Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема совершенствования технологии нагрева жидкости при производстве строительных мастик 9
1.1 .Особенности применения индукционных нагревателей в теплообменных аппаратах 9
1.2. 3адача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных аппаратов с индукционным нагревом 21
2. Идентификация объекта индукционного нагрева 25
2.1 .Постановка задачи и выбор метода решения 25
2.2. Методика моделирования электромагнитных источников тепла 30
2.2.1. Конечно-элементная модель электромагнитной задачи 31
2.3.Моделирование температурных полей в системе «индуктор — стенка трубы — жидкость»
2.3.1. Анализ распределения скоростей в потоке жидкости ...51
2.3.2. Обобщённая структура модели температурного поля 59
3. Оптимизация параметров установки и синтез регулятора в системе с запаздыванием 65
3.1. Постановка задачи оптимального проектирования 65
3.2. Оптимальное проектирование конструкции теплообменного аппарата с индукционным нагревом жидкости 68
3.3 .Передаточные функции объекта управления 71
3.4.Синтез многомерной САР режимом индукционного нагрева 75
4. Реализация системы индукционного нагрева в технологическом комплексе производства строительных мастик 89
Заключение 93
Литература
- 3адача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных аппаратов с индукционным нагревом
- Методика моделирования электромагнитных источников тепла
- Оптимальное проектирование конструкции теплообменного аппарата с индукционным нагревом жидкости
- Реализация системы индукционного нагрева в технологическом комплексе производства строительных мастик
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию конструкции и режимов работы индукционных нагревателей непрерывного действия в установках по производству строительных мастик.
Актуальность проблемы: В строительной, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для обработки реакционных масс, при изготовлении строительных мастик для мягкой кровли и дорожных покрытий на базе продуктов нефтепереработки находят все более широкое применение теплообменные аппараты непрерывного действия с индукционным нагревом до температур в интервале 50-600 °С.
Опыт применения индукционных установок для нагрева неэлектропроводных жидких и сыпучих материалов показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. По сравнению с другими видами нагрева индукционный нагрев обладает рядом преимуществ, которые заключаются в экономичности, избирательности и высокой интенсивности нагрева. Однако, на пути реализации преимуществ индукционного нагрева возникает ряд специфических проблем. К их числу относится проблема разработки и реализации конструкции нагревателя с оптимальными энерготехнологическими характеристиками и систем управления, минимизирующих энергозатраты на нагрев в условиях жестких технологических ограничений.
Внедрение эффективных технологий, использующих индукционный нагрев, требует предварительного исследования процессов методами физического и математического моделирования. В настоящей работе за основной технологический параметр рассматриваемой системы принимается температурное распределение в движущемся потоке неэлектропроводного материала, нагреваемого посредством теплопередачи от промежуточного тепловыделяющего цилиндра. Для получения адекватного описания процессов нестационарной теплопроводности в рассматриваемой системе требуется решение комплексной задачи, включающей в себя электромагнитные процессы в системе «индуктор -металл», процесс тепловыделения в металлическом цилиндре и процесс теплопередачи от него к нагреваемому продукту, причем, процесс теплообмена между металлической стенкой и потоком жидкости осложняется наличием их взаимного перемещения. Рассматриваемые процессы относятся к наиболее сложным с точки зрения математического моделирования объектам с распределенными параметрами.
При разработке математической модели нагрева жидкости в теплообменном аппарате с электромагнитными источниками тепла необходимо так же решить гидравлическую задачу, поскольку для получения точного распределения температурного поля в нагреваемом объекте, представляющем собой поток жидкости, движущийся с определенной скоростью, необходимо учитывать неравномерное распределение скорости жидкости по сечению и ее влияние на температурное распределение.
Решение практически важных задач проектирования, эксплуатации и автоматизации высокоэффективных индукционных нагревателей требует комплексного подхода, включающего разработку адекватных моделей сложных электромагнитных и тепловых процессов в сопряженных физически неоднородных средах, оптимизацию конструкций индукционных нагревателей и алгоритмов управления, обеспечивающих качественное функционирование всего технологического комплекса.
