Разработка автоматизации технологического процесса термической обработки металла в цехе ТОО Бирлик
Введение
Актуальность темы исследования: Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развития технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления. Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств-потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий -- изготовителей средств с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств -- потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать, прежде всего те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта. При строгом выполнении такого принципа разработки и внедрения новых средств, процесс их развития являлся бы строго оптимальным и как следствие этого, объективных. Однако достаточно строгое обоснование оптимальности средств на стадии их разработки и внедрения практически невозможно из-за сложности и ограниченной точности оценок суммарного ожидаемого эффекта, внедрение и развитие новых технологии в процессе производства конкурентноспособной продукций, которые с каждым годом растут по мощности, и позволяют существенно повысить производительность и безопасность труда.
Научная новизна: Использование современных новейших разработок микропроцессорной техники последних поколении и его информационное обеспечение способствует более тонкому управлению технологическими процессами
Практическая значимость дипломной работы заключается в разработке автоматизации технологического процесса термической обработке металла в индукционных печах, технология которой идентична и использованию этой разработки и в других процессах где применяется нагрев материала и схожая технология.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы: несмотря на то, что микроконтроллеры широко используются в современных технологических процессах выбор их осложняется широким диапозонами применяемых параметров, где важно и работоспособность и экономические аспекты применения и внедрения.
Цель дипломного проекта: разработка систем автоматизированного управления системы обжига, снижения тем самым себестоимости выдаваемой продукций, что безусловно решает многие социальные проблемы в обществе.
Задачи дипломного проекта:
описать устройства автоматики, позволяющие автоматически управлять системами обжига металлических изделий;
выявить задачи комплектной автоматизации объектов;
обосновать по характеристикам использования измерительных приборов и используемого автоматизированного оборудования;
обосновать необходимость применения избранных устройств и приборов автоматики;
рассчитать один из электронных усилительных каскадов в системе преобразования дискретных сигналов выбранной системы управления;
осуществления мероприятия по технике безопасности в производственных условиях эксплуатации;
Объект исследования дипломного проекта: индукционная печь мини завода по производству изделий из металла, который имеет широкое распространение в нефтедобывающих предприятиях в регионе.
Теоретическая и методологическая основа работы: применения теории расчетов структурных схем автоматизированного управления , применения основ теории проектирования и научно-технических разработок. Использованы метод исследования устойчивости системы управления по критерию Гурвица и Михайлова, а также расчет устойчивости используемой системы автоматизированного управления.
Практическая база данного проекта основана на действующих объектах обработки металла в производственных цеха, использующую электроэнергию в качестве изготовления изделии из металла или керамики.
1. Основная часть
1.1 Существующая технология обработки металла в печах сопротивления
Промышленность Казахстана на современном этапе остается основным потребителем энергоресурсов, например, доля промышленного потребления электроэнергии в отдельных регионах достигает 60-65%. Планируемое удвоение ВВП России может привести к увеличению потребления энергоресурсов, но это увеличение должно быть основано на внедрении новых технологий.
Из-за многократного удорожания энергоресурсов их доля в себестоимости продукции для многих промышленных предприятий резко возросла и составляет 20-30%, а для наиболеё энергоёмких производств достигает 40% и болеё. Вместе с удорожанием энергоресурсов наступил экономически целесообразный предел их потребления в рамках исторически сложившихся технологий для каждого отдельного предприятия, возникли вопросы качества использования этих ресурсов внутри предприятия и безопасности основных средств производства. Факторы высокой стоимости энергоресурсов и обеспечения безопасности обусловили в последние годы кардинальное изменение отношения к организации диспетчеризации в промышленности и других энергоёмких отраслях (транспорт и жилищно-коммунальное хозяйство).
Современная цивилизованная организация производства основана на использовании автоматизированного приборного учёта, сводящего к минимуму участие человека на этапе измерения, сбора и обработки данных и обеспечивающего адаптируемый к различным тарифным системам и графикам работы предприятия учёт. Учёт всесторонний с предоставлением оперативной и достоверной информации для всех заинтересованных сторон: поставщиков энергоресурсов и их потребителей, работников самого предприятия и служб инженерного контроля и безопасности.
При наличии современной АСДУ промышленное предприятие полностью контролирует весь свой процесс ресурсопотребления и имеёт возможность по согласованию с поставщиками энергоресурсов гибко переходить к разным тарифным системам, минимизируя свои энергозатраты. В этом случае появляется возможность эффективно перераспределять все виды ресурсов внутри предприятия, контролируя эффективность использования рабочего времени работниками предприятия. При этом обеспечение безопасность их работы будет обеспечена на болеё высоком уровне во время всего рабочего дня.
В настоящее время в цехе ТОО Бирлик для дальнейшей обработки материала наиболее применяемым является предварительный нагрев заготовок в печах сопротивления. Печь для нагрева материала состоит из следующих основных конструктивных элементов: каркаса, футеровки, механизмов перемещения заготовок через печь, механизмов загрузки и выгрузки нагревательных элементов, системы подачи защитного газа.
При изготовлении печей применяют различные материалы. Отдельные узлы печей работают при температуре не превышающих 100ºС, поэтому для их изготовления используют обычные углеродистые стали и чугуны, применяемые в машиностроении.
Некоторые узлы печей работают при температуре, близких к 1000ºС поэтому их изготавливают из специальных сталей или огнеупорных материалов. Печь имеет рабочее пространство, где происходит нагрев заготовок. Рабочее пространство печи устроено так, чтобы обеспечить равномерный прогрев нагреваемых заготовок.
1.2 Технологический процесс нагрева в печах (термическая обработка)
Процесс нагрева изделий в электрических печах условно можно разделить на следующие периоды: загрузка заготовок в печь, их нагрев и выпуск. Загрузка заготовок в печь осуществляется через загрузочное окно.
Заготовки в печи перемещаются по двум направляющим, уложенным на поперечные опоры.
Время нагрева под объемную закалку детали изделия занимает 35-40 мин.
Температура электрической печи КS 800 установлена 850+-10ºС.
Контроль температуры осуществляется датчиками температуры. Закалка производится при температуре масла 20-70ºС.
Контроль температуры масла осуществляется термометром 0-150ºС ГОСТ 28498-90.
Отпуск производится при температуре 300°С в течение 2 часов.
Деталь имеет форму в виде кольца с сечением 10 мм; Ø наружный 40 мм; высота 28мм. Масса детали 0,19.
Твердость детали 39,5...50,5 НRС. Контроль производится пр. Бринель тш-2 м ГОСТ23677-79 шар Ø2,5мм.
1.3 Основные недостатки технологического процесса нагрева материала в
печах
1. Время нагрева металлических заготовок в нагревательных печах до заданной температуры (или скорости нагрева) зависит, от способа содержания в металле разных примесей, способа укладки заготовок; физических свойств материала (теплопроводности, теплоёмкости и температуропроводимости) и ряда других факторов, но даже при оптимальном сочетании выше перечисленных параметров период нагрева заготовок в печах является большим и одним из главных недостатком нагрева изделия в печах.
2. Отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок и печи создаёт определенные сложности в обработки материала после его нагрева. Необходимость создания такой системы обусловлена тем, что при её отсутствии создаётся возможность получения перегретого или не догретого изделия, что в свою очередь, негативно отражается на протекании дальнейшего технологического процесса.
3. При нагреве в пламенных или электрических печах поверхность деталей соприкасается с печными газами. В результате изделие может окисляется и на деталях образуется окалина. С повышением температуры и времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины вызывает угар (потерю изделия и искажает его геометрическую форму и всей детали в целом. Поверхность изделия под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет дальнейшую обработку материала, в том числе и режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в серной кислоте или очисткой в дробеструйных установках. За счет образовавшего угара материала, копоти и дыма при эксплуатации печей, они неблагоприятно воздействуют на экологию в целом.
В частности, содержащиеся вредные вещества в дыме оказывают вредное влияние на здоровье рабочего персонала. Необходимость применения системы
дымоудаления из-за негативного воздействия дыма является экономическим
минусом, а также недостатком с точки зрения занимаемой производственной площади. Также невозможность экономии площади из-за больших габаритов самих печей создает существенные сложности в их эксплуатации и рациональном использовании площади на производстве.
Таким образом, недостатками нагревательных печей является довольно продолжительное время нагрева, и большая потеря материала, уходящего в окалину, неблагоприятное воздействие на экологию, отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок из печи, большие габариты печей, а также требование большого расхода электроэнергии, меньшая экономичность и удобство в работе.
В процессе работы печи для нагрева изделия должны обеспечить получение нагрева соответствующей температуры, минимальная усадка материала, низкий расход электроэнергии и максимальная производительность, т.е. главными факторами эксплуатации должна быть экономичность и выполнение требований экологического характера, а также сокращение трудовых ресурсов человека.
При разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом одним из важнейших этапов процесса синтеза системы является анализ технологического процесса как объекта управления, т.е. выявление структуры процесса, определения входных и выходных переменных, нахождение математических зависимостей между входными и выходными переменными, описывающих поведение изучаемого технологического процесса. Рассмотрим данный анализ на примере технологического процесса обжига металлической части изделия. Заметим, что всякий технологический процесс предназначены для обжига и для изменения физических или физико-химических свойств подаваемого в нагревательный агрегат материального потока с затратой на это определенного количества энергии, зависящего от конструктивных и технологических особенностей агрегата. Поэтому для любого технологического процесса можно определить входной материальный поток, свойства которого изменяются в данном процессе, выходной материальный поток - результат обработки входного материального потока. Для осуществления технологического процесса в агрегат подводится энергия - входной энергетический поток.
Выходной энергетический поток отождествляется с отводимой из агрегата энергией выходных продуктов или физико-химических изменений материальных потоков.
Состояние входных материальных и энергетических потоков характеризуется некоторой совокупностью входных переменных, например, величина потока (расход вещества, энергии и т.д.) содержания отдельных компонентов, давления и т.д.
Входные переменные можно классифицировать следующим образом:
управляющие входные переменные (управляющие воздействия или просто управляющие) - те, которые можно изменить добиваясь определенной цели, например заданных характеристик металлургических процессов.
неуправляемые входные переменные (возмущающие воздействия) - те, которые невозможно изменять каким-либо образом, неуправляемые входные переменные подразделяются на контролируемые (те переменные, о численных значениях которых в любой момент или в дискретные моменты времени может быть получена информация с помощью тех или иных приборов и методов) и неконтролируемые (это те, информация о численных значениях которых недоступна).
Состояние выходных материалов и энергетических потоков характеризуется также некоторой совокупностью выходных переменных (управляемых величин) зависящих от входных переменных, как управляющих , так и возмущающих и воздействий. К выходным переменным относятся такие, как количества выходных материальных и энергетических потоков, содержание отдельных компонентов, температуры, добавления в агрегате и т.д.
Структура технологического процесса как объекта управления представлена на рис. 1.3.1. Стрелками показана взаимосвязь выходных и входных переменных (управляющих и возмущающих воздействий).
U1
Х1
1
Z1
Рис. 1.3.1 Структурная схема объекта управления
Рассмотрим вышеприведенную методику анализа технологического процесса как объекта управления на примере процесса рудотермической электроплавки медных концентратов (рис.3.2).
Описание процесса руднотермической электроплавки и самой электропечи позволяет подчеркнуть следующие особенности данного технологического процесса, как объекта управления.
1. Входными материальными потоками процесса электроплавки являются непрерывно поступающие топливо (электроэнергия) и шихта, периодически загружаемый конвертерный шлак, выходными - периодически сливаемые штейн и отвальный шлак. Однако, значительный объем шлаковой ванны, непрерывность процессов плавления шахты и шлакообразования позволяют отнести электроплавку к числу непрерывных объектов.
2. Показатели, определяющие и характеризующие протекание процесса электроплавки имеют различную физическую природу: расходы материальных и энергетических потоков, химические составы , температуры, технико-экономические показатели. Они могут быть отнесены к числу входных, выходных или режимных переменных объекта управления, управляемых или неуправляемых , контролируемых непрерывно, дискретно или неконтролируемых и т.п. (рис1.3.2). Таким образом, электротермическая плавка является многомерным объектом управления.
3. Большой объем ванны печи, значительная емкость бункеров шихтопитателей обуславливают значительную инерционность процесса плавки.
4. На процесс плавки оказывают влияние ряд медленно изменяющихся неконтролируемых фактором - старение агрегата, дрейф минералогического состава сырья, настылеобразования, приводя к нестационарности процесса.
5. Наличие неконтролируемых переменных, дискретных характер контроля ряда переменных, высокий уровень помех в каналах контроля приводят к неполноте информации о процессе.
6. Вследствие значительных геометрических размеров электропечи процессы плавления шихты распределены по поперечному сечению печи. Пространственная распределенность процесса и наличие транспортеров и других вспомогательных агрегатов обуславливают наличие значительных запаздываний по каналам данного объекта.
Q
G
Y
W
Z
процесс
электроплавки
U
Рис.1.3.2 Схема входных и выходных переменных процесса электроплавки.
1.4 Основные направления повышения эффективности технологического процесса нагрева металла
Чтобы обеспечить такие требование, предполагается заменить печи сопротивления на установки индукционного нагрева (рис 1.2).
Под индукционным нагревом понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое тело с помощью электромагнитных волн. Индукционные установки в своей основе имеют индуктор -- проводник специальной формы, питаемый переменным электрическим током. При протекании на индуктор тока возникает переменное электромагнитное поле. При возникновении переменного поля на металлические тела последние нагреваются.
Индукционный нагрев получил широкое распространение в промышленности и научных исследованиях. Развиваются новые технологические процессы, такие как высокотемпературный нагрев, нагрев металла под пластическую деформацию на промышленной и повышенных частотах.
Рисунок. 1.4.1 -Установка для индукционного нагрева.
Заменив печи на установки индукционного нагрева, предполагается установить систему контроля температуры, включающую в себя три пирометра, а также две оптические пары, контролирующие загрузку и выгрузку. Работу питания и управления нагрузки (индуктора) осуществляется тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ). В качестве управляющей машины, получающей сигналы с пирометров о текущей температуры и с датчиков о процессе загрузки-выгрузки, предполагается использовать ПК.
Применение индукционного нагрева и перспективы его развития в условиях интенсификации производства обусловлены рядом постоянно действующих причин:
· Малая тепловая инерция установки и её постоянная готовность к работе. Разогрев газовой печи или печи сопротивления с их массивной футеровкой занимает часы, и на него затрачивается до 40% энергии, расходуется за смену.
· Простота обслуживания и особенно ремонта установки, который обычно сводится к замене индуктора , что занимает несколько десятков минут.
· Высокая надёжность из-за невысокой температуры футеровки.
· Малый угар металла, который в 2-4 раза меньше, чем в пламенных печах и печах сопротивления, благодаря высокой скорости нагрева и наличию застойной газовой среды в малом воздушном промежутке между футеровкой и нагреватльным объектом.
· Увеличение сроков службы штампов на 20-30% вследствии уменьшения слоя окалины и повышения пластичности материала из-за быстрого нагрева, что составляет одну из существенных статей экономии.
· Легкость автоматизации и механизации процесса.
· Высокая производительность и хорошее использование производственных площадей.
· Коренное улучшение условий труда благодаря резкому уменьшению выделения тепла, газов и твердых частиц по сравнению с пламенными печами и печей сопротивления.
Установления системы контроля температуры на момент выдачи заготовок поможет контролировать процесс нагрева исключить возможность получения недогретого или перегретого металла, что положительно отразится на процессе дальнейшей обработки металла. Оптические датчики будут осуществлять контроль за нахождением заготовки внутри индуктора или вне его и посылать сигнал на управляющую машину, которая обработает информацию и дает команду на выключение-включение индуктора. Блок датчиков расположенных в ТПЧ предназначены для формирования сигналов синхронизации обратной связи, защиты и сигнализации и для электрической развязки ПК от силовой схемы показана на рис. 1.4.2.
Рис.1.4.2 Силовая схема индукционной печи.
Критерием эффективности медеплавильного цеха является себестоимость 1 т. черновой меди, зависящая от удельного расхода материалов, трудовых, энергетических и денежных ресурсов.
При этом другие показатели работы цеха не должны выходить за определенные пределы (ограничения).
Совокупность критерия и показателей эффективности представляют собой модель выхода.
В результате возмущающих воздействий фактически выход данной системы может отклоняться от модели выхода. Возникает в связи с этим необходимость в своевременном выявлении и ликвидации нежелательных отклонений. Эту функцию управляющий орган выполняет, используя процесс обратной связи.
Цель поверхностной закалки: получение высокой твердости поверхностного слоя при сохранении вязкой середины детали. Для получения такой закалки производят быстрый нагрев детали на заданную глубину током, индуцированным поверхностным слоем металла с последующим охлаждением.
Два вида нагрева под поверхностную закалку:
1) Глубинный, когда проникновение тока в металл больше глубины закаливаемого слоя
2) Поверхностный, когда глубина проникновения тока в металл меньше глубины закаливаемого слоя
При поверхностном нагреве тепло выделяется в тонком поверхностном слое, распространяется дальше путем теплопроводности.
Зависимость температуры от глубины проникновения тока в металл имеет вид:
При глубинном нагреве энергия расходуется меньше на нагрев сердцевины детали, следовательно он более экономичный.
При глубинном нагреве тепло выделяется по всей толщине закаливаемого слоя, не требуется ждать, пока тепло распространится на требуемую глубину, как при поверхностном нагреве. Глубинный нагрев более производительный (применяется на практике). Т.к. глубина проникновения тока в металл зависит от частоты, то поверхностная закалка требует различных толщин закаливаемого слоя.
Требуемые значения глубины закаленного слоя внутри приведенных интервалов обеспечивают точное регулирование времени нагрева.
Различают следующие виды поверхностной закалки:
1) Одновременная
2) Одновременно-поочередная
3) Непрерывно-последовательная
Одновременная закалка - заключается в одновременном нагреве всей закаливаемой поверхности с последующим охлаждением поверхности. Индуктор и охладитель удобно совместить. Применение лимитируется мощностями питающего генератора. Нагреваемая поверхность не превышает 200-300 см2.
Одновременно-поочередная закалка - характерна тем, что отдельные части нагреваемой детали нагреваются одновременно-поочередно. Непрерывно-последовательная закалка - применяется в случае большой протяженности закаливаемой поверхности и заключается в нагреве участка детали при непрерывном движении детали относительно индуктора либо наоборот. Охлаждение поверхности следует за нагревом. Возможно применение отдельных охладителей или совмещенных с индуктором. ДСП являются мощным и неприятным потребителем для энергосистемы. Она работает с низким KM = 0,7 - 0,8, потребляемая из сети мощность меняется в течение плавки, а эл. режим характеризуется частыми толчками тока, вплоть до обрыва дуги эксплуатационных КЗ. Дуги генерируют высокочастотные гармоники, нежелательные для других потребителей и вызывающие дополнительные потери в питающей сети. Для повышения коэффициента мощности можно включать конденсаторы на шины главной питающей подстанции, питающие группы печей, т.к. при толчках тока РРЕАКТ колеблется в больших пределах, необходимо обеспечить возможность быстрой смены этой емкости. Для такого регулирования можно использовать высоковольтные тиристорные ключи, управляемые схемой поддержания КМ близким к 1. Для борьбы с высшими гармониками используются фильтры, настроенные на наиболее интенсивные гармоники.
Широко применяется выделение печных подстанций на самостоятельное питание, связанное с другими потребителями на напряжение 110, 220 кВ. В этом случае искажение кривых тока и напряжения у других потребителей удается удержать в допустимых пределах. Автоматический запуск в работу дуговой эл. печи с регуляторами мощности
Рассмотрение конструкций позволяет показать на возможные способы регулирования её эл. режима:
1) Изменение подводимого напряжения (UВТОР на Т).
2) Изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.
В современных установках используются оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точное - с помощью механизма перемещения. Управление механизмами перемещения электродов осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ). АРМ должны обеспечивать:
1) Автоматическое зажигание дуг
2) Автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного КЗ.
3) Быстродействие около 3 секунд при устранении обрывов дуги эксплутационного КЗ
4) Апериодический характер процесса регулирования
5) Возможность плавно изменять мощность, вводимую в печь, в пределах от 20-125% от номинальной и поддерживать ее с точностью 5%.
6) Остановка электродов при исчезновении UПИТ.
Апериодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи. Как видно их эл. режима печи, активная мощность, потребляемая печью, и мощность дуги имеют четко выраженный экстремум. По этой причине заданное значение активной мощности, вводимой в печь, может быть обеспечено при двух различных значениях КПД и cos.. Такая двузначность не позволяет применять для управления печью регуляторы, реагирующие непосредственно на активную мощность. Для стабилизации нужной рабочей точки на электрических характеристиках поддерживают постоянным полное сопротивление фазы (UI). Такие регуляторы строятся по дифференциальному принципу.
Двигатель постоянного тока может с помощью механизма перемещения перемещать электрод вверх или вниз. Конденсаторы, включающие двигатель на подъем КВ или вниз КН управляются балансным реле КУ. КУ имеет обмотку тока и обмотку напряжения. В том случае, если ампер-витки этих обмоток одинаковы, контакт балансного реле находится в нейтральном положении, питание на КВ и КН отсутствует, следовательно, двигатель и электрод неподвижны. Данное состояние соответствует заданной величине сопротивления R=UI. При нарушении требуемого соотношения ампер-витки КУ преобладают, контакт КУ замыкает соответствующую цепь соотв. контактора. Двигатель перемещает электрод вверх или вниз до наступления нового состояния равновесия. Электрическая дуга - это разряд в газе, характеризуется высокой степенью ионизации газа, высокой плотность тока, также температурой газа в несколько тысяч градусов и ярким свечением. Основную роль в дуговом разряде имеют электроны, имеющие высокую подвижность. Наличие свободных электроном в области дугового разряда объясняется:
1) Ионизацией (наличие) газа
2) Эмиссией электронов с поверхности катода
Ионизация газа в дуговом разряде обусловлена в основном действием высоких температур, т.е. термоионизацией, в меньшей степени ионизирующим действием излучения дуги с фотоионизацией. Эмиссия электронов катода объясняется бомбардировкой катода в ускоренном электрическом поле положительными ионами, также фотоионизацией поверхности катода, излучением дуги и нагревом катода до значительной температуры Кроме того, высокое значение направленности электрического поля у поверхности катода приводит к мощной автоэлектронной эмиссии, при которой поле вырывает электроны с поверхности катода. Бомбардировка электронами разогревает анод, вследствие этого температура анода оказывается выше температуры катода. Температура анода составляет 4900, а температура катода от 3000 до 4000 °С. При остывании температура анода меньше 600, а катода 3300 - 3400 °С.
Если дуга горит между электродом и расплавом металла, то при отрицательной полярности на электроде дугу принято называть дугой прямой полярности. При обратной полярности на электроде - дуга обратной полярности. Напряжения зажигания дуги составляет при угольных электродах 40 - 45 В, при стальных электродах 30-35 В. При токах свыше 100 А напряжение на дуге будет определяться следующим выражением:
Статическая ВАХ снимается в условно установившемся тепловом равновесии между столбом дуги и окружающей средой и устанавливается процессом ионизации и рекомбинации. При быстрых изменениях тока кривая изменения напряжения не соответствует статической ВАХ, поскольку новое состояние равновесия устанавливается не сразу.
Данная характеристика имеет ярко выраженный вид гистерезисной петли, ширина петли определяется тепловой инерцией разряда и частотой тока. Их этого видно, что процессы в электрической дуге имеют очень сложный характер. Картина еще более осложняется при питании дуги переменным током.
Повторное зажигание дуги обеспечивается при высокой температуре окружающего пространства либо в атмосфере газов либо паров с низкими потенциалами ионизации. По этой причине применяют электроды, покрытые слоем обмазки, в состав которых входят ионизирующие вещества (калий и кальций).
Горение дуг переменного тока с голым электродом в обычной атмосфере неустойчиво, введение индуктивности в цепь дуги переменного тока позволяет сократить длительность перерывов горения дуги и сократить перерывы горения. ЭДС самоиндукции поддерживается на уровне, достаточном для горения в течение всего полупериода.
Для достаточно устойчивого горения дуги cos. должен быть равен 0,4 при токе до 100 А, при токе дуги равным 100-200 А cos. равен 0,4 - 0,5. При токе дуги 200 - 400 А cos. = 0,5-0,7.
Работа индукционной тигельной печи основана на поглощении электромагнитной энергии проводящей садки. Садка размещена внутри цилиндрической катушки, называемой индуктором.
Реальные индукционные тигельные печи имеют механизм загрузки - выгрузки и систему водяного охлаждения индуктора.
Тигель печи на время плавки закрывают футерованной крышкой. Иногда печь снабжают внешними магнитопроводами, снижающими активные потери в металлическом кожухе из-за рассеяния. С электрической точки зрения, индукционная тигельная печь представляет собой короткозамкнутый воздушный трансформатор, вторичной обмоткой которого является проводящая садка. Такое выполнение печи имеет некоторые технологические преимущества:
1) Непосредственное выделение тепловой энергии проводящей садки повышает КПД установки, позволяет получать высокие температуры, необходимые для выплавки тугоплавких металлов.
2) Металл в тигле интенсивно перемешивается благодаря электродинамическому взаимодействию электромагнитного поля индуктора и вихревых токов в жидком металле. Это позволяет получить металл высокого качества.
3) Имеется возможность полностью изолировать тигель от окружающей среды и проводить плавку под вакуумом или специальной, необходимой по технологии атмосфере (инертные газы).
Эти преимущества в большей степени реализуются при выплавке чугунов. Однако построение печи в виде воздушного трансформатор имеет недостатки:
1) Эти трансформаторы более эффективны на высоких и повышенных частотах. Это вынуждает во многих случаях питать тигельные печи от источников питания, работающих в диапазоне от 500 до 10000 Гц.
2) Значительное рассеяние воздушного трансформатора обуславливает весьма низкое значение cos. (0,05 - 0,2),. Такое низкое значение cos. заставляет как на частоте 50 Гц, так и на повышенных частотах использовать емкостную компенсацию реактивной мощности в цепи индуктора. Тигельную печь вместе с параллельной компенсирующей емкостью часто представляют в виде параллельно соединенных активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.
xL, R - сопротивления системы индуктор-садка. xC - емкостное сопротивление компенсирующей батареи.
Величины xL, R в значительной степени зависят от режима работы печи. На них оказывают влияние осадка, спекание, оплавление шихты, температура в тигле, размеры кусков шихты, равномерность ее измельчения и др.
t1: нагрев твердой шихты до точки Кюри - это такая точка, при которой теряются магнитные свойства ферромагнетика.
t2: дальнейший нагрев шихты, потерявшей магнитные свойства до полурасплавления.
Значительное изменение сопротивлений системы индуктор-садка во время плавки приводит к значительным колебаниям активной и реактивной мощности, потребляемой печью. Это вынуждает использовать автоматическое регулирование режима работы
Благодаря подключению компьютера возрастет скорость обработки информации, поступающей с датчиков и пирометров всего технологического процесса, существенно уменьшит время протекания всего технологического процесса, существенно уменьшит трудовые ресурсы и сведет к минимуму роль человека.
2.Техническая часть
2.1.Техническое проектирование процесса в индукционных печах
Ряд выше перечисленных преимуществ создаёт благоприятную почву для автоматизированных применения установок индукционного нагрева на производстве вместо габаритных газопламенных печей и печей сопротивления.
Так, например, производственный процесс, выполняемый в цехах оценивается четырьмя показателями: производительностью процесса, длительностью цикла осуществления заданного объема работ, количеством материальных, трудовых, энергетических и денежных ресурсов, расходуемых на единицу работы, количеством результатов работы, в единицу времени.
В зависимости от требований, предъявляемых к выходу данной системы соответствующими потребителями ее продукции, один из показателей выбирается в качестве главного или критерия эффективности. Его величина должна быть max или min.
Производственная система, на примере данного цеха , представлен на рис. 1.4.3.
ДМЗ
БЦПШ
МПЦ
Электро.
цех
Цеха
Плавильный участок
Конверторный участок
Анодный участок
Участка
...
Агрегат №1
Агрегат №2
Конвертор№1
Конвертор№4
Уровень агрегатов
Рис. 1.4.3. Структура нагревательного цеха
В данной части курсового проекта произведен выбор элементов оборудования, разработаны алгоритм работы системы и структурная схема, а также осуществлен тепловой и электрический расчет индуктора.
Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений:
1) Закон электромагнитной индукции;
2) Поверхностный эффект;
3) Эффект близости;
4) Изменение свойств стали в процессе нагрева.
При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой заготовке. Кратко охарактеризуем эти явления.
Для метода индукционного нагрева значение электромагнитной индукции состоит прежде всего в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый объект, не прибегая контактам.
Поверхностный эффект является основой индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхности проводника.Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока.Эффект близости представляет собой разновидность поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников с током, входящим в рассматриваемую систему. Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости показана на рис. 2.2.1
Рисунок.2.2.1-Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте
близости
Используя эффект близости, можно подобрать соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.
Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между
проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, то есть чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.
На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.
Рисунок 2.2.2-Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена
нагреваемая деталь.
Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.
С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление ρ возрастает и выше 1000˚С достигает своего максимального значения.
Магнитная проницаемость в интервале 600-700˚С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (μ=1).
Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780˚С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.
Таблица 2.2.7 Глубина проникновения тока в металл при различных частотах
Частота тока, Гц
Глубина проникновения тока, см
Сталь 45
Электрическая медь
При t=15ºС,
P=2·10[-5]О[м]·см,
Μ=40ГсЭ
При t=800˚С,
P=10[-4]Ом·см,
Μ=1 ГсЭ
При t=15˚С,
P=1,8·10[-6]Ом·см,
Μ=1 ГсЭ
50
2500
10000
100000
1000000
0,5
0,067
0,034
0,011
0,0034
7,0
1,0
0,5
0,16
0,05
1,0
0,13
Типовые схемы регулирования температуры представлены на рис.2.2.8 и рис.2.2.9
В данном баке температура должна поддерживаться постоянной. В этом примере все сигналы аналоговые, т.е. изменение температуры отслеживается непрерывно (в отличии от предыдущего примера, где проверялось лишь превышение порогового значения), а подача тепла может регулироваться плавно. Измерения производятся периодически, например каждую секунду, и поступают в компьютер. Текущее значение температуры сравнивается с заданным (опорным), которое хранится в компьютере. Величина нагрева или охлаждения рассчитывается по разности между заданным и измеренным значениями (рис. 2.2.8).
ТЕ
нагреватель
Контроллер
Бак
Текущее значение температуры
Сигнал управления нагревателем
Опорное (заданное) значение температуры
Управляющий компьютер
~
Рис.2.2.8. Система регулирования Рис.2.2.9. Контур управления - система
температуры. регулирования температуры.
информация
(рекомендации по управлению)
ТОУ
исполнительные механизмы
источники
информации (датчики)
устройства
логического управления
САР
пульт управления
устройство отображения информации (мнемосхемы)
вычислительный комплекс
оператор-технолог
Регуляция величины
Управление величины
Вышестоящая АСУ
2.2.Расчет устойчивости системы
В расчетной части нам необходимо рассчитать возможность управления контроллера и его команды с действием регуляторов температуры нагревательной печи.
Эффективность систем автоматического регулирования зависит от правильного выбора автоматического регулятора.
Приступая к проектированию, необходимо учесть особенности технологического процесса, устройство, возмущения и управляющие воздействия, с помощью которых можно изменить значения регулируемых величин.
Объект регулирования - температура печи, регулируемая величина - температура
Необходимые показатели качества регулирования:
- Максимальное динамическое отклонения регулируемой величины.
t, ˚С = 20˚С
- Время регулирования tp = 10с
- Система регулирования должна обеспечить апериодический переходный процесс
Для выбора автоматического регулятора необходимо знать статические и динамические характеристики объекта. Статической характеристикой объекта называется зависимость регулируемой величины от регулирующего воздействия в различных установившихся режимах.
Рисунок 3.1.1 Статическая характеристика
Рисунок 3.1.2 Статическая характеристика
τ=2 с,
τТ= 22,5=0,8 ,
К об.=∆t∆М=205=4
На основании отклонения τТ=0,8 принимается регулятор непрерывного действия.
По графикам характеризующим процесс выбора закона управления по динамическим параметрам определяем динамический коэффициент Rд который характеризует степень воздействия регулятора на стабилизацию технологического параметра.
При τТ=0,8 по таблицам определяем Rд и рассчитываем расчётное время регулирования.
Расчётное время регулирования не превышает требуемого времени, следовательно для данного объекта управления применяется пропорциональный закон управления имеющий Rд =0,85 и tp τ =8 (с) т.к он обеспечивает оптимальное время 10 сек.
Расчет параметров настройки Кр по приближённой формуле
Кр = 0,3*ТКоб* τ =0,3*2,54*2 =0,09
Кр проверяется по графическим зависимостям
Кр=КсКоб =0,354 =0,087
С помощью уравнения проверяется устойчивость системы управления с использованием критериев Гурвица и Михайлова.
Система автоматического управления описана дифференциальным уравнением.
Критерий Гурвица
35р[3]+14р[2]+18,5р+1=0
а1=35а2=14 а3=18,5а4=1
∆1=а1=350,
∆2=а1*а2+0*а3=35*14=4900,
∆3=а1*а2*а3+0*а1*0+а4*0*а3+0*а2*0+а 4*а1*а1+а3*0*а3=35*14*18,5=90650
Согласно условию критерия Гурвица система устойчива.
Критерий устойчивости Михайлова.
35р[3]+14р[2]+18,5р+1=0,
p= iω,
35iω+14iω-18,5iω+1=0,
-35iω[3]-14iω[2]+18,5iω+1=0
Исходное уравнение делится на два равенства действительное и мнимое.
U(ω)=-14iω[2]+1=0,
V(ω)=-35iω[3]-18,5iω=0
Придавая ω значение ω=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2; результаты расчета действительной и мнимой частей сводится в таблицу 11.
Таблица 3.1.3Таблица действительных и мнимых значений
ω
0
0,25
0,5
0,75
1
1,5
2
U(ω)
1
-0,875
-2,5
-6,875
-13
-20,875
-55
V(ω)
0
5,165
4,875
0,885
-16,25
-45,714
-243
Рисунок 3.1.4 Годограф
Согласно условию Михайлова система устойчива
Следующая регулируемая величина - температура охлаждающего регулятора, объект регулирования плавительная печь.
Необходимые показатели качества регулирования:
- Максимальное динамическое отклонения регулируемой величины.
t, ˚С = 10
- Время регулирования tp = 15с
- Система регулирования должна обеспечить апериодический переходный процесс
Рисунок 3.1.5 - Статическая характеристика
Рисунок 3.1.6 - Кривая разгона
τ=1 с,
τТ= 12,6=0,38 ,
К об.=∆Р∆М=25=0,4
На основании отклонения τТ=0,38 принимается регулятор непрерывного действия.
По графикам характеризующим процесс выбора закона управления по динамическим параметрам определяем динамический коэффициент Rд который характеризует степень ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Актуальность темы исследования: Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развития технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления. Развития технологических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат интересы автоматизируемых производств-потребителей, с одной стороны и экономические возможности предприятий -- изготовителей средств с другой. Первичным стимулом развития является повышение эффективности работы производств -- потребителей, за счет внедрения новой техники могут быть целесообразными только при условии быстрой окупаемости затрат. Поэтому критерием всех решений по разработкам и внедрению новых средств, должен быть суммарный экономический эффект, с учетом всех затрат на разработку, производство и внедрение. Соответственно к разработке, изготовлению следует принимать, прежде всего те варианты технических средств, которые обеспечиваю максимум суммарного эффекта. При строгом выполнении такого принципа разработки и внедрения новых средств, процесс их развития являлся бы строго оптимальным и как следствие этого, объективных. Однако достаточно строгое обоснование оптимальности средств на стадии их разработки и внедрения практически невозможно из-за сложности и ограниченной точности оценок суммарного ожидаемого эффекта, внедрение и развитие новых технологии в процессе производства конкурентноспособной продукций, которые с каждым годом растут по мощности, и позволяют существенно повысить производительность и безопасность труда.
Научная новизна: Использование современных новейших разработок микропроцессорной техники последних поколении и его информационное обеспечение способствует более тонкому управлению технологическими процессами
Практическая значимость дипломной работы заключается в разработке автоматизации технологического процесса термической обработке металла в индукционных печах, технология которой идентична и использованию этой разработки и в других процессах где применяется нагрев материала и схожая технология.
Оценка современного состояния решаемой научной проблемы: несмотря на то, что микроконтроллеры широко используются в современных технологических процессах выбор их осложняется широким диапозонами применяемых параметров, где важно и работоспособность и экономические аспекты применения и внедрения.
Цель дипломного проекта: разработка систем автоматизированного управления системы обжига, снижения тем самым себестоимости выдаваемой продукций, что безусловно решает многие социальные проблемы в обществе.
Задачи дипломного проекта:
описать устройства автоматики, позволяющие автоматически управлять системами обжига металлических изделий;
выявить задачи комплектной автоматизации объектов;
обосновать по характеристикам использования измерительных приборов и используемого автоматизированного оборудования;
обосновать необходимость применения избранных устройств и приборов автоматики;
рассчитать один из электронных усилительных каскадов в системе преобразования дискретных сигналов выбранной системы управления;
осуществления мероприятия по технике безопасности в производственных условиях эксплуатации;
Объект исследования дипломного проекта: индукционная печь мини завода по производству изделий из металла, который имеет широкое распространение в нефтедобывающих предприятиях в регионе.
Теоретическая и методологическая основа работы: применения теории расчетов структурных схем автоматизированного управления , применения основ теории проектирования и научно-технических разработок. Использованы метод исследования устойчивости системы управления по критерию Гурвица и Михайлова, а также расчет устойчивости используемой системы автоматизированного управления.
Практическая база данного проекта основана на действующих объектах обработки металла в производственных цеха, использующую электроэнергию в качестве изготовления изделии из металла или керамики.
1. Основная часть
1.1 Существующая технология обработки металла в печах сопротивления
Промышленность Казахстана на современном этапе остается основным потребителем энергоресурсов, например, доля промышленного потребления электроэнергии в отдельных регионах достигает 60-65%. Планируемое удвоение ВВП России может привести к увеличению потребления энергоресурсов, но это увеличение должно быть основано на внедрении новых технологий.
Из-за многократного удорожания энергоресурсов их доля в себестоимости продукции для многих промышленных предприятий резко возросла и составляет 20-30%, а для наиболеё энергоёмких производств достигает 40% и болеё. Вместе с удорожанием энергоресурсов наступил экономически целесообразный предел их потребления в рамках исторически сложившихся технологий для каждого отдельного предприятия, возникли вопросы качества использования этих ресурсов внутри предприятия и безопасности основных средств производства. Факторы высокой стоимости энергоресурсов и обеспечения безопасности обусловили в последние годы кардинальное изменение отношения к организации диспетчеризации в промышленности и других энергоёмких отраслях (транспорт и жилищно-коммунальное хозяйство).
Современная цивилизованная организация производства основана на использовании автоматизированного приборного учёта, сводящего к минимуму участие человека на этапе измерения, сбора и обработки данных и обеспечивающего адаптируемый к различным тарифным системам и графикам работы предприятия учёт. Учёт всесторонний с предоставлением оперативной и достоверной информации для всех заинтересованных сторон: поставщиков энергоресурсов и их потребителей, работников самого предприятия и служб инженерного контроля и безопасности.
При наличии современной АСДУ промышленное предприятие полностью контролирует весь свой процесс ресурсопотребления и имеёт возможность по согласованию с поставщиками энергоресурсов гибко переходить к разным тарифным системам, минимизируя свои энергозатраты. В этом случае появляется возможность эффективно перераспределять все виды ресурсов внутри предприятия, контролируя эффективность использования рабочего времени работниками предприятия. При этом обеспечение безопасность их работы будет обеспечена на болеё высоком уровне во время всего рабочего дня.
В настоящее время в цехе ТОО Бирлик для дальнейшей обработки материала наиболее применяемым является предварительный нагрев заготовок в печах сопротивления. Печь для нагрева материала состоит из следующих основных конструктивных элементов: каркаса, футеровки, механизмов перемещения заготовок через печь, механизмов загрузки и выгрузки нагревательных элементов, системы подачи защитного газа.
При изготовлении печей применяют различные материалы. Отдельные узлы печей работают при температуре не превышающих 100ºС, поэтому для их изготовления используют обычные углеродистые стали и чугуны, применяемые в машиностроении.
Некоторые узлы печей работают при температуре, близких к 1000ºС поэтому их изготавливают из специальных сталей или огнеупорных материалов. Печь имеет рабочее пространство, где происходит нагрев заготовок. Рабочее пространство печи устроено так, чтобы обеспечить равномерный прогрев нагреваемых заготовок.
1.2 Технологический процесс нагрева в печах (термическая обработка)
Процесс нагрева изделий в электрических печах условно можно разделить на следующие периоды: загрузка заготовок в печь, их нагрев и выпуск. Загрузка заготовок в печь осуществляется через загрузочное окно.
Заготовки в печи перемещаются по двум направляющим, уложенным на поперечные опоры.
Время нагрева под объемную закалку детали изделия занимает 35-40 мин.
Температура электрической печи КS 800 установлена 850+-10ºС.
Контроль температуры осуществляется датчиками температуры. Закалка производится при температуре масла 20-70ºС.
Контроль температуры масла осуществляется термометром 0-150ºС ГОСТ 28498-90.
Отпуск производится при температуре 300°С в течение 2 часов.
Деталь имеет форму в виде кольца с сечением 10 мм; Ø наружный 40 мм; высота 28мм. Масса детали 0,19.
Твердость детали 39,5...50,5 НRС. Контроль производится пр. Бринель тш-2 м ГОСТ23677-79 шар Ø2,5мм.
1.3 Основные недостатки технологического процесса нагрева материала в
печах
1. Время нагрева металлических заготовок в нагревательных печах до заданной температуры (или скорости нагрева) зависит, от способа содержания в металле разных примесей, способа укладки заготовок; физических свойств материала (теплопроводности, теплоёмкости и температуропроводимости) и ряда других факторов, но даже при оптимальном сочетании выше перечисленных параметров период нагрева заготовок в печах является большим и одним из главных недостатком нагрева изделия в печах.
2. Отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок и печи создаёт определенные сложности в обработки материала после его нагрева. Необходимость создания такой системы обусловлена тем, что при её отсутствии создаётся возможность получения перегретого или не догретого изделия, что в свою очередь, негативно отражается на протекании дальнейшего технологического процесса.
3. При нагреве в пламенных или электрических печах поверхность деталей соприкасается с печными газами. В результате изделие может окисляется и на деталях образуется окалина. С повышением температуры и времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины вызывает угар (потерю изделия и искажает его геометрическую форму и всей детали в целом. Поверхность изделия под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет дальнейшую обработку материала, в том числе и режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в серной кислоте или очисткой в дробеструйных установках. За счет образовавшего угара материала, копоти и дыма при эксплуатации печей, они неблагоприятно воздействуют на экологию в целом.
В частности, содержащиеся вредные вещества в дыме оказывают вредное влияние на здоровье рабочего персонала. Необходимость применения системы
дымоудаления из-за негативного воздействия дыма является экономическим
минусом, а также недостатком с точки зрения занимаемой производственной площади. Также невозможность экономии площади из-за больших габаритов самих печей создает существенные сложности в их эксплуатации и рациональном использовании площади на производстве.
Таким образом, недостатками нагревательных печей является довольно продолжительное время нагрева, и большая потеря материала, уходящего в окалину, неблагоприятное воздействие на экологию, отсутствие системы контроля температуры на момент выдачи заготовок из печи, большие габариты печей, а также требование большого расхода электроэнергии, меньшая экономичность и удобство в работе.
В процессе работы печи для нагрева изделия должны обеспечить получение нагрева соответствующей температуры, минимальная усадка материала, низкий расход электроэнергии и максимальная производительность, т.е. главными факторами эксплуатации должна быть экономичность и выполнение требований экологического характера, а также сокращение трудовых ресурсов человека.
При разработке автоматизированной системы управления технологическим процессом одним из важнейших этапов процесса синтеза системы является анализ технологического процесса как объекта управления, т.е. выявление структуры процесса, определения входных и выходных переменных, нахождение математических зависимостей между входными и выходными переменными, описывающих поведение изучаемого технологического процесса. Рассмотрим данный анализ на примере технологического процесса обжига металлической части изделия. Заметим, что всякий технологический процесс предназначены для обжига и для изменения физических или физико-химических свойств подаваемого в нагревательный агрегат материального потока с затратой на это определенного количества энергии, зависящего от конструктивных и технологических особенностей агрегата. Поэтому для любого технологического процесса можно определить входной материальный поток, свойства которого изменяются в данном процессе, выходной материальный поток - результат обработки входного материального потока. Для осуществления технологического процесса в агрегат подводится энергия - входной энергетический поток.
Выходной энергетический поток отождествляется с отводимой из агрегата энергией выходных продуктов или физико-химических изменений материальных потоков.
Состояние входных материальных и энергетических потоков характеризуется некоторой совокупностью входных переменных, например, величина потока (расход вещества, энергии и т.д.) содержания отдельных компонентов, давления и т.д.
Входные переменные можно классифицировать следующим образом:
управляющие входные переменные (управляющие воздействия или просто управляющие) - те, которые можно изменить добиваясь определенной цели, например заданных характеристик металлургических процессов.
неуправляемые входные переменные (возмущающие воздействия) - те, которые невозможно изменять каким-либо образом, неуправляемые входные переменные подразделяются на контролируемые (те переменные, о численных значениях которых в любой момент или в дискретные моменты времени может быть получена информация с помощью тех или иных приборов и методов) и неконтролируемые (это те, информация о численных значениях которых недоступна).
Состояние выходных материалов и энергетических потоков характеризуется также некоторой совокупностью выходных переменных (управляемых величин) зависящих от входных переменных, как управляющих , так и возмущающих и воздействий. К выходным переменным относятся такие, как количества выходных материальных и энергетических потоков, содержание отдельных компонентов, температуры, добавления в агрегате и т.д.
Структура технологического процесса как объекта управления представлена на рис. 1.3.1. Стрелками показана взаимосвязь выходных и входных переменных (управляющих и возмущающих воздействий).
U1
Х1
1
Z1
Рис. 1.3.1 Структурная схема объекта управления
Рассмотрим вышеприведенную методику анализа технологического процесса как объекта управления на примере процесса рудотермической электроплавки медных концентратов (рис.3.2).
Описание процесса руднотермической электроплавки и самой электропечи позволяет подчеркнуть следующие особенности данного технологического процесса, как объекта управления.
1. Входными материальными потоками процесса электроплавки являются непрерывно поступающие топливо (электроэнергия) и шихта, периодически загружаемый конвертерный шлак, выходными - периодически сливаемые штейн и отвальный шлак. Однако, значительный объем шлаковой ванны, непрерывность процессов плавления шахты и шлакообразования позволяют отнести электроплавку к числу непрерывных объектов.
2. Показатели, определяющие и характеризующие протекание процесса электроплавки имеют различную физическую природу: расходы материальных и энергетических потоков, химические составы , температуры, технико-экономические показатели. Они могут быть отнесены к числу входных, выходных или режимных переменных объекта управления, управляемых или неуправляемых , контролируемых непрерывно, дискретно или неконтролируемых и т.п. (рис1.3.2). Таким образом, электротермическая плавка является многомерным объектом управления.
3. Большой объем ванны печи, значительная емкость бункеров шихтопитателей обуславливают значительную инерционность процесса плавки.
4. На процесс плавки оказывают влияние ряд медленно изменяющихся неконтролируемых фактором - старение агрегата, дрейф минералогического состава сырья, настылеобразования, приводя к нестационарности процесса.
5. Наличие неконтролируемых переменных, дискретных характер контроля ряда переменных, высокий уровень помех в каналах контроля приводят к неполноте информации о процессе.
6. Вследствие значительных геометрических размеров электропечи процессы плавления шихты распределены по поперечному сечению печи. Пространственная распределенность процесса и наличие транспортеров и других вспомогательных агрегатов обуславливают наличие значительных запаздываний по каналам данного объекта.
Q
G
Y
W
Z
процесс
электроплавки
U
Рис.1.3.2 Схема входных и выходных переменных процесса электроплавки.
1.4 Основные направления повышения эффективности технологического процесса нагрева металла
Чтобы обеспечить такие требование, предполагается заменить печи сопротивления на установки индукционного нагрева (рис 1.2).
Под индукционным нагревом понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое тело с помощью электромагнитных волн. Индукционные установки в своей основе имеют индуктор -- проводник специальной формы, питаемый переменным электрическим током. При протекании на индуктор тока возникает переменное электромагнитное поле. При возникновении переменного поля на металлические тела последние нагреваются.
Индукционный нагрев получил широкое распространение в промышленности и научных исследованиях. Развиваются новые технологические процессы, такие как высокотемпературный нагрев, нагрев металла под пластическую деформацию на промышленной и повышенных частотах.
Рисунок. 1.4.1 -Установка для индукционного нагрева.
Заменив печи на установки индукционного нагрева, предполагается установить систему контроля температуры, включающую в себя три пирометра, а также две оптические пары, контролирующие загрузку и выгрузку. Работу питания и управления нагрузки (индуктора) осуществляется тиристорным преобразователем частоты (ТПЧ). В качестве управляющей машины, получающей сигналы с пирометров о текущей температуры и с датчиков о процессе загрузки-выгрузки, предполагается использовать ПК.
Применение индукционного нагрева и перспективы его развития в условиях интенсификации производства обусловлены рядом постоянно действующих причин:
· Малая тепловая инерция установки и её постоянная готовность к работе. Разогрев газовой печи или печи сопротивления с их массивной футеровкой занимает часы, и на него затрачивается до 40% энергии, расходуется за смену.
· Простота обслуживания и особенно ремонта установки, который обычно сводится к замене индуктора , что занимает несколько десятков минут.
· Высокая надёжность из-за невысокой температуры футеровки.
· Малый угар металла, который в 2-4 раза меньше, чем в пламенных печах и печах сопротивления, благодаря высокой скорости нагрева и наличию застойной газовой среды в малом воздушном промежутке между футеровкой и нагреватльным объектом.
· Увеличение сроков службы штампов на 20-30% вследствии уменьшения слоя окалины и повышения пластичности материала из-за быстрого нагрева, что составляет одну из существенных статей экономии.
· Легкость автоматизации и механизации процесса.
· Высокая производительность и хорошее использование производственных площадей.
· Коренное улучшение условий труда благодаря резкому уменьшению выделения тепла, газов и твердых частиц по сравнению с пламенными печами и печей сопротивления.
Установления системы контроля температуры на момент выдачи заготовок поможет контролировать процесс нагрева исключить возможность получения недогретого или перегретого металла, что положительно отразится на процессе дальнейшей обработки металла. Оптические датчики будут осуществлять контроль за нахождением заготовки внутри индуктора или вне его и посылать сигнал на управляющую машину, которая обработает информацию и дает команду на выключение-включение индуктора. Блок датчиков расположенных в ТПЧ предназначены для формирования сигналов синхронизации обратной связи, защиты и сигнализации и для электрической развязки ПК от силовой схемы показана на рис. 1.4.2.
Рис.1.4.2 Силовая схема индукционной печи.
Критерием эффективности медеплавильного цеха является себестоимость 1 т. черновой меди, зависящая от удельного расхода материалов, трудовых, энергетических и денежных ресурсов.
При этом другие показатели работы цеха не должны выходить за определенные пределы (ограничения).
Совокупность критерия и показателей эффективности представляют собой модель выхода.
В результате возмущающих воздействий фактически выход данной системы может отклоняться от модели выхода. Возникает в связи с этим необходимость в своевременном выявлении и ликвидации нежелательных отклонений. Эту функцию управляющий орган выполняет, используя процесс обратной связи.
Цель поверхностной закалки: получение высокой твердости поверхностного слоя при сохранении вязкой середины детали. Для получения такой закалки производят быстрый нагрев детали на заданную глубину током, индуцированным поверхностным слоем металла с последующим охлаждением.
Два вида нагрева под поверхностную закалку:
1) Глубинный, когда проникновение тока в металл больше глубины закаливаемого слоя
2) Поверхностный, когда глубина проникновения тока в металл меньше глубины закаливаемого слоя
При поверхностном нагреве тепло выделяется в тонком поверхностном слое, распространяется дальше путем теплопроводности.
Зависимость температуры от глубины проникновения тока в металл имеет вид:
При глубинном нагреве энергия расходуется меньше на нагрев сердцевины детали, следовательно он более экономичный.
При глубинном нагреве тепло выделяется по всей толщине закаливаемого слоя, не требуется ждать, пока тепло распространится на требуемую глубину, как при поверхностном нагреве. Глубинный нагрев более производительный (применяется на практике). Т.к. глубина проникновения тока в металл зависит от частоты, то поверхностная закалка требует различных толщин закаливаемого слоя.
Требуемые значения глубины закаленного слоя внутри приведенных интервалов обеспечивают точное регулирование времени нагрева.
Различают следующие виды поверхностной закалки:
1) Одновременная
2) Одновременно-поочередная
3) Непрерывно-последовательная
Одновременная закалка - заключается в одновременном нагреве всей закаливаемой поверхности с последующим охлаждением поверхности. Индуктор и охладитель удобно совместить. Применение лимитируется мощностями питающего генератора. Нагреваемая поверхность не превышает 200-300 см2.
Одновременно-поочередная закалка - характерна тем, что отдельные части нагреваемой детали нагреваются одновременно-поочередно. Непрерывно-последовательная закалка - применяется в случае большой протяженности закаливаемой поверхности и заключается в нагреве участка детали при непрерывном движении детали относительно индуктора либо наоборот. Охлаждение поверхности следует за нагревом. Возможно применение отдельных охладителей или совмещенных с индуктором. ДСП являются мощным и неприятным потребителем для энергосистемы. Она работает с низким KM = 0,7 - 0,8, потребляемая из сети мощность меняется в течение плавки, а эл. режим характеризуется частыми толчками тока, вплоть до обрыва дуги эксплуатационных КЗ. Дуги генерируют высокочастотные гармоники, нежелательные для других потребителей и вызывающие дополнительные потери в питающей сети. Для повышения коэффициента мощности можно включать конденсаторы на шины главной питающей подстанции, питающие группы печей, т.к. при толчках тока РРЕАКТ колеблется в больших пределах, необходимо обеспечить возможность быстрой смены этой емкости. Для такого регулирования можно использовать высоковольтные тиристорные ключи, управляемые схемой поддержания КМ близким к 1. Для борьбы с высшими гармониками используются фильтры, настроенные на наиболее интенсивные гармоники.
Широко применяется выделение печных подстанций на самостоятельное питание, связанное с другими потребителями на напряжение 110, 220 кВ. В этом случае искажение кривых тока и напряжения у других потребителей удается удержать в допустимых пределах. Автоматический запуск в работу дуговой эл. печи с регуляторами мощности
Рассмотрение конструкций позволяет показать на возможные способы регулирования её эл. режима:
1) Изменение подводимого напряжения (UВТОР на Т).
2) Изменение сопротивления дуги, т.е. изменение ее длины.
В современных установках используются оба способа. Грубая регулировка режима осуществляется переключением ступеней вторичного напряжения трансформатора, точное - с помощью механизма перемещения. Управление механизмами перемещения электродов осуществляется с помощью использования автоматических регуляторов мощности (АРМ). АРМ должны обеспечивать:
1) Автоматическое зажигание дуг
2) Автоматическое устранение обрывов дуги и эксплуатационного КЗ.
3) Быстродействие около 3 секунд при устранении обрывов дуги эксплутационного КЗ
4) Апериодический характер процесса регулирования
5) Возможность плавно изменять мощность, вводимую в печь, в пределах от 20-125% от номинальной и поддерживать ее с точностью 5%.
6) Остановка электродов при исчезновении UПИТ.
Апериодический характер процесса регулирования необходим, чтобы исключить опускание электродов жидкий металл, что может науглеродить его и испортить плавку, а также исключить поломку электродов при контакте их с твердой шихтой. Выполнение этого требования обеспечивает защиту от перечисленных выше режимов при аварийном или рабочем отключении печи. Как видно их эл. режима печи, активная мощность, потребляемая печью, и мощность дуги имеют четко выраженный экстремум. По этой причине заданное значение активной мощности, вводимой в печь, может быть обеспечено при двух различных значениях КПД и cos.. Такая двузначность не позволяет применять для управления печью регуляторы, реагирующие непосредственно на активную мощность. Для стабилизации нужной рабочей точки на электрических характеристиках поддерживают постоянным полное сопротивление фазы (UI). Такие регуляторы строятся по дифференциальному принципу.
Двигатель постоянного тока может с помощью механизма перемещения перемещать электрод вверх или вниз. Конденсаторы, включающие двигатель на подъем КВ или вниз КН управляются балансным реле КУ. КУ имеет обмотку тока и обмотку напряжения. В том случае, если ампер-витки этих обмоток одинаковы, контакт балансного реле находится в нейтральном положении, питание на КВ и КН отсутствует, следовательно, двигатель и электрод неподвижны. Данное состояние соответствует заданной величине сопротивления R=UI. При нарушении требуемого соотношения ампер-витки КУ преобладают, контакт КУ замыкает соответствующую цепь соотв. контактора. Двигатель перемещает электрод вверх или вниз до наступления нового состояния равновесия. Электрическая дуга - это разряд в газе, характеризуется высокой степенью ионизации газа, высокой плотность тока, также температурой газа в несколько тысяч градусов и ярким свечением. Основную роль в дуговом разряде имеют электроны, имеющие высокую подвижность. Наличие свободных электроном в области дугового разряда объясняется:
1) Ионизацией (наличие) газа
2) Эмиссией электронов с поверхности катода
Ионизация газа в дуговом разряде обусловлена в основном действием высоких температур, т.е. термоионизацией, в меньшей степени ионизирующим действием излучения дуги с фотоионизацией. Эмиссия электронов катода объясняется бомбардировкой катода в ускоренном электрическом поле положительными ионами, также фотоионизацией поверхности катода, излучением дуги и нагревом катода до значительной температуры Кроме того, высокое значение направленности электрического поля у поверхности катода приводит к мощной автоэлектронной эмиссии, при которой поле вырывает электроны с поверхности катода. Бомбардировка электронами разогревает анод, вследствие этого температура анода оказывается выше температуры катода. Температура анода составляет 4900, а температура катода от 3000 до 4000 °С. При остывании температура анода меньше 600, а катода 3300 - 3400 °С.
Если дуга горит между электродом и расплавом металла, то при отрицательной полярности на электроде дугу принято называть дугой прямой полярности. При обратной полярности на электроде - дуга обратной полярности. Напряжения зажигания дуги составляет при угольных электродах 40 - 45 В, при стальных электродах 30-35 В. При токах свыше 100 А напряжение на дуге будет определяться следующим выражением:
Статическая ВАХ снимается в условно установившемся тепловом равновесии между столбом дуги и окружающей средой и устанавливается процессом ионизации и рекомбинации. При быстрых изменениях тока кривая изменения напряжения не соответствует статической ВАХ, поскольку новое состояние равновесия устанавливается не сразу.
Данная характеристика имеет ярко выраженный вид гистерезисной петли, ширина петли определяется тепловой инерцией разряда и частотой тока. Их этого видно, что процессы в электрической дуге имеют очень сложный характер. Картина еще более осложняется при питании дуги переменным током.
Повторное зажигание дуги обеспечивается при высокой температуре окружающего пространства либо в атмосфере газов либо паров с низкими потенциалами ионизации. По этой причине применяют электроды, покрытые слоем обмазки, в состав которых входят ионизирующие вещества (калий и кальций).
Горение дуг переменного тока с голым электродом в обычной атмосфере неустойчиво, введение индуктивности в цепь дуги переменного тока позволяет сократить длительность перерывов горения дуги и сократить перерывы горения. ЭДС самоиндукции поддерживается на уровне, достаточном для горения в течение всего полупериода.
Для достаточно устойчивого горения дуги cos. должен быть равен 0,4 при токе до 100 А, при токе дуги равным 100-200 А cos. равен 0,4 - 0,5. При токе дуги 200 - 400 А cos. = 0,5-0,7.
Работа индукционной тигельной печи основана на поглощении электромагнитной энергии проводящей садки. Садка размещена внутри цилиндрической катушки, называемой индуктором.
Реальные индукционные тигельные печи имеют механизм загрузки - выгрузки и систему водяного охлаждения индуктора.
Тигель печи на время плавки закрывают футерованной крышкой. Иногда печь снабжают внешними магнитопроводами, снижающими активные потери в металлическом кожухе из-за рассеяния. С электрической точки зрения, индукционная тигельная печь представляет собой короткозамкнутый воздушный трансформатор, вторичной обмоткой которого является проводящая садка. Такое выполнение печи имеет некоторые технологические преимущества:
1) Непосредственное выделение тепловой энергии проводящей садки повышает КПД установки, позволяет получать высокие температуры, необходимые для выплавки тугоплавких металлов.
2) Металл в тигле интенсивно перемешивается благодаря электродинамическому взаимодействию электромагнитного поля индуктора и вихревых токов в жидком металле. Это позволяет получить металл высокого качества.
3) Имеется возможность полностью изолировать тигель от окружающей среды и проводить плавку под вакуумом или специальной, необходимой по технологии атмосфере (инертные газы).
Эти преимущества в большей степени реализуются при выплавке чугунов. Однако построение печи в виде воздушного трансформатор имеет недостатки:
1) Эти трансформаторы более эффективны на высоких и повышенных частотах. Это вынуждает во многих случаях питать тигельные печи от источников питания, работающих в диапазоне от 500 до 10000 Гц.
2) Значительное рассеяние воздушного трансформатора обуславливает весьма низкое значение cos. (0,05 - 0,2),. Такое низкое значение cos. заставляет как на частоте 50 Гц, так и на повышенных частотах использовать емкостную компенсацию реактивной мощности в цепи индуктора. Тигельную печь вместе с параллельной компенсирующей емкостью часто представляют в виде параллельно соединенных активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.
xL, R - сопротивления системы индуктор-садка. xC - емкостное сопротивление компенсирующей батареи.
Величины xL, R в значительной степени зависят от режима работы печи. На них оказывают влияние осадка, спекание, оплавление шихты, температура в тигле, размеры кусков шихты, равномерность ее измельчения и др.
t1: нагрев твердой шихты до точки Кюри - это такая точка, при которой теряются магнитные свойства ферромагнетика.
t2: дальнейший нагрев шихты, потерявшей магнитные свойства до полурасплавления.
Значительное изменение сопротивлений системы индуктор-садка во время плавки приводит к значительным колебаниям активной и реактивной мощности, потребляемой печью. Это вынуждает использовать автоматическое регулирование режима работы
Благодаря подключению компьютера возрастет скорость обработки информации, поступающей с датчиков и пирометров всего технологического процесса, существенно уменьшит время протекания всего технологического процесса, существенно уменьшит трудовые ресурсы и сведет к минимуму роль человека.
2.Техническая часть
2.1.Техническое проектирование процесса в индукционных печах
Ряд выше перечисленных преимуществ создаёт благоприятную почву для автоматизированных применения установок индукционного нагрева на производстве вместо габаритных газопламенных печей и печей сопротивления.
Так, например, производственный процесс, выполняемый в цехах оценивается четырьмя показателями: производительностью процесса, длительностью цикла осуществления заданного объема работ, количеством материальных, трудовых, энергетических и денежных ресурсов, расходуемых на единицу работы, количеством результатов работы, в единицу времени.
В зависимости от требований, предъявляемых к выходу данной системы соответствующими потребителями ее продукции, один из показателей выбирается в качестве главного или критерия эффективности. Его величина должна быть max или min.
Производственная система, на примере данного цеха , представлен на рис. 1.4.3.
ДМЗ
БЦПШ
МПЦ
Электро.
цех
Цеха
Плавильный участок
Конверторный участок
Анодный участок
Участка
...
Агрегат №1
Агрегат №2
Конвертор№1
Конвертор№4
Уровень агрегатов
Рис. 1.4.3. Структура нагревательного цеха
В данной части курсового проекта произведен выбор элементов оборудования, разработаны алгоритм работы системы и структурная схема, а также осуществлен тепловой и электрический расчет индуктора.
Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений:
1) Закон электромагнитной индукции;
2) Поверхностный эффект;
3) Эффект близости;
4) Изменение свойств стали в процессе нагрева.
При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой заготовке. Кратко охарактеризуем эти явления.
Для метода индукционного нагрева значение электромагнитной индукции состоит прежде всего в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый объект, не прибегая контактам.
Поверхностный эффект является основой индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхности проводника.Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока.Эффект близости представляет собой разновидность поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников с током, входящим в рассматриваемую систему. Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости показана на рис. 2.2.1
Рисунок.2.2.1-Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте
близости
Используя эффект близости, можно подобрать соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.
Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между
проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, то есть чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.
На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.
Рисунок 2.2.2-Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена
нагреваемая деталь.
Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.
С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление ρ возрастает и выше 1000˚С достигает своего максимального значения.
Магнитная проницаемость в интервале 600-700˚С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (μ=1).
Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780˚С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.
Таблица 2.2.7 Глубина проникновения тока в металл при различных частотах
Частота тока, Гц
Глубина проникновения тока, см
Сталь 45
Электрическая медь
При t=15ºС,
P=2·10[-5]О[м]·см,
Μ=40ГсЭ
При t=800˚С,
P=10[-4]Ом·см,
Μ=1 ГсЭ
При t=15˚С,
P=1,8·10[-6]Ом·см,
Μ=1 ГсЭ
50
2500
10000
100000
1000000
0,5
0,067
0,034
0,011
0,0034
7,0
1,0
0,5
0,16
0,05
1,0
0,13
Типовые схемы регулирования температуры представлены на рис.2.2.8 и рис.2.2.9
В данном баке температура должна поддерживаться постоянной. В этом примере все сигналы аналоговые, т.е. изменение температуры отслеживается непрерывно (в отличии от предыдущего примера, где проверялось лишь превышение порогового значения), а подача тепла может регулироваться плавно. Измерения производятся периодически, например каждую секунду, и поступают в компьютер. Текущее значение температуры сравнивается с заданным (опорным), которое хранится в компьютере. Величина нагрева или охлаждения рассчитывается по разности между заданным и измеренным значениями (рис. 2.2.8).
ТЕ
нагреватель
Контроллер
Бак
Текущее значение температуры
Сигнал управления нагревателем
Опорное (заданное) значение температуры
Управляющий компьютер
~
Рис.2.2.8. Система регулирования Рис.2.2.9. Контур управления - система
температуры. регулирования температуры.
информация
(рекомендации по управлению)
ТОУ
исполнительные механизмы
источники
информации (датчики)
устройства
логического управления
САР
пульт управления
устройство отображения информации (мнемосхемы)
вычислительный комплекс
оператор-технолог
Регуляция величины
Управление величины
Вышестоящая АСУ
2.2.Расчет устойчивости системы
В расчетной части нам необходимо рассчитать возможность управления контроллера и его команды с действием регуляторов температуры нагревательной печи.
Эффективность систем автоматического регулирования зависит от правильного выбора автоматического регулятора.
Приступая к проектированию, необходимо учесть особенности технологического процесса, устройство, возмущения и управляющие воздействия, с помощью которых можно изменить значения регулируемых величин.
Объект регулирования - температура печи, регулируемая величина - температура
Необходимые показатели качества регулирования:
- Максимальное динамическое отклонения регулируемой величины.
t, ˚С = 20˚С
- Время регулирования tp = 10с
- Система регулирования должна обеспечить апериодический переходный процесс
Для выбора автоматического регулятора необходимо знать статические и динамические характеристики объекта. Статической характеристикой объекта называется зависимость регулируемой величины от регулирующего воздействия в различных установившихся режимах.
Рисунок 3.1.1 Статическая характеристика
Рисунок 3.1.2 Статическая характеристика
τ=2 с,
τТ= 22,5=0,8 ,
К об.=∆t∆М=205=4
На основании отклонения τТ=0,8 принимается регулятор непрерывного действия.
По графикам характеризующим процесс выбора закона управления по динамическим параметрам определяем динамический коэффициент Rд который характеризует степень воздействия регулятора на стабилизацию технологического параметра.
При τТ=0,8 по таблицам определяем Rд и рассчитываем расчётное время регулирования.
Расчётное время регулирования не превышает требуемого времени, следовательно для данного объекта управления применяется пропорциональный закон управления имеющий Rд =0,85 и tp τ =8 (с) т.к он обеспечивает оптимальное время 10 сек.
Расчет параметров настройки Кр по приближённой формуле
Кр = 0,3*ТКоб* τ =0,3*2,54*2 =0,09
Кр проверяется по графическим зависимостям
Кр=КсКоб =0,354 =0,087
С помощью уравнения проверяется устойчивость системы управления с использованием критериев Гурвица и Михайлова.
Система автоматического управления описана дифференциальным уравнением.
Критерий Гурвица
35р[3]+14р[2]+18,5р+1=0
а1=35а2=14 а3=18,5а4=1
∆1=а1=350,
∆2=а1*а2+0*а3=35*14=4900,
∆3=а1*а2*а3+0*а1*0+а4*0*а3+0*а2*0+а 4*а1*а1+а3*0*а3=35*14*18,5=90650
Согласно условию критерия Гурвица система устойчива.
Критерий устойчивости Михайлова.
35р[3]+14р[2]+18,5р+1=0,
p= iω,
35iω+14iω-18,5iω+1=0,
-35iω[3]-14iω[2]+18,5iω+1=0
Исходное уравнение делится на два равенства действительное и мнимое.
U(ω)=-14iω[2]+1=0,
V(ω)=-35iω[3]-18,5iω=0
Придавая ω значение ω=0; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2; результаты расчета действительной и мнимой частей сводится в таблицу 11.
Таблица 3.1.3Таблица действительных и мнимых значений
ω
0
0,25
0,5
0,75
1
1,5
2
U(ω)
1
-0,875
-2,5
-6,875
-13
-20,875
-55
V(ω)
0
5,165
4,875
0,885
-16,25
-45,714
-243
Рисунок 3.1.4 Годограф
Согласно условию Михайлова система устойчива
Следующая регулируемая величина - температура охлаждающего регулятора, объект регулирования плавительная печь.
Необходимые показатели качества регулирования:
- Максимальное динамическое отклонения регулируемой величины.
t, ˚С = 10
- Время регулирования tp = 15с
- Система регулирования должна обеспечить апериодический переходный процесс
Рисунок 3.1.5 - Статическая характеристика
Рисунок 3.1.6 - Кривая разгона
τ=1 с,
τТ= 12,6=0,38 ,
К об.=∆Р∆М=25=0,4
На основании отклонения τТ=0,38 принимается регулятор непрерывного действия.
По графикам характеризующим процесс выбора закона управления по динамическим параметрам определяем динамический коэффициент Rд который характеризует степень ... продолжение
Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.
Похожие работы
Дисциплины
- Информатика
- Банковское дело
- Оценка бизнеса
- Бухгалтерское дело
- Валеология
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Религия
- Общая история
- Журналистика
- Таможенное дело
- История Казахстана
- Финансы
- Законодательство и Право, Криминалистика
- Маркетинг
- Культурология
- Медицина
- Менеджмент
- Нефть, Газ
- Искуство, музыка
- Педагогика
- Психология
- Страхование
- Налоги
- Политология
- Сертификация, стандартизация
- Социология, Демография
- Статистика
- Туризм
- Физика
- Философия
- Химия
- Делопроизводсто
- Экология, Охрана природы, Природопользование
- Экономика
- Литература
- Биология
- Мясо, молочно, вино-водочные продукты
- Земельный кадастр, Недвижимость
- Математика, Геометрия
- Государственное управление
- Архивное дело
- Полиграфия
- Горное дело
- Языковедение, Филология
- Исторические личности
- Автоматизация, Техника
- Экономическая география
- Международные отношения
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда
