рабочих органов технических устройств. Очевидно, процесс
автоматизации сводится к разработке системы управления приводами и их взаимосвязи.

Практически любой процесс автоматизации можно представить как совокупность
простых операций:

• – изменение направления движения;
• – удержание контролируемых параметров в пределах нормы;
• – включение или отключение устройств.

Модернизация технологических процессов может осуществляться на основе
использования типовых механизированных установок, манипуляторов и промышленных
роботов первого поколения [2,4,5,6,7]. Такая тенденция просматривается в
вагоноремонтном хозяйстве, особенно при выполнении сварочных, окрасочных и других
однотипных работ.

Любой автомат состоит из технических устройств, выполняющих заданные
операции и системы управления, синхронизирующих действия соответствующих
механизмов.

В курсовой работе, прежде всего, необходимо решить вопросы, связанные с
выбором привода механизированного устройства и только после его выбора
рекомендуется определить принцип его управления, как например:

• – в функции времени, на основе использования электромеханических или
  электронных реле;
• – в функции пути, основанной на использовании сенсорных элементов-датчиков,
  при работе которых технологические операции выполняются строго последовательно;
• – комбинированные системы управления, включающие программные устройства в
  сочетании с сенсорными элементами.

Для анализа работы предлагаемого устройства требуется представить его
структурную схему с описанием ее составных элементов в статике, а затем в динамике.
Примеры структурных схем представлены в учебной литературе [5,6,8,9].

На основании анализа выбирается наиболее эффективное оборудование, общий вид
которого предъявляется в виде рисунков, а его технические характеристики – в виде таблиц.

• 2 Построение структурной схемы системы автоматизации технологического
  процесса

При построении схем автоматизированного управления (САУ) необходимо, прежде
всего, усвоить принцип работы силовых приводов, выявить источники энергии,
месторасположения датчиков и приемников сигнала, с помощью которых подаются и
принимаются команды на выполнение заданных операций технологического процесса
[6,8].

Выбор принципиальной схемы управления устройством, задействованным в
технологическом процессе, облегчается при наличии структурной схемы, которая
показывает наиболее важные связи между механизмами и составными элементами в виде
условных обозначений (см. рисунок 1).

Эта схема включает загрузочный механизм 1, технологическую машину 2,
разгрузочный механизм 3 и контрольно-управляющее устройство 4.

Рис. 1. Структурная схема автомата Рис. 2. Структурная схема автоматической линии

Структурная схема автоматической линии показана на рисунке 2. Она состоит из
загрузочного механизма 1, технологических машин 2, 4, разгрузочного механизма 5,
транспортного механизма 3, накопителя заделов 7 и системы автоматического
управления 6.

Структурная схема дает общее представление о принципе действия устройства. На
структурной схеме изображается совокупность различных звеньев объекта и связи между
ними.

Каждое звено является частью объекта и отвечает за какую-то элементарную
функцию. Структурная схема должна давать общее представление о взаимодействии
звеньев объекта автоматизации.

• 3 Расчет силового привода и выбор основных элементов системы
  автоматизации технологического процесса

Под приводом понимается система, предназначенная для приведения в движение
механизмов, в состав которой входит тот или иной двигатель и соответствующий источник
энергии. По виду применяемой энергии приводы разделяют на гравитационные,
электрические, электромагнитные, пневматические, пневмогидравлические,
электрогидравлические и др.

При выборе привода учитывают их быстродействие, форму движения
исполнительных элементов, развиваемое усилие и другие параметры.

Наиболее быстродействующим считается электрический привод. Прямолинейные
движения проще всего выполняют пневматические и электромагнитные приводы.

Вращательные и поворотные движения реализуют при помощи преобразователей
движения. Максимальные усилия в исполнительных элементах привода достигаются при
использовании электрогидравлических приводов [3].

В зависимости от объекта автоматизации и типа технологического процесса
подлежащего автоматизации обучаемый выбирает тип привода, производит расчет его
основных параметров и подбирает другие элементы системы автоматизации
производства и ремонта вагонов.

• 3.1 Электрический привод и расчет его характеристик

Электрический привод - часть машинного устройства, состоящая из
электродвигателя передаточного механизма и аппаратуры управления.

Передаточные механизмы служат для передачи усилия и скорости движения
рабочего органа и преобразования одного вида движения в другой.

Электрический привод прост и надежен в эксплуатации.