В этой связи актуальными являются задачи исследования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор — металл — нагреваемый поток жидкости», разработки методики проектирования энергоэффективных нагревательных установок на основе индукционного способа нагрева и синтеза алгоритмов и систем управления.
Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (гос. регистрационный № 01200208264) по заданию Министерства образования РФ.
Цель работы, является разработка оптимальной конструкции индукционной системы для непрерывного нагрева потока жидкости на основе выявленных закономерностей, построение на базе проведенных исследований высокоэффективных технологических установок и систем управления для рассматриваемых объектов.
Решение поставленных задач составляет основное содержание диссертационной работы, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете. е. Методы исследования. Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, аппарата преобразований Лапласа, теории электромагнитного поля, теории оптимального управления систем с распределенными параметрами, теории оптимального проектирования, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.
Достоверность результатов работы оценивалась путем сравнения с результатами численных экспериментов и частично с данными, полученными в работах других авторов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты: - численная и аналитическая математические модели процесса теплопроводности при индукционном нагреве осесимметричных физически неоднородных тел с относительным перемещением, ориентированные на решение задач проектирования и автоматического управления нагревательными комплексами; • -методика расчета конструкции нагревателя непрерывного действия с минимальной длиной индукционной системы; -структура замкнутой системы автоматического регулирования температуры битума в многосекционном теплообменном аппарате с индукционным нагревом.
Полученные в работе результаты позволяют на качественно более высоком уровне решать инженерные задачи расчета параметров индукционных щ нагревательных установок, выбора источника питания, расчета оптимального режима работы и синтеза алгоритмов и систем автоматического управления объектами индукционного нагрева в специализированных технологических процессах.
Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:
- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета электромагнитных и тепловых полей при непрерывном индукционном нагреве жидкости с учетом неравномерного по сечению распределения скорости потока жидкости;
- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для теплообменных аппаратов в установках технологического нагрева вязких жидкостей;
- предложена структурная схема системы, реализующей оптимальный алгоритм управления объектом с запаздыванием на базе управляющей микропроцессорной техники;
- на основании проведенных исследований создана электротермическая установка непрерывного действия для нагрева битума в технологической линии производства строительных мастик.
Полученные электромагнитная и тепловая модели позволяют использовать их не только для решения конкретно поставленной задачи, но и для других практически важных задач технологического нагрева.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 1999), на 7-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2001), на 2-й Международной конференции молодых учёных и студентов (г.Самара, 2001), на научно-технической конференции «Электротехнология на рубеже веков» (г. Саратов, 2001), на 11-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2001), на 6-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2002), на 12-й межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2002).
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 93 страницах машинописного текста; содержит 41 рисунок, 2 таблицы, список использованных источников из 138 наименований и 2 приложения.
На защиту выносятся следующие положения;
— Математические модели процесса нестационарной теплопроводности в системе «индуктор-металлическая труба-жидкость», ориентированные на решение задач оптимального проектирования и управления теплообменными аппаратами непрерывного действия с индукционным нагревом.
— Рекомендации по выбору оптимальных параметров индукционных нагревателей для теплообменных аппаратов, обеспечивающих минимум удельных энергозатрат.
— Специализированная установка непрерывного индукционного нагрева для технологического комплекса по производству строительных мастик.
Краткое содержание работы.
В первой главе проведен обзор работ, посвященных современному состоянию теории и практики в области индукционного нагрева, использованию индукционных нагревательных установок в различных технологических процессах. Показан ряд специфических особенностей исследуемой в настоящей работе установки.
Рассмотрены технология изготовления строительных мастик, а также другие технологии, составной частью которых является нагрев нефтепродуктов.
