Введение к работе
Актуальность темы. По данным международных аналитических компаний мировое производство и потребление бумаги и картона каждое десятилетие возрастает в 1,4 раза. В России ежегодный рост производства картона и бумаги достигает 7-^8% по отношению к 2002 г., что требует постоянного увеличения производительности бумаго- и картоноделательных машин (КДМ). Эти машины отличаются технической сложностью и высокой себестоимостью технологических установок. Их закупка и ввод в эксплуатацию для большинства отечественных производителей являются проблематичными с экономической точки зрения задачами. Отсюда понятно стремление к модернизации уже действующих установок и совершенствованию систем управления их электроприводами в направлении повышения производительности и качества выпускаемой продукции. К тому же технический уровень развития элементов электропривода позволяет пересмотреть и технологические требования к самому производству бумаги и картона.
При модернизации и увеличении производительности КДМ появляется необходимость более глубокого анализа и оценки технологических взаимосвязей через производимый материал (бумагу или картон) для стабилизации его толщины и натяжения. Этот анализ требует разработки методов математического моделирования, способствующих предварительному учету факторов, в наибольшей степени влияющих на характер технологического процесса.
Поскольку стабильность работы КДМ обеспечивается воздействием на соотношения скоростей и нагрузок электроприводов ее механизмов, понятна необходимость применения наиболее развитых принципов и алгоритмов их управления на основе микропроцессорной техники. К их числу следует отнести также разработку и применение аппаратно-программных средств для реализации интерфейса «человек - машина» и технического диагностирования состояния электроприводов КДМ.
Внедрение новых технических средств на основе микропроцессорной техники одновременно сопровождается проблемой обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС) в реальных промышленных условиях эксплуатации, что требует анализа электромагнитной обстановки (ЭМО) в районе расположения элементов электропривода, а также разработки способов и технических средств по обеспечению их ЭМС.
Ясно, что решение указанных проблем совершенствованием алгоритмов и систем управления электроприводами КДМ будет способствовать повышению производительности и качества ее продукции.
Целью диссертационной работы является повышение стабильности технологического процесса и увеличение производительности картоноде-лательной машины за счет совершенствования алгоритмов и систем управления ее взаимосвязанными электроприводами и средств их технического диагностирования.
Достижение поставленной цели потребовало:
Анализа технологической взаимосвязи электроприводов механизмов КДМ и разработки ее математической модели.
Математического моделирования статических и динамических режимов работы взаимосвязанных электроприводов КДМ для оценки технологически допустимых отклонений их частот вращения.
Разработки алгоритмов и систем управления электроприводами КДМ, обеспечивающих технологическую стабилизацию соотношений скоростей и нагрузок между взаимодействующими через полотно картона механизмами.
Разработки систем и аппаратно-программных средств, осуществляющих интерфейс «человек-машина», а также диагностирования технического состояния электроприводов КДМ.
Исследований ЭМО в районе расположения элементов электропривода КДМ и на их основе разработки способов и средств обеспечения их ЭМС.
Апробации теоретических и технических разработок на примере модернизации электропривода КДМ К-28 ЗАОр «Народное предприятие Набережночелнинский картоно-бумажный комбинат» («НП НЧ КБК»).
Методика проведения исследований. Теоретические исследования основывались на положениях теории электропривода и систем управления электроприводов, теории многосвязных систем. При моделировании использовался программный пакет MathLab 7.0/Simulink. Экспериментальные исследования проводились на действующей КДМ путем осциллогра-фирования переменных электроприводов с использованием пакета Drive ES Basic 5.3 и программного обеспечения видеотерминальной станции (ВТС). Для исследования ЭМО использовался разработанный и технически реализованный комплект анализаторов электрического и магнитного полей.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту: 1. Математическая модель технологической взаимосвязи электроприводов механизмов КДМ через общее полотно картона, включающая в себя по два контура регулирования тока и скорости, а также апериодическое звено, характеризующее динамическое свойство полотна картона.
Результаты математического моделирования статических и динамических режимов работы взаимосвязанных через общее полотно картона электроприводов КДМ, определившие технологически допустимые отклонения частот их вращения не более ±0,3% номинального значения.