Электродвигатели выбирают в зависимости от рода тока и напряжения, от
конструктивного исполнения и потребной мощности, в частности, электродвигатели
постоянного тока применяют в приводных механизмах, требующих больших пусковых
моментов и при широком диапазоне изменения частоты вращения, которая достигается
за счет изменения напряжения в системе энергоснабжения.

Наиболее компактным, дешевым, надежным и экономичным в эксплуатации
двигателем является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Этот
двигатель обеспечивает постоянную частоту вращения, изменение его частота вращения
возможно за счет изменения частоты тока или изменения схемы соединения полюсов.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (серии 4А)
рекомендуется применять в качестве привода для конвейеров, электрогайковертов,
устройств для обработки и наплавки подпятников надрессорных балок, кантователей,
механизмов вращения колесных пар, для привода насосов моечных машин, вентиляторов
и др [3].

Электродвигатели с фазным ротором (типа МТ) применяются в приводах,
требующих плавного регулирования частоты вращения или для снижения величины
пускового тока.

Предлагается для определения характеристик привода наиболее часто применяемых
устройств при ремонте вагонов использовать расчетные формулы и рекомендации, где
отмечено, что основной характеристикой привода является его мощность.

Мощность электродвигателя насосов и вентиляторов рассчитывают по формулам
(4.1) - (4.3), стр. 192 [2].

Мощность двигателя для любого типа конвейера определяется по формулам (4.5),
(4.7) стр. 193 [2].

• 3.2 Электромагнитный привод

Электромагниты переменного и постоянного тока получили широкое
распространение для осуществления быстрых прямолинейных перемещений элементов
гидро- и пневмооборудования в устройствах для муфт, защелок, клапанов, фиксации
толкателей, т. е. при небольших линейных перемещениях. Длительность срабатывания
электромагнитов изменяется в диапазоне 0,02 - 0,1 с.

Общий вид электромагнитного привода показан на рисунке 4.5 стр. 167, а расчетные
формулы - на стр. 195 [2].

• 3.3 Расчет нагревательных элементов

Мощность N_ж , кВт, необходимая для нагрева воды, используемой в моечных
установках, может быть рассчитана на основании следующей зависимости [2]:

^Nж = Q • с⁽tM.р. ^- tHa4.), (1)

где Q - расход воды на обмывку изделия, кг/c;

с - удельная теплоемкость воды, равная 4,240³ Дж/кг-с;

tм._р. - температура моющего раствора, °C;

t_Ha4. - начальная температура воды, °C.

На основании полученных результатов, пользуясь паспортными данными,
подбирают необходимое число нагревательных элементов и составляют силовую схему
их включения с учетом питающего напряжения сети и номинального напряжения
каждого элемента. После чего можно определить потребляемые нагревательной
установкой токи и выбрать по каталогам требуемую коммутационную аппаратуру [3].

• 3.4 Расчет гидравлических и пневматических приводов

Предпочтительное применение пневмоустановок зачастую диктуется наличием на
предприятии развитой системы воздухопроводов, облегчающих подачу к механизмам
сжатого воздуха, являющегося рабочей средой. Преобразование энергии рабочей среды в
механическую энергию движения рабочих органов машины в пневмоприводах
осуществляется с помощью поршневых и роторных исполнительных устройств.

Одним из положительных качеств пневмопривода является то, что для работы не
нужны возвратные трубопроводы (отработанный воздух выбрасывается в атмосферу), а
требования к герметичности не столь жестки, как в гидросистемах. Пневмоустройства
применимы для работы во взрывоопасных и пожароопасных средах, на них практически
не влияют запыленность и магнитные поля, при перегрузках они остаются без поломок.
Накопление энергии обеспечивается установкой простых емкостей-рессиверов.

Выбирая рабочее давление, следует помнить, что пневмоприводы, как правило,
рассчитаны на 0,63 и 1 МПа (6,3 и 10 кгс/см²). При заниженном давлении рабочей
жидкости в гидроприводе увеличиваются его геометрические размеры. Привод
становится громоздким, увеличивается расход жидкости, требуются насосы большей
производительности, увеличивается диаметр трубопровода. Увеличение рабочего

давления позволяет разработать компактный привод, но повышаются требования к
качеству изготовления его элементов и их прочности [3].

Для гидроприводов, развивающих на штоке усилие до 1 тс (~10⁴ Н), можно
принимать 5 МПа (50 кгс/см² или 50·10⁵ Н/м²). При повышении усилия до 10 тс следует
увеличивать рабочее давление из расчета 1,4 МПа на каждую тонну.