Проведён сравнительный анализ существующих в настоящее время способов нагрева жидкостей и в том числе электрический нагрев (индукционный и косвенный нагрев сопротивлением). Показаны существующие конструкции индукционных нагревателей жидкости.
Во второй главе рассмотрены задачи численной и аналитической идентификации объекта управления, гидравлический расчет, предложена методика расчета электромагнитного и температурного полей при непрерывном движении потока жидкости через нагреватель с учетом неравномерного распределения скоростей потока жидкости по сечению. Разработана программа расчёта плотности тока и мощности источников внутреннего тепловыделения в цилиндрических трубах. Также разработана программа, предназначенная для получения точной картины температурного поля при движении жидкости через теплообменник.
Проведён анализ функции распределения внутренних источников тепла. Даны рекомендации по выбору оптимальной конструкции и параметров индукционных нагревателей и теплообменного аппарата исходя из требований технологии производства и для достижения наименьших затрат энергоресурсов.
В третьей главе решаются задачи оптимизации конструктивных характеристик нагревателя процессами индукционного нагрева изделий в специализированных установках утилизации.
Определяется методика выбора оптимальных характеристик и режимов работы индукционных нагревателей, базирующуюся на системном подходе, с помощью которого могут быть решены различные частные задачи оптимального проектирования технологического оборудования.
При решении задачи оптимального проектирования проводится процесс выбора управляемых переменных, лежащих в некоторой допустимой области и обеспечивающих оптимальное значение критериев оптимальности.
В качестве основных критериев, характеризующих индукционный нагрев жидкости, принимаются критерии, отражающие качество нагрева (достижение требуемого диапазона температур на выходе из теплообменного аппарата), энергетические показатели установки (удельное потребление энергии), капитальные и эксплуатационные затраты, габаритные размеры установки.
На основании проведенных расчетов разработана оптимальная конструкция индуктора, отвечающая рассматриваемым критериям.
Рассмотрены вопросы разработки и реализации оптимальных алгоритмов функционирования нагревательной установки в переходных режимах работы при смене производительности установки и изменении физических свойств исходных материалов.
Осуществлена компенсация запаздывания в системе, обусловленного транспортированием жидкости вдоль нагревателя.
В четвертой главе рассмотрена реализация системы индукционного нагрева в технологической линии по производству строительных мастик.
Алгоритмы оптимального управления установкой реализованы на базе рабочей станции. Рабочая станция AWS - 825 В/ 825РВ соединяется с внешними устройствами с помощью преобразователей ADAM-4018 и ADAM-4021, выпускаемых фирмой Advantech (США).
3адача оптимизации конструкции и режимов работы теплообменных аппаратов с индукционным нагревом
Высокая эффективность работы технологической установки возможна только при использовании системного подхода при постановке и решении задач оптимизации установки. Наилучших результатов можно добиться, если оптимизировать установку на стадии проектирования. Оптимальное проектирование установок для нагрева теплообменных аппаратов подразумевает под собой решение ряда задач. Это оптимальное проектирование конструкции индукционной системы и теплообменного аппарата, а также оптимизация режима технологического процесса. Первоочередной является задача выбора конструкции индукционной системы и теплообменного аппарата. После выбора оптимальной конструкции, на втором этапе решается задача оптимизации режима технологического процесса. Его целью является нахождение такого управления H(r,L,t), при котором нагреваемый продукт достигает на выходе из теплообменного аппарата температуры T3ab(r,L,t) за минимальное время tmi„ с минимальными затратами энергии, г, L - координаты радиуса и длины теплообменного аппарата, t - время. Под оптимальным проектированием понимается процесс принятия наилучших (оптимальных) в некотором смысле решений с помощью ЭВМ [7]. Это подразумевает, что в процессе поиска наилучшего решения требуется проводить выбор из большого количества возможных решений. При этом выбор диктуется стремлением получить наивысшие технико-экономические показатели проектируемой системы при выполнение предъявляемых к проекту условий.
