Введение к работе
Актуальность темы. Вакное место в народном хозяйстве занимают метизная и кабельная отрасли промыалонности, основным продуктом которых является проволока из цветных н чёрных металлов. Растущие потребности d проволоке разных видов могут удовлетворяться путём повышения эффективности волочильного оборудования, характеризующейся разработкой и пнедреннем высокоскоростных волочильных станов с противонатяяением. Среди них наиболее перспективными, с точки зрения производительности и качества проволоки, являются прямоточные волочильные станы (ЛВС) многократного волочения.
Одним из основных факторов, определяющих производительность ПВО, является частый обрыв проволоки, в результате которого теряется а среднем около 40 процентов рабочего времени. Обрывность проволоки в значительной степени зависит от стабильности технологических параметров в процессе волочения, в особенности от величины противонатяяения.
Опыт эксплуатации ПВС с электроприводом, обеспечивающим стабилизацию противонатяжения, показал, что вопрос обрывности проволоки остаётся открытым.
Важной проблемой является и задача снижения удельных энергозатрат при волочении проволоки, котррая заключается а определении оптимальных силовых параметров волочения и поддержании их на заданном уровне. Проведённые исследования показывают, что затрачиваемая на волочение мосдаость на 15 + 20 процентов выше оптимальной. Таким образом, тема настоящей работы, посвященной поиску путей повьпения производительности и снижения энергозатрат средствами электропривода, является актуальной.
Тема диссертационной работы является частью исследований, проводимых на кафедре "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Алматинского энергетического гаститута по „ межвузовской целевой научно-исследовательской программе "Оптимум" - 12г-Об "Повышение надёжности и экономичности работающего оборудования за счёт оптимизации режимов работы и внедрения автоматизированных систем" и по межвузовской целевое комплексной программе "Мзталл" - 09.21 "Разработка и внедрение автоматизированного электропривода прямоточного
волочильного стана с нерегулируемым источником тока", 09.23
"Разработка и внедрение высокоскоростных прямоточных воло
чильных станов с взаимосвязанным многодвигательным электро
приводом постоянного тока". .
Целью диссертационной работы яйляется разработка автоматизированного электропривода ПВС, обеспечивающего повышение производительности и снижение удельных энергозатрат за счет уменьшения обрывности проволоки и поддержания оптимальных технологических параметров в процессе волочения.
Поставленная,цель достигается решением следующих задач:
исследование технологического процесса волочения и существующих систем управления электроприводом ЛВС с целью определения причин обрывности проволоки; .
исследование критериев оптимальности и разработка методики выбора оптимальных силовых параметров волочония;
разработка и исследование-математической модели электромеханической системы ПВС}
разработка и исследование самонастраивающейся системы . управления электроприводом ПВС, обеспечивающей оптимальные технологические параметры в процессе волочения и инвариантность по отношению к возмущающим воздействиям.
Методы исследования .Для решения поставленных задач использованы основные положения теории систем многосвязанного регулирования (СМР) и методы теории автоматического управления. При определении оптимальных силовых параметров волочения использован метод линейного программирования.; Анализ разработанной системы управления электроприводом ПВС выполнен с использованием метода математического моделирования на вычислительных машинах. При экспериментальном исследовании опытно-промышленного образца автоматизированного электропривода ПВС использованы методы.планирования эксперимента. ". Научная новизна. В результате проведённых исследований; - разработана, методика выбора оптимальных силовых, параметров волочения; ; ,Г . 1 :. .. '.-.' ';.;.
. -дополнена математичзскаямодель электромеханической , системы ПВС и разработана структурная схема автоыатизиро- ."-;,' ванного электропривода ПВС, позволяацая провести анализ; '-';".-" установившихся и динашческюсрежіімов работы электропривода;
- предложен принцип построения системы сигнальной само
настройки силовых параметров волочения с использованием кос
венной информации об их изменении в процессе волочения.
Практическая ценность:
разработана инженерная методика определения оптимальных силовых параметров волочзния, необходимая для задания моментов на валах двигателей тяговых барабанов, а такке для расчёта мощности электродвигателя на стадии проектирования;
на основе предложенного принципа контроля силовых параметров волочения электроприводом ПВС, обеспечены оптимальные технологические параметры в процессе волочения;
разработана схема вентильно-ёмкосткого преобразователя с повышенным еьходным напряжением для питания нескольких последовательно соединённых якорей электродвигателей;
разработан автоматикрованный электропривод намоточного аппарата ПВС, устраняющий деформацию катушек и сохраняющий качество проволоки (а.с. Щ709640).
Основные положения, выносимые' на защиту:
результаты анализа особенностей технологического процесса волоченій и принципов регулирования существующих электроприводов волочильных станов;
методика выбора оптимальных силовых"параметров волочения;
математическая модель электромеханической системы ПВС с учётом упругих звеньев и взаимосвязи технологических параметров волочзния; . .
. - принцип построения самонастраивающейся системы управления электроприводом ПВС и алгоритм её управления;
-разработанные схемы вентильно-ёмкостного преобразователя и электропривода намоточного аппарата;
- методика промышленных исследований с их результатами.
Реализация результатов работы.- Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной системы управления электроприводом ПВС использованы при внедрении на, действующем волочильном стане двухкратного волочения Лепсинского метизного завода. Годовой эффект от использования результатов диссертационной.работы на одном
волочильном стане составляет 26,9 тыс.руб. (1990г.)
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на республиканской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов "Проблемы комплексной роботизации и внедрения автоматических и автоматизированных систем управления в народном хозяйстве Казахстана" в г. Алма-Ате (1985г.), Х-ой Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода в г.Воронеже (1987г.), республиканском научно-техническом семинаре "Технология и оборудование волочильного производства" в г.Алма-Ате (1989г.), а также на научно-технической конференции в 1987г. и научно-технических семинарах кафедры "Электропривод и автоматизация промышленных установок" Алматинского энергетического института. .
Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы отражены в II публикациях.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков на 35 страницах, списрк литературы из 129 наименований на 15 страницах и приложений на 6 страницах.
Во введении отражены актуальность темы диссертационной
работы, научная новизна: и основные положения, выносимые на
защиту. ..-.-..
В первой главе исследованы особенности технологического процесса волочения проволоки. Проведён анализ отечественных и зарубежных литературных источников по существующим воло- . чильным станам и системам их управления.
Установлено, что одной из основных причин обрывности
проволоки является изменение силовых параметров волочения в
установившемся режиме работы ПВО, вызванное износом волочиль
ного инструмента - волоки. По мере износа.волоки происходит
постепенное уменьшение величины давления на волоку,' в резуль
тате чего увеличивается противонатяжение. Чрезмерное увели
чение противонатяжёния неизбежно приводит к обрыву проволо
ки. ':'.. ' ,.- ..'';--._ .:;' " ..'': .;' ."
Указанные изменения относятся к постоянно действующим, медленно меняющимся возмущениям, которые необходимо учитывать при разработке системы регулирования электроприводом ПВС.
Источниками возмущений могут быть не только изменения силовых параметров волочения, диаметра проволоки и предела прочности, но и высокочастотные колебания, связанные со свойствами электропривода, колебания параметров питающей сети, нарушение режима смазки в волоках и т.д. ПВС обладает повышенной чувствительностью к возмущающим воздействиям, причём любое возмущение, возникающее на линии волочения, распространяется как по ходу волочения, так и против хода волочения. Поэтому на действующих волочильных станах предпочтение отдаётся электроприводу с последовательным соединением якорей, получивший название привода с саморегулированием.
Существующие системы автоматического регулирования электроприводом ПВС построены в основном по принципу стабилизации противонатяжения, без учёта влияния изменения силовых параметров волочения в установившемся режиме. Поэтому задача по устранению обрывности проволоки полностью не решена. Кроме того, в производственных условиях силовые параметры волочения устанавливаются вручную и зависят от степени квалификации волочильщика. В связи с этим на основе анализа особенностей технологического процесса волочения и систем регулирования электроприводом ПВС определены основные требования к разрабатываемому электроприводу ПВС и задачи диссертационной работы. .
Во второй главе предложена методика выбора оптимальных силовых параметров волочения на ПВС, обеспечивающая минимум энергозатрат при максимальной производительности.
В результате анализа принятых критериев оптимальности, предложен функционал минимаксного типа:
У =* тах/- Z. П Уі/-— /піп ц)
Vi 7 <*< 72
где Ті - тяговое усилие і -го барабана; Vi -скорость волочения; h - к.'п.д. .привода.
Для нахождения оптимальных силовых параметров по критерию (I) определена максимальная скорость волочэния исходя из
мощности И/, расходуемой при волочении:
'- ^-<гі№к;.іім**"' (2)
где - - диаметр проволоки; Si - единичные обжатия; 69». -предел прочности проволоки.
Если принять, что заданная скорость на первом по ходу волочения барабане постоянна, V*-Con-it . то согласно закона сохранения секундных объёмов:
\Ллюх = V0mox-fti , і = ТЛ » (3)
где JUi - коэффициент суммарной і. -й вытяжки.
Тогда критерий оптимальности (I) можно представить в
следующем виде: \. п
Области изменения управляющих воздействий определены исходя из теории волочения:
* - I <б)
Tt+Qi *Рь'+ (t-Ki)Qi-, і Те +Qi $6iSi ;
\ . 6L*6lt/Si:-/>**,в-,-%*,
где ві - противонатяжение; --fit - давление на волоку; Ж -сила волочения; ві Si - усилие разрыва проволоки; Лі. - угол охвата проволоки; $ч - коэффициент трения.
Задача оптимизации силовых параметров волочения, заключается в определении .тяговых усилий Ті и противонатяжений ві, минимизирующие целевую функцию (4) и.удовлетворяющие ограни-'
ЧЄНИЯМ (5). ;: ..' -.-
Для большей наглядности приведена геометрическая интер-притация решения поставленной задачи в трёхмерном простран-: стве для, двухкратного волочильного стана, найдены оптимальные значения, тяговых усилий и противонатяжения.'.'
Разработана блок-схема.алгоритма решения задачи оптимизации силовых параметров для. ПБС, многократного волочения. В результате численного решения данной, задачи на ЦВМ установ-.. лено: на пятикратном волочильном стане, модность; затрачивав--мая на.волочение на 12 процентов превшает оптимальную.'./.
В третьей главе пзокзведап анализ электроглеханической
системы ПЕС. Дано математическое описание электропривода ПВО с учётом упругих звеньев первого и второго рода и взаимосвязи технологичаских параметров волочения. Разработана структурная схема электропривода ПБС, выполненного по системе источник тока - двигатель (ИГ-Д).
В существующей математической модели электромеханической системы ПВО отсутствует формула определения скорости проволоки при выходе из волоки. Вследствие этого невозможно реально оценить влияние параметров одного блока волочения на другие.
Скорость проволоки определена в соответствии со вторым законом Ньютона:
ґі/л +%'> где /w/a^-j^j - сумма масс, приложенная к проволоке
при выходе из волоки; Ц - передаточное число редуктора;
&, %' ~ моменты инерции двигателя и барабана.
На основе анализа электромеханической системы ПЕС и
электропривода ПЕС, выполненного по система ИГ-Д получзна
система уравнений для двухкратного волочильного стана:
S/, ҐР) -Г,ґ/>)*$ -а/йЬМ" 3,*/>аЬҐ4) І
' №)афїu* rpJ} "*V Ufa *Ь0»
U, {P)«jr~%-ft/*f*>-*'b>>W ^--A^ VufiOi
> (7)
Гя.(Р)= №fr> +tU(P>=P*#>)+a, fP> "фГйьМ-УаґАІЇ}
V,(fi) =pfs/,fe>-P,(PJ-&(p)J=/'iV.'W } Vzfr) *&№ to -&09~ 'QMJ-J* *'M,
где' Мт(р)- тормозной момент, создаваемый тормозной системой; Rp,Cta- - радиус и момент инерции наполненной катушки размоточного устройства; Mtff),Hi(P)~ моменты, развиваемые двигателями; а* , а - коэффициенты вязкого трения, приведённые к валам двигателей; f, , Rs% - приведённые радиусы барабанов; if/, Ji - суммарные моменты инерции, приведенные к валам двигателей; К/,Кг - коэффициенты усиления источника тока; Те/ , 72а - электромагнитные постоянные времени цепей возбуждения? Uvfr),Vjz(P)- задающие сигналы на входах тирис-торных преобразователей, подключённых к обмоткам, возбуждения; Кс - коэффициент обратной связи по скорости;* Л/»,7* - коэф-^ фициенты усиления и постоянные времени тиристорних преобразователей; Vi', Уг - скорости проволоки при входе и выходе из волоки; Ул - скорость проволоки в конце участка растяжения; Ср - жёсткость проволоки.
Система (7) уравнений справедлива для П - кратных ПВО.
При рассмотрении динамических процессов сделаны общепринятые для подобных электромеханических систем допущения. Кроме того, применение электропривода по системе ИТ-Д позволяет пренебречь электромеханической связью нежду барабаном и двигателем, поскольку любые изменения скорости и соответственно э.д. с. двигателя компенсируются без запаздывания изменением э.д.с. источника питания, поддерживающим ток нагрузки постоянным.
Исследованы влияния упругих звеньев первого, второго
рода и возмущающих воздействий на электромеханическую систему
ПВС, а также взаимовлияние технологических параметров отдель
ных блоков волочения.. - о
Установлено, что систему автоматического регулирования электроприводом ПВС необходимо рассматривать как систему многосвязанного регулирования (СМР), в которой связь между регулируемыми величинами имеет место через объект регулирования. СМР ПВС представляет собой сложную систему с перекрестными связями.
В соответствии с (7) построена структурная схема электропривода ПВС рис.I, на основе которой проведено исследование динамических режимов на ЦВМ. Полученные результаты показывают адекватность разработанной математической модели реально:^ объекту. Качество переходных процессов удовлетворяет требова-
Структурная схема электропривода ПВС, выполненного по системе ИТ-Д
Л7-/3
Мт(Р)
ІШ
&
во(Р)
ytp)
Vf,M,
А'
4 1.
Cn
f/,fp)
T,(p)
\Vb,(P)
&
1^
P,fP)
Qfi\
V,(p)
m.p
^Hgh-^
Кл2
ТпгРН
Г/лЩ
Кг
Т/гР+і
Нгв>)
&
Vkfrh
MM
*h
s;2{P) ]"-! ^, ,д,
Tz-ч
ниям, предъявляемым к электроприводу ПВС.
Четвёртая глава посвящена разработке автоматизированного электропривода ПВС, выполненного по системе ИГ-Д, обеспечивающего оптимальные силовые параметры в процессе волочения и инвариантность по отноиению к возмущающим воздействиям.
В СМР ПВС проблема инвариантности имеет свою специфику из-за взаимосвязи между регулируемыми величинами. Наиболее эффективная реализация принципа инвариантности в СМР получается при комбинированном управлонии. Однако необходимость измерения возмущений создаёт большие трудности при внедрении подобных систем в производство по причине отсутствия надёжных в эксплуатации датчиков силовых параметров волочения.
В этой связи предложен принцип инвариантности в СМР ПВС
по отношению к управляющему воздействию с помощью введения
жёсткой отрицательной обратной связи по скорости на первом"
по ходу волочения двигателе. Получена передаточная функция
замкнутой системы регулирования, обладающая астатизмом вто
рого порядка. ,"..'..
При исследовании устойчивости полученной CUP ПВС определены параметры системы регулирования при которых СМР будет устойчива. Обеспечение устойчивости данной СМР ПВС при неограниченном увеличении коэффициента усиления достигается введением в обмотки возбуждения гибких отрицательных обратных связей по скорости.
Для компенсации постоянно действующих возмущений и поддержания оптимальных силовых параметров волочения на заданном уровне разработана самонастраивающаяся система управления СНС электроприводом ПВС рис.2 . Управление электроприводом ПВС осуществляется нерегулируемым источником тока ИГ по бесконтактной схеме, что значительно снижает металлоёмкость м повышает надёжность.
Оптимальные силовые параметры и максимальная скорость - волочения задаются с помощью блоков задания E2G и ЗС. Регулирование силовых параметров ПВС осуществляется по цепи возбуждения тиристорными преобразователями Til.
Согласующие блоки СБ обеспечивают равенство сигналов с выходов датчиков скоростей ДС при неиэнооенных волоках В. Ключи К предназначены для подключения контуров самонастройки
к соответствующим каналам регулирования в установившемся режиме волочения, а также для настройки выходов СБ. Алгоритм управления данной СНС имеет вид:
&-/ И-/ = ~^' - Yi Vc = Count ,tw/, ( 8 )
где /2 = yf — - коэффициент пропорциональности.
В принципе работы СНС заложена зависимость скорости волочения от изменения давления на волоку в процессе износа волочильного инструмента. При уменьшении давления на волоку с -го блока на л ?i частота вращения uii двигателя МI уменьшится на ли)і и на выходе узла сравнения скоростей УСі появится постоянный положительный сигнал At/ifc = Qc-i , пропорциональный противонатяжению, который суммируется с сигналом задания момента и обеспечивает равенство (8).
Самонастройка такого типа получила название сигнальной самонастройки, принцип которой заключается в том, что параметры регулятора остаются постоянными, а управляющие воздействия меняются в соответствии с алгоритмом (8) при изменении давления на волоку.
В качестве ИГ предложен вентильно-емкостный преобразователь, выполненный по трехфазной ассиметричной схеме включения, с повышенным выходным напряжением.
В этой же главе разработан автоматизированный электропривод намоточного аппарата, обеспечивающий компенсацию возмущений, действующих между-волочильным станом и намоточным аппаратом, и устраняющий деформацию катушек.
В пятой главе разработана методика исследования опытно-промышленного образца ПВС, основанная на теории планирования эксперимента. Проведены исследования автоматизированного . электропривода ПВС и методики выбора оптимальных силовых параметров. Приведены результаты внедрения автоматизированного электропривода ПВС в производство.
Исследования.проводились "парным" методом. Это позволило устранить влияние на результаты случайных факторов и установить эффективность разработанной СНС ПВС.
В результате исследований установлено, что разработанный автоматизированный электропривод ПВС удовлетворяет технологическим требованиям. При этом обрывность проволоки снизилась
на 50 процентов, скорость волочения увеличилась на 35 процентов, а расход электроэнергии на волочение одной тонны проволоки снизился на 14 процентов.
Приложение содержит расчёт экономической эффективности и акт внедрения результатов диссертационной работы.