При расчете характеристик привода механизированного устройства рекомендуется
выполнить следующее:

• 1) проанализировать технологический процесс, в котором участвует гидро или
  пневмоцилиндр и установить:

– величину усилия Т, которое должно быть реализовано на штоке, Н;

– полное перемещение L штока, м;

– время t, необходимое для полного перемещения штока, с;

– допустимые по условиям компоновки габаритные размеры цилиндра;

• 2) составить аксонометрическую (или принципиальную) схему всего гидр- или
  пневмопривода с указанием длин участков трубопроводов;
• 3) выбрать оптимальное давление р (H/м²) рабочего тела (жидкости или газа);
• 4) рассчитать и выбрать по каталогу типоразмер цилиндра;
• 5) определить параметры насосной установки;
• 6) определить параметры и выбрать вспомогательные устройства
  (предохранительные и обратные клапаны, фильтры и др.) [3].

Необходимые данные для рекомендуемой последовательности расчета
определяются конкретными условиями работы и назначением механизмов
проектируемой установки.

• 3.5 Выбор основных элементов системы автоматизации технологических
  процессов

В соответствии с заданием на курсовую работу по результатам расчета
характеристик силового привода требуется выполнить подбор типовых элементов и
приборов автоматики для предлагаемой схемы управления технологическим процессом.

На основании принципиальной электрической схемы и технических характеристик
электрических аппаратов и устройств, представленных в приложении А и другой
справочной литературе, производим подбор типовых элементов и приборов автоматики,
к числу которых прежде всего относятся различные типы датчиков и приборы
управления: контакторы, магнитные пускатели и реле.

Датчик – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала
измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего
преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному
восприятию наблюдателем. Датчики, выполненные на основе электронной техники,
называются электронными датчиками. Отдельно взятый датчик может быть
предназначен для измерения (контроля) и преобразования одной физической величины
или одновременно нескольких физических величин [1].

В состав датчика входят чувствительные и преобразовательные элементы.
Основными характеристиками электронных датчиков являются чувствительность и
погрешность.

К приборам защиты электрических цепей от токов короткого замыкания относятся
предохранители, а от токов перегрузки – автоматические выключатели, оснащенные
тепловыми реле.

Номинальное напряжение предохранителя должно быть равно напряжению силовой
сети потребителя или превышать его. Номинальный ток плавкой вставки Iпвст
осветительной сети определяется по величине номинального тока нагрузки. Технические
характеристики плавких предохранителей приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики плавких предохранителей

Для коммутации силовых электрических цепей при дистанционном управлении
потребителем энергии широко используются контакторы и магнитные пускатели.
Технические характеристики контакторов постоянного тока приведены в таблице 2.

Таблица 2

Технические характеристики контакторов постоянного тока

Магнитный пускатель представляет собой специализированный аппарат,
предназначенный главным образом для пуска, остановки и реверса электрических
двигателей. Кроме управления магнитные пускатели обеспечивают с помощью тепловых
реле защиту двигателей от токовых перегрузок. Магнитные пускатели различаются по
назначению (нереверсивные и реверсивные), наличию или отсутствию тепловых реле и
кнопок управления, рабочему напряжению главной цепи. Технические характеристики
магнитных пускателей приведены в таблице 3.

Для коммутации цепей источников небольшой мощности и преобразования
сигналов управления применяются реле различного типа, в том числе электромагнитные.

В зависимости от назначения реле делятся на промежуточные, времени, давления и
т. д., а в зависимости от принципа действия на электромагнитные, тепловые,
светочувствительные и т. д.

Технические характеристики магнитных пускателей

В обозначении пускателя первая цифра означает его величину, вторая – исполнение,
а третья – наличие теплового реле и реверсивность. Пускатели серии ПМЕ заменяются
пускателями серии ПМЛ, которые выпускаются на токи от 10 до 200 А.

Промежуточные электромагнитные реле применяются в основном для коммутации
электрических цепей и размножения контактов других электрических аппаратов
(контакторов, магнитных пускателей, электромагнитов). Технические характеристики
электромагнитных реле приведены в таблице 4.