Вопросы проектирования индукционных нагревательных установок были впервые подробно рассмотрены в работах А.Е. Слухоцкого, B.C. Немкова, М.Г.Когана, А.А. Простякова, А.Н. Павлова и др. [42, 44, 59, 74, 77, 78, 89, 90, 98, 114].
Вопросам оптимального проектирования посвящено большое количество работ [1, 4-7, 9, 18, 63, 115], в том числе в области индукционного нагрева [8, 28, 47-50, 53, 103, 111, 128] Современное состояние электронно-вычислительных машин позволяет при проектировании анализировать широкий спектр варьируемых параметров и разработать оптимальную конструкцию индукционной системы, удовлетворяющую технологическим требованиям.
В настоящее время существует два основных направления в теории оптимального проектирования. Первое направление использует вариационные исчисления и принцип максимума [2, 85, 97, 107]. В этом случае проблема оптимизации сводится к нахождению условного экстремума сформулированного функционала качества, который принимается за критерий оптимальности. Данный способ достаточно просто реализуем, но требует значительных упрощений и как следствие может привести к решению, которое невозможно будет реализовать в реальных условиях. Но при этом он может показать возможности системы в так называемых идеальных условиях и наметить пути её оптимизации. Второе направление в теории оптимального проектирования использует структурную и параметрическую оптимизацию технических объектов [4-6, 7, 9, 18, 108, 115, 125, 129, 130]. Оно позволяет решать более широкий круг задач с учётом существующих в системе ограничений и предпочтений. При этом проектировщик может принимать непосредственное участие в поиске оптимального решения, посредством диалога с ЭВМ. В связи с этим второе направление получило наибольшее распространение в теории оптимального проектирования и оно же используется в данной работе.
Рассматриваемая в работе задача имеет свои особенности, обусловленные спецификой процесса. Нагрев продукта осуществляется в проходном индукторе до температуры T3ad(r,L,t), при этом температура наиболее нагреваемого наружного слоя не должна превысить наибольшего значения TK0KC(r,L,t), при котором начинается процесс коксования. Таким образом требуется получить такие конфигурацию и значение температурного поля каждой зоны, чтобы обеспечить максимальный нагрев продукта, при ограничении максимальной температуры его наружного слоя. Решение этой задачи возможно при использовании распределённого управления, позволяющего достичь в каждой зоне необходимого распределения температуры.
Для оптимального проектирования необходимо иметь математическую модель рассматриваемого объекта, меняя значения параметров которой, мы получаем экстремальные значения необходимых величин, при условии соблюдения накладываемых ограничений. Точная математическая модель, адекватно описывающая происходящие процессы, может быть получена только при наличии полной информации о процессе нагрева с учётом разнородности нагреваемых материалов, геометрии системы и взаимных перемещений. Задача принятия решения сводится к задаче нелинейной оптимизации. Это требует оценки каждого варианта в виде числовой характеристики (критерия) и выбора лучшего варианта с наибольшим (или наименьшим) значением. Но критерии качества, характеризующие техническое устройство, зачастую противоречивы, т.е. улучшение одной характеристики приводит к ухудшению другой. Для решения подобной многокритериальной задачи необходимо учитывать относительную важность частных критериев оптимальности. Наиболее распространенный способ учёта предпочтений - назначение критериям весовых коэффициентов. Но неопределенность остаётся, т.к. одинаковые предпочтения могут определить совершенно разный набор весовых коэффициентов.
Методика моделирования электромагнитных источников тепла
Основным управляющим воздействием в установках индукционного нагрева являются распределенные по объему нагреваемого изделия внутренние источники тепла, индуцированные электромагнитным полем индуктора. Характер распределения вихревых токов зависит от многих факторов, обусловленных электро- и теплофизическими свойствами нагреваемого материала, частотой источника питания, температурой нагрева и др. Нагрев немагнитных материалов сопровождается существенным изменением удельного сопротивления в процессе нагрева, а индукционный нагрев ферромагнитных материалов, кроме того, характеризуется существенным изменением магнитной проницаемости металла и, соответственно, глубины проникновения тока. К тому же, как известно из различных источников [38, 77], даже для тел правильной цилиндрической формы характерно наличие существенных краевых эффектов в распределении напряженности магнитного поля, которые в конечном итоге оказывают влияние на характер распределения внутренних источников тепла. Следовательно, для анализа динамических свойств объекта управления, синтеза высокоточных систем регулирования температуры необходимо знать зависимость характера распределения внутренних источников тепла в металле в процессе нагрева.