Теоретически и экспериментально обоснованные алгоритмы управления электроприводами КДМ, обеспечивающие технологическую стабилизацию их скоростей при изменениях момента на ±20% или напряжения питающей сети на ±10%, а также нагрузок между взаимодействующими через полотно картона механизмами на уровне ±3% при тех же возмущающих воздействиях.
Алгоритмы логического управления электроприводами КДМ и аппаратно-программные средства на основе микропроцессорной техники, разработанных программ контроллеров и видеопульта, осуществляющие интерфейс «человек-машина», а также диагностирование технического состояния электроприводов КДМ.
Результаты экспериментальных исследований ЭМО в районе расположения элементов электропривода КДМ, определившие максимальный уровень электрических полей в районе расположения элементов управления тиристорным преобразователем до 400 и 200 В/м на частотах 50 и 250 Гц и магнитных полей в той же зоне до 1050 и 580 А/м на частотах 250 и 550 Гц соответственно.
Результаты экспериментальных исследований усовершенствованных систем и разработанных алгоритмов управления на примере электропривода КДМ К-28, подтвердившие возможность реального увеличения скорости движения полотна с 350 м/мин до 600 м/мин без снижения качества и технологической стабильности работы КДМ.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается правомерностью принятых исходных допущений и предпосылок, корректным применением методов математического моделирования, адекватностью результатов математического моделирования экспериментальным данным, результатами практической реализации и экспериментальных исследований усовершенствованной системы и предложенных алгоритмов управления электроприводами КДМ К-28 ЗАОр «НП НЧ КБК»
Научная новизна.
1. В форме структурной схемы предложена математическая модель, определяющая функциональную взаимосвязь через полотно картона электроприводов соседних механизмов КДМ на ее межсекционных и межвалковых участках. Взаимосвязь между приращением скорости и растяжением полотна картона представлена апериодической функцией с постоянной
времени, значение которой для различных секций КДМ находится в диапазоне 0,3.-2,5 с.
Обоснованы технологические требования к алгоритмам и системам управления электроприводами КДМ, обеспечивающие стабильность соотношений скоростей и нагрузок между ее механизмами и способствующие увеличению скорости движения полотна картона до 600 м/мин.
Разработана математическая модель взаимосвязанных через полотно картона электроприводов соседних секций КДМ, позволяющая на основании ограниченного объема исходных данных механической части КДМ с достаточной для инженерной практики точностью анализировать динамические свойства и синтезировать параметры регуляторов систем управления электроприводами.
Разработаны функциональная модель и алгоритмы диагностирования систем логического управления (СЛУ) электроприводами КДМ, обеспечивающие оперативный поиск их электротехнических и технологических неисправностей.
Определен спектральный состав и уровни напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения электрооборудования КДМ, и на их основе предложены способы и рекомендации по обеспечению ЭМС элементов и устройств электропривода КДМ.
Практическая ценность работы:
Реализованы функциональные электрические схемы электроприводов, отличающиеся единством алгоритмов и структур их управления для всех механизмов КДМ, что позволило существенно сократить время пус-коналадочных работ при модернизации электроприводов КДМ и улучшить условия их последующей эксплуатации.
Разработаны и внедрены прикладные программы для контроллеров систем управления электроприводами КДМ, обеспечивающие их технологические режимы работы.
Предложен и технически реализован принцип построения ВТС, осуществляющей функции управления, визуализации состояния и диагностирования электроприводов КДМ.
Разработан и технически реализован аппаратно-программный комплект устройств спектрального анализа напряженностей электрического и магнитного полей в районе расположения элементов электропривода.
Обеспечена ЭМС элементов и устройств электропривода и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) КДМ К-28.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли практическое применение при модернизации КДМ К-28 ЗАОр «НП НЧ КБК», обеспечив увеличение максимальной скорости движения картонного полотна при его производстве с 350 м/мин. до 600 м/мин. При этом ежегодное время простоя КДМ вследствие аварий по линии электрооборудования сократилось в 4,3 раза.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2004 (г. Магнитогорск, 2004 г.); на научно-техническом совете ОАО «Электропривод» (г. Москва, 2004 г.); на IX, X, XI, ХП Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2003,2004,2005,2006 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 13 печатных трудах, в том числе 1 в рецензируемом издании.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 67 наименований. Работа изложена на 143 страницах основного текста, содержит 42 рисунка и 14 таблиц и приложения объемом 2 страницы.