Таблица 4

Технические характеристики электромагнитных реле

Различают электромагнитные, электромеханические (моторные), механические,
электронные реле времени. Электромагнитные реле времени имеют незначительную
выдержку времени 0,25…5,5 с, пневматические типа РВП-2 0,4…180 с. Технические
характеристики электромеханических реле времени приведены в таблице 5.

Технические характеристики электромеханических реле времени

Для коммутации цепей управления находят широкое применение путевые
выключатели, в том числе механические, характеристики которых представлены в
таблице 6.

Таблица 6

Технические характеристики путевых выключателей

Путевые (конечные) выключатели выбираем по таблице 6 в зависимости от
количества переключающих контактов, длительности допустимого тока через контакты,
быстродействия, рабочего хода и конструктивного исполнения.

Характеристики выбранных приборов автоматики требуется представить в виде
сводной таблицы 7.

Таблица 7

Сводная таблица элементов автоматики

• 4 Разработка функциональной схемы системы автоматизации
  технологического процесса

Функциональная схема дает понять, что происходит в отдельных узлах устройства,
объясняет принцип его работы. Функциональные части устройства и связи между ними
обозначают в виде специальных графических условных обозначений. Отдельные
функциональные части допускается изображать в виде прямоугольников. Если
устройство или звено изображено в виде прямоугольника, то должен быть указан его тип
и документ, на основании которого это устройство используется [9].

Каждому элементу функциональной схемы должно быть присвоено условное
обозначение. Рекомендуется указывать технические характеристики каждой
функциональной части устройства. Для каждой группы функциональных элементов
должно быть указано обозначение, присвоенное ей на схеме, или ее наименование.

Функциональная схема автоматического контроля и управления предназначена для
отображения основных технических решений, принимаемых при проектировании систем
автоматизации технологических процессов.

При создании функциональной схемы определяют:

• 1) целесообразный уровень автоматизации технологического процесса;
• 2) принципы организации контроля и управления технологическим процессом;
• 3) технологическое оборудование, управляемое автоматически, дистанционно или в
  обоих режимах по заданию оператора;
• 4) перечень и значения контролируемых и регулируемых параметров;
• 5) методы контроля, законы регулирования и управления;
• 6) объем автоматических защит и блокировок автономных схем управления
  технологическими агрегатами;
• 7) комплект технических средств автоматизации, вид энергии для передачи
  информации;
• 8) места размещения аппаратуры на технологическом оборудовании, на щитах и
  пультах управления.

На функциональной схеме изображаются системы автоматического контроля,
регулирования, дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировок. Все
элементы систем управления показываются в виде условных изображений и
объединяются в единую систему линиями функциональной связи.

Элементы щита и пульта управления изображаются на функциональной схеме
автоматизаций. Верхняя часть в функциональной схемы приводится схема процесса или
объекта управления и условного обозначения датчиков прибора измерения
предназначенных для измерения технологического параметра, т.е. первичные
преобразователь.

Вторичные приборы контроля и управления, т.е. элементы щита и пульта
управления изображается в нижнем части схемы в виде прямоугольники произвольных
размеров. Внутри контура прямоугольника располагается условные обозначения
приборов, средств автоматизации аппараты управления и сигнализации.

Связь между первичным преобразователем и вторичными приборами показывается
сплошной линией или обрыв линии с нумерацией.

Существует два способа выполнения функциональных схем автоматизации (ФСА):
развернутый и упрощенный.

При выполнении упрощенным способом на схемах показывают отборные
устройства, первичные приборы, регулирующие устройства, исполнительные механизмы
и одно условное изображение устройства контроля и управления независимо от того,
сколько блоков и устройств в него входят. На этих схемах обычно не показывают щиты
контроля, операторские пункты. Такие схемы создаются на начальных стадиях
проектирования.

При выполнении ФСА развернутым способом условное обозначение приборов и
средств автоматизации (СА) показывается для каждого отдельно существующего
функционального блока. Щиты контроля и управления показывают в нижней части
чертежа при помощи условных прямоугольников.

Преимуществом развернутого способа является большая наглядность и
возможность легкой и быстрой ориентации в распределении аппаратуры по пунктам
управления. Достоинством упрощенного способа является меньшая трудоемкость
составления схем автоматизации и непосредственное ее совмещение со схемой
технологического процесса.

На основании схемы автоматизации разрабатывается заказная спецификация на
приборы и СА.

В системах автоматического контроля и управления различными технологическими
процессами значительное место занимают электрические приборы, аппараты,
устройства, которые служат для обеспечения управления, блокировки, сигнализации и
защиты.