Для составления целостной картины изменения характера распределения плотности тока и мощности в загрузке в процессе нагрева, возможности аналитического описания функции распределения внутренних источников тепла требуется последовательное решение электромагнитной и тепловой задач. Разделение во времени процедур расчета электромагнитного поля и теплового поля объясняется разной инерционностью этих процессов. Поэтому электромагнитная задача может быть сформулирована как стационарная, а тепловая имеет в дифференциальном уравнении временную производную первого порядка. Все это позволяет создать полностью или частично независимые процедуры расчетов электромагнитного и теплового полей.
Решению электромагнитной задачи в различных областях науки посвящено множество трудов [38, 62, 90, 93, 114, 123]. Разработка аналитических методов позволила получить решения для тел правильной геометрической формы. При выводе соответствующих выражений было сделано определенное допущение о равномерности электрического и магнитных полей вдоль плоскости, нормальной к рассматриваемой координате. Дальнейшие усилия в этом направлении [77] позволили повысить точность решения путем введения поправочных коэффициентов, что дало возможность учесть конечность размеров индуктора. К сожалению, эти меры сказались лишь на определении интегральных параметров индуктора, а распределение внутренних источников в загрузке осталось равномерным по длине индуктора.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что электромагнитную задачу в рассматриваемой работе целесообразно решать одним из численных методов, а именно— методом конечных элементов, который позволяет просто учитывать ферромагнитные свойства материала теплообменного аппарата [72, 93, ПО, 120, 121, 122, 118]. Важным является тот факт, что эти задачи вполне удовлетворительно описываются двумерными моделями, что приводит к существенной экономии машинных ресурсов.
Эти уравнения относятся к параболическому типу и являются векторными аналогами уравнения теплопроводности (диффузии). В общем случае Е зависит от распределения поля во всей системе и, строго говоря, не может считаться сторонней величиной. Напряженность Е и соответствующие электрические заряды распределяются по длине проводников ( индуктирующего провода и загрузки ) таким образом, что нормальная составляющая плотности тока Jn на их поверхностях равна нулю.
Сущность подхода, основанного на МКЭ [118], заключается в исследовании глобальной функции процесса, в данном случае векторного потенциала А, в дискретных частях анализируемой области Q, которая должна быть предварительно разбита на конечные смежные подобласти (КЭ), что позволяет свести задачу с бесконечным числом степеней свободы к задаче, содержащей конечное число параметров. При этом внутри подобластей искомая функция интерполируется степенными полиномами, сшивается на границах контакта элементов, и при условии малости геометрических размеров последних (число элементов стремится к бесконечности), оказывается решением уравнений в частных производных типа (2.29) - (2.31).
Оптимальное проектирование конструкции теплообменного аппарата с индукционным нагревом жидкости
Следующим этапом после выбора конструктивного решения будет оптимизация геометрических параметров теплообменного аппарата и индуктора. Как упоминалось ранее, в ходе оптимизации мы можем варьировать диаметром и длинной наружной и внутренней трубы аппарата, а также индуктора. При этом для каждого соотношения диаметров необходимо обеспечить равенство поверхностных мощностей в наружной и внутренней трубах теплообменного аппарата, посредством выбора необходимого соотношения толщин труб. Для оптимизации конструкции рассматриваемой установки используем метод, основанный на процедуре зондирования пространства параметров проектируемой установки в точках равномерно распределённых ЛПