Разработка системы автоматического управления вакуумным насосом

10. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО  УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНЫМ НАСОСОМ

В молочном животноводстве самый трудоемкий и важный процесс – доение коров. Любое отступление от правил доения снижает продуктивность коров, вызывает различные заболевания вымени коров.

В настоящее время основным способом доения коров является машинное. Оно повышает производительность труда доярок, позволяет уменьшить число обслуживающего персонала, улучшает качество молока.

Четкая работа доильных аппаратов  во многом зависит от вакуумных установок, которые должны обеспечивать доильные аппараты стабильным вакуумом.

 

10.1. Разработка схем

 

 

Д – датчик давления

ИМ – измерительный мост

Г – генератор импульсов

У – усилитель

К – ключ

МП – магнитный пускатель

ВН – вакуумный насос

Рис. 10.1. Структурная схема установки

 

Система автоматического управления вакуумным насосом состоит из датчика давления Д, представляющего собой конденсатор переменной емкости, соединенного с вакуумным бачком с помощью гибкого шланга, который включается в одно из плеч измерительного моста ИМ. При понижении давления в вакуумном бачке ниже необходимого значения емкость конденсатора повышается и нарушается баланс измерительного моста, начинает работать генератор импульсов Г. Импульсы генератора импульсов усиливаются усилителем У и поступают на ключ К, который в свою очередь отключит магнитный пускатель МП. Привод вакуумного насоса остановится. По мере расхода вакуума из вакуумного бачка, давление в нем повысится, емкость конденсатора уменьшится, остановится генератор импульсов, магнитный пускатель включит привод вакуумного насоса.

 

10.2. Датчик давления

 

Датчик-реле давления (рис. 10.2) представляет собой упругую систему, состоящую из гофрированной мембраны и подмембранной полости 3, подвижной тарелки 1, неподвижного кольца 2, впрессованного в изоляционное основание и изолированного от тарелки прокладкой из слюды, спиральной пружины сжатия 4, шпинделя 5, заглушки-ключа 6, подводящего давление штуцера 7 и ниппеля 8.

Среда контролируемого давления, поступая в подмембранную полость 3, вызывает прогиб мембраны и перемещает вниз тарелку 1 относительно неподвижного кольца, впрессованного в изоляционную шайбу. Вследствие этого происходит изменение зазора между тарелкой и подвижным кольцом. В систему входит переменный конденсатор С10. При понижении давления емкость С10 увеличивается, а при росте давления емкость С10 уменьшается.

 

10.3. Принципиальная схема

 

Система автоматического управления вакуумным насосом состоит из конденсатора переменной емкости –  датчика давления С10, двухкаскадного усилителя на транзисторах VT1 и VT2, собранного по схеме с непосредственной связью между каскадами, каскада на транзисторе VT3, работающего в режиме ключа, и выходного каскада на транзисторе VT4, в коллекторную цепь которого включена обмотка реле K1. Между входом и выходом усилителя включен мост, плечами которого служат переменная емкость конденсатора С10 и конденсатор С5 и обмоток трансформатора Т 3 – 4 и 5 – 6, имеющих равное число витков.

Если сила, зависящая от давления контролируемой среды на поверхности мембраны, меньше силы сжатия пружины, то емкость конденсатора С9 будет минимальная, и напряжение обратной связи с выхода усилителя на его вход по фазе совпадает с входным. Возникает положительная обратная связь, и начинается автоколебательный процесс. Часть напряжения с обмотки 7 – 8 трансформатора Т поступает в цепь база-эмиттер транзистора VT3, который перейдет в режим насыщения. Его коллектор приобретает практически нулевой потенциал, так как величина сопротивления резистора R8 недостаточна для открытия транзистора VT4. Транзистор VT4 закрыт, и обмотка реле KV1 обесточена.

Если же сила Р1 превышает силу Р2, то емкость конденсатора С9 будет максимальной. Возникает отрицательная обратная связь. Транзистор VT3 закрывается, потенциал его коллектора достигает приблизительно –10 В, и транзистор VT4 открывается. Реле KV1, обмотка которого является нагрузкой оконечного каскада, срабатывает, и его контакты коммутируют соответствующие цепи системы автоматики.

 

10.3. Конструктивное исполнение

 

Конструктивно система выполнена  в виде металлического ящика размерами 720 х 1000 х 500 мм. На лицевой стенке шкафа  расположены кнопки ручного управления SВ1, SВ2, переключатель режимов работы «Ручной – автоматический». На задней стенке расположены магнитные пускатели, автоматы F1, F2,, тепловое реле РТ1, печатная плата регулятора, датчик давления. Датчик давления подключается к вакуумному бачку с помощью гибкого шланга.

 

 

10.4. Оценка надежности

 

Надежность – это свойство объекта  сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Надежность является сложным комплексным  свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности сохраняемости.

Интенсивность отказов l₀(t) равна сумме значений интенсивности отказов всех элементов, входящих в состав данного объекта:

l₀(t) = l₁(t) + l₂(t) + … + l_n(t)   (10.1)

 

Если объект включает в себя несколько  групп однотипных элементов, то более целесообразно определить интенсивность отказов по каждой из этих групп:

    (10.2)

где: k – число групп элементов;

l – число элементов в группе.

Интенсивность отказов каждого  из элементов определяется по справочным данным.

Показатели надежности зависят  от  условий эксплуатации автоматических систем. Эти условия приблизительно учитываются эксплуатационным коэффициентом а:

l_э(t) = а × l₀(t)      (10.3)

где: l_э(t) – интенсивность отказов объекта с учетом условий эксплуатации;

а – эксплуатационный коэффициент.

Приблизительно вероятность безотказной  работы объектов, находящихся в эксплуатации, можно определить экспериментальным путем:

     (10.4)

где: N₀ – число объектов, исправно работающих в начальный момент эксплуатации;

n(t) – число объектов, отказавших за время эксплуатации;

N_ср – среднее число исправно работающих элементов за время t.

Для систем автоматизации наибольшее практическое значение имеет  экспоненциальный закон распределения.

При таком законе распределения  для этапа нормальной эксплуатации:

     (10.5)

в любом случае в соответствии с требованиями ГОСТа вероятность безотказной работы сельскохозяйственной техники должна быть не ниже 0,8.

Величину наработки до отказа можно  определить по результатам контролируемой эксплуатации как среднее значение времени работы объекта между отказами:

     (10.6)

где: t_i - время работы объекта между очередными отказами.

При аналитическом определении  значения Т₀, исходя из определения наработки до отказа:

     (10.7)

на этапе нормальной эксплуатации можно принять что l (t) = const, тогда наработка до отказа может быть с достаточной вероятностью определена как:

     (10.8)

На основании принципиальной схемы  и нормируемых показателей отказов составляется таблица интенсивности отказов элементов системы – табл. 10.1.

Таблица 10.1.

Нормируемая интенсивность отказов  элементов

Наименование элемента	Кол-во, шт	Интенсивность отказов 10-6
Магнитный пускатель	2	1,1
Переключатель	1	3,2
Автоматический выключатель	2	1,5
Конденсатор	1	0,1
Реле давления	1	3,2
Кнопка	2	6,4
Тепловое реле	2	1,6
Всего:		17,1

Суммарная интенсивность отказов  λ(t) = 17,10 × 10^-6 1/ч.

С учётом условий эксплуатации λ_э(t) = 1 × 17,10 × 10^-6 = 17,10 × 10^-6 1/ч.

Время наработки установки до отказа

Время безотказной работы при работе установки в течении 3-х часов  в день 12 мес. в году.

Т = Т₀/t_м = 58479,5 / 1095 = 53,40 лет

Вероятность безотказной работы

Полученное значение вероятности  безотказной работы больше нормированного значения (0,8).