Для изображения взаимной электрической связи приборов и устройств служат
электрическая схема. По своему назначению электрические схемы подразделяются на
принципиальные, полные и монтажные.

Принципиальные схемы служат для того, чтобы наиболее просто и наглядно условно
изобразить устройства, входящие в схему, показать взаимную электрическую связь
между ее отдельными элементами с учетом последовательности работы, т.е. дать
представление о принципе действия

Полные схемы. На основании принципиальных схем в некоторых случаях
составляют полные электрические схемы, охватывающие весь комплекс агрегатов [9].

Условные обозначения

Функциональная схема автоматизации технологического процесса содержит
упрощенное изображения технологической схемы автоматизируемого процесса.

Оборудование на схеме показывается в виде условных изображений [8]. На
функциональной схеме изображаются системы автоматического контроля,
регулирования, дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировок.

В схемах автоматизации технологических процессов используют обозначения
измеряемых величин, функциональные признаки приборов, линии связи, а также
способы построения условных графических обозначений приборов и средств
автоматизации. Все местные измерительные и преобразовательные приборы,
установленные на технологическом объекте, изображаются на функциональных схемах
автоматизации (ФСА) в виде окружностей (см. рисунок 3, а, б).

10

а) б) в)

г)

д)

Рис. 3. Условные обозначения измерительных и преобразовательных приборов

Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных
операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная

разделительная линия (см. рисунок 3, в, г). Если функция, которой соответствует
окружность, реализована в системе распределенного управления (например, в
компьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рисунок 3,
д).

Внутрь окружности вписываются:

– в верхнюю часть – функциональное обозначение (обозначения контролируемых,
сигнализируемых или регулируемых параметров, обозначение функций и
функциональных признаков приборов и устройств);

– в нижнюю – позиционные обозначения приборов и устройств.

Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с
помощью тонких сплошных линий.

Таблица 8

Графические обозначение элементов автоматизации

Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского
алфавита и состоят из трех групп букв:

• 1 буква - Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр:

D – плотность,

Е – любая электрическая величина,

F – расход,

G – положение, перемещение,

Н – ручное воздействие,

К – временная программа,

L – уровень,

М – влажность,

Р – давление,

Q – состав смеси, концентрация,

R – радиоактивность,

S – скорость (линейная или угловая),

Т – температура,

U – разнородные величины,

V – вязкость,

W – масса.

• 2 буква (необязательная) – уточнение характера измеряемой величины:

D – разность, перепад,

F – соотношение,

J – автоматическое переключение,

Q – суммирование, интегрирование.

• 3 группа символов (несколько букв) – функции и функциональные признаки
  прибора:

I – показания,

R – регистрация,

С – регулирование,

S – переключение,

Y – преобразование сигналов, переключение,

А – сигнализация,

Е – первичное преобразование параметра,

Т – промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние,

К – переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление
по программе, коррекция.

Условные обозначения элементов автоматизации приведены в таблице 8.

Букву S не следует применять для обозначения функции регулирования (в том числе
позиционного).

Буква Е применяется для обозначения чувствительных элементов, т. е. устройств,
выполняющих первичное преобразование, например, термометров термоэлектрических
(термопар), термометров сопротивления, сужающих устройств расходомеров.

Буква Т обозначает промежуточное преобразование – дистанционную передачу
сигнала. Ее рекомендуется применять для обозначения приборов с дистанционной
передачей показаний, например, бесшкальных манометров (дифманометров), ма-
нометрических термометров с дистанционной передачей и других подобных приборов.

Буква K применяется для обозначения приборов, имеющих станцию управления, т.
е. переключатель для выбора вида управления (автоматическое, ручное) и устройство
для дистанционного управления.

Буква Y рекомендуется для построения обозначений преобразователей сигналов и
вычислительных устройств.

Порядок построения условных обозначений с применением дополнительных букв
следующий: на первом месте ставится буква, обозначающая измеряемую величину; на
втором одна.

Буква U может быть использована для обозначения прибора, измеряющего
несколько разнородных величин. Расшифровка этих величин приводится около прибора
или на поле чертежа. Для конкретизации измеряемой величины около изображения
прибора (справа от него) необходимо указывать наименование или символ измеряемой
величины, например, «Напряжение», «Ток», рН, О2 и т. д.

Для обозначения величии, не предусмотренных данным стандартом, могут быть
использованы резервные буквы В, N, О; при этом многократно применяемые величины
следует обозначать одной и той же резервной буквой. Резервные буквенные обозначения
должны быть расшифрованы на схеме. Вводной и той же документации не допускается
применение одной резервной буквы для обозначения разных величии [7].

Условные обозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на
рисунке 2. [7]:

• – исполнительный механизм (общее обозначение). Положение регулирующего
  органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала не
  регламентируется, – рисунок 4., а;

– исполнительный механизм, открывающий регулирующий орган при прекращении
подачи энергии или управляющего сигнала, – рисунок 4., б;

– исполнительный механизм, закрывающий регулирующий орган при прекращении
подачи энергии или управляющего сигнала, – рисунок 4., в;

– исполнительный механизм, оставляющий регулирующий орган в неизменном
положении при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала, – рисунок 4., г;

– исполнительный механизм с дополнительным ручным приводом (обозначение
может применяться в сочетании с любым из дополнительных знаков, характеризующих
положение регулирующего органа при прекращении подачи энергии или управляющего
сигнала), – рисунок 4., д;

– автоматическая защита из системы противоаварийной защиты (ПАЗ, см. рисунок

4.,е);

– технологическое отключение (включение) из системы управления (см. рисунок 4,

ж);

• – регулирующий орган (задвижка, клапан и т.д.), – рисунок 4., и;

– регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха

• ( нормально открытый), – рисунок 4., к;

– регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха

• ( нормально закрытый), – рисунок 4., л;
• – управляющий электропневматический клапан, – рисунок 4., м;
• – отсекатель с приводом (запорный клапан), – рисунок 4., н;
• – электрозадвижка, – рисунок 4., п;
• – пневмоотсекатель, – рисунок 4., р;

– отборное устройство без постоянно подключенного прибора (служит для
эпизодического подключения приборов во время наладки, снятия характеристик и т. п.),

• – рисунок 4., с.

Т

и)

а)

к)

б)

л)

в)

г)

д)

е)

S

н)

п)

Рис. 4. Условные обозначения приборов

р)

ж)

с)

Форма спецификации к функциональной схеме автоматизации представлена в
таблице 9

Таблица 9

Форма спецификации к ФСА

• 5 Оценка использования предлагаемого варианта автоматизации
  технологического процесса.

Основным решением проблемы более качественного выполнения технологических
операций производства и ремонта железнодорожных вагонов является использование
нового современного оборудования.

Проведенные исследования показали, что использование современных средств
автоматизации при производстве и ремонте вагонов обеспечивает более качественное
выполнение целого комплекса технологических операций, а также позволяет добиться
значительной экономии материальных ресурсов.

В соответствии с методическими рекомендациями [8] при расчете ожидаемого
экономического эффекта от внедрения предложенных средств автоматизации при
производстве и ремонте вагонов соизмеряются равномерные показатели путем
привидения их к начальному базисному периоду (момент времени t=0). Для привидения
равномерных затрат, результатов и эффектов используется норма дисконта Е
(коэффициент рефинансирования), равная приемлемой для инвесторов норме дохода на
капитал. Минимальное значение Е соответствует банковскому депозитному проценту.
Привидение затрат и результатов к начальному (базисному) моменту времени при
многошаговом расчете осуществляется умножением затрат и результатов на
коэффициент приведения αt, определяемый для постоянной нормы дисконта Е по
формуле:

1 .

^aw

(2)

где t=0,1,2,…, Т – номер шага расчета ( Т – горизонт расчета ).

За шаг расчета был принят год, а за горизонт расчета – 3-5 лет (Т₀=3-5).

В качестве показателей общей эффективности использования предложенных
средств автоматизации при производстве и ремонте вагонов приняты:

• – чистый дисконтированный доход (ЧДД) или интегральный эффект Э_инт;

– индекс доходности (ИД);

– внутренняя норма доходности (ВНД);

– срок окупаемости инвестиций (Ток).

Чистый дисконтированный доход (ЧДД) определялся как сумма текущих эффектов
за весь расчетный период, приведенная к начальному шагу, или как превышение
интегральных результатов над интегральными затратами.

Величина ЧДД при постоянной норме дисконта определяется по формуле:

T

Эинт=ЧДД= Z (Pt - З,)

t=0

1

(1 + E)^t

= T -Э^.
^Zo(1 + E)^t

(3)

где Pt – результаты, достигаемые на t-ом шаге расчета;

Зt – затраты, текущие издержки и инвестиции, осуществляемые на том же шаге;

Т – горизонт расчета;

Эt = (Pt-Зt) – эффект, достигаемый на t-ом шаге.

Чем больше ЧДД, тем больше технико-экономическая эффективность от внедрения
предложенных средств автоматизации при производстве и ремонте вагонов.

При значительных капитальных вложениях можно также пользоваться
модифицированной формулой для определения ЧДД:

TT

ЭИНД=^ЧДД= Z (^p,- З b-T7-Z Kt 7.777 , (4)

t=0 ^{(1 +} E) t=0 ^{(1 +} E)

где Кt – капиталовложения на t-ом шаге;

Зt^* – затраты на t-ом шаге при условии, что в них не входят капиталовложения и
амортизационные отчисления.

Индекс доходности (ИД) представляет собой отношение суммы приведенных
эффектов к величине капиталовложений и определялся по формуле:

• 1 T .1

ИД = _FZ ( ^p,-³) 7777.

Kt t=0 ^{(1 +} E )

(5)

Индекс доходности тесно связан с ЧДД, так как он состоит из тех же элементов.
Если ЧДД положителен, то ИД>1 и использование предложенных средств автоматизации
при производстве и ремонте вагонов эффективно.

Внутренняя норма доходности (ВНД) представляет собой норму дисконта Евн, при
которой величина приведенных эффектов равна приведенным капиталовложениям.
Величина Е_вн находится из решения уравнения:

T P _ 7* T V

V Pt ^{- 3}t = V Kt

^Z(1 + Ebh ) t ^Z(1 + Ebh ) t

(6)

Если расчет величины ЧДД и ИД для данного инвестиционного проекта дает ответ
на вопрос, насколько проект эффективен при некоторой заданной норме дисконта E, то
ВНД проекта определяется в процессе внедрения предложенных средств автоматизации
19

при производстве и ремонте вагонов и затем сравнивается с требуемой инвестором
(заказчиком) нормой прибыли на вкладываемые средства (капитал).

Срок окупаемости T_ок – это период времени от начала реализации проекта, за
пределами которого интегральный эффект становиться неотрицательным. Для
определения срока окупаемости используется равенство:

T Pt - 3t
^h (1 + E) t

-

^T К _t

£0(1 + E) t ^.

(7)

Данное равенство преобразовывается в уравнение, затем решается относительно
искомой величины Т_ок.

Для приведения разновременных затрат, результатов и эффектов используется
норма дисконта Е (в расчете принимаем равной 0,12).

Период расчета разбиваем на три шага. В качестве шага расчета принимаем один
год.

Инвестиционные расходы включают в себя капиталовложения, осуществленные на
нулевом шаге расчета и расходы, связанные с эксплуатацией предложенных средств
автоматизации при производстве и ремонте вагонов на каждом последующем шаге
расчета.

В капиталовложения внесем единовременные расходы, связанные с внедрением
предложенных средств автоматизации при производстве и ремонте вагонов.

Расходы, связанные с внедрением предложенных средств автоматизации при
производстве и ремонте вагонов включают в себя стоимость данного средства.

Рассчитаем годовую экономию эксплуатационных расходов (суммарная годовая
величина экономии средств) после внедрения предложенных средств автоматизации при
производстве и ремонте вагонов относительно их величины до внедрения данных
средств при условии, что в нее не входят платежи по налогам и амортизационные
отчисления. В качестве экономии эксплуатационных расходов принимается величина
экономического эффекта Э , достигнутого на t -ом шаге без учета капитальных затрат.

Заключение

Заключение включает краткое описание разработанной системы автоматизации с
оценкой использования предлагаемого технического решения.

Список использованных источников

Список использованных источников включает в себя список литературы,
составленный согласно ГОСТ 7.0.5 – 2008. Ссылки в тексте на указанную литературу
обязательны.

Графическая часть

Графическая часть состоит из двух основных разделов:

• 1) структурная схема системы автоматизации технологического процесса с
  указанием силового привода механизированной части устройства;
• 2) функциональная схема автоматизации технологического процесса с указанием
  расположения основных измерительных и регистрирующих элементов;

Графическая часть может быть дополнена схемой управления автоматизированным
процессом (принципиальная электрическая схема и.т.п.).

Приложение А

Таблица А.1

Исходные данные для выполнения курсовой работы

Таблица А.2

Исходные данные для расчета гидропневматических приводов изменения положения изделий

Таблица А.3

Исходные данные для расчета параметров гидросистем моечных машин

Таблица А.4

Исходные данные для расчета параметров приводов подъемных механизмов выбираем по таблице
стандартов с учетом их технических характеристик

В таблицах А.2, А.3 и А.4 приняты следующие обозначения:

p – рабочее давление сжатого воздуха или жидкости (для пневмоприводов p = 4*10⁵ Н/м²; для
гидроприводов p = (6,3; 10; 16; 25; 63; 100; 160; 200; 250; 320; 400; 500)*10⁵ Н/м²);

D – внутренний диаметр цилиндра, м;

dшт – диаметр штока, м.

Стандартные параметры цилиндров выбираем в соответствии с конструкцией:

D, м: 0,045; 0,050; 0,065; 0,075; 0,090; 0,105; 0,120; 0,150; 0,165; 0,175; 0,200; 0,225; 0,2.

dшт, м (dшт≈ 0,3*D): 0,004; 0,005; 0,006; 0,008; 0,01; 0,012; 0,016; 0,020; 0,025; 0,032.

pc – противодавление в выхлопной или сливной камере (для пневмоприводов pc = 0,3*p; для
гидроприводов pc = 0,1*p);

µ – коэффициент расхода жидкости через отверстие (0,4÷0,9);

ρж – плотность масла (800÷950) кг/м³;

PТ – технологическое усилие (по расчету), Н;

S – ход поршня (по технологии), м;

f0 – коэффициент, учитывающий трение в уплотнительных устройствах (0,2);

n – число насадок (сопел), (см. технические характеристики моечной машины);

d – диаметр сопла (1–10 мм);

рн – давление жидкости перед соплом (2÷40)*10⁵ Па;

νтн – скорость течения жидкости в нагнетательном (3÷7 м/с) и νтв – во всасывающем (1÷2 м/с)
трубопроводах;

Н – расстояние между поверхностью жидкости в баке и коллектором (2÷4 м);

lтн – длина нагнетательного (2,5÷4,5 м) и lтв – всасывающего трубопроводов (1,5÷2,5 м);

ν – кинематическая вязкость жидкости (16÷30)*10^-6 м²/с.

Список использованных источников

• 1. Болотин М.М., Новиков В.Е. Системы автоматизации производства и ремонта
  вагонов: Учебник для вузов ж. д. трансп. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Маршрут, 2004. –
  310 с.
• 2. Системы автоматизации производства и ремонта вагонов: методические указания
  к выполнению курсовой работы для обучающихся очной и заочной форм обучения
  специальности 23.05.03 Подвижной состав железных дорог, направленность «Вагоны» /
  составители: А.Н. Шмойлов. – Самара: СамГУПС, 2019. – 24 с.
• 3. Алтухов В.Я. Механизация и автоматизация технического обслуживания и
  ремонта подвижного состава / В.Я. Алтухов и др. – М.: Транспорт, 1980. – 200 с.
• 4. Жатченко Я.В. Системы автоматизации производства и ремонта вагонов: учеб.
  пособие. в 2 ч. Ч.1. Основы автоматики / Я.В. Жатченко, П.В. Игумнов. – Хабаровск:
  Изд-во ДВГУПС, 2008. – 107 с.
• 5. Новиков В.Е. Системы автоматизации производства и ремонта вагонов:
  методические указания к выполнению курсового и дипломного проектов для студентов
  специальности 190302 – Вагоны / В.Е. Новиков. - М.: РОАТ, 2009. - 108 с.
• 6. Проектирование автоматики. URL: http://электротехнический-
  портал.рф/proektirovanye-avtomatiki/ (дата обращения 22.02.2024).
• 7. Проектирование функциональных схем систем автоматического контроля и
  регулирования: учебное пособие/ А. В. Волошенко, Д. Б. Горбунов– Томск: Изд–во
  Томского политехнического университета, 2008. – 109 с
• 8. А.Е. Комбаков, В.А. Краснов, А.В. Клюканов Методические указания по
  экономической части дипломного проектирования для студентов специальности 190302
  – «Вагоны». – Самара: СамГУПС, 2009. – 12 с.
• 9. ГОСТ 21.208-2013 «Система проектной документации для строительства.
  Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств
  автоматизации в схемах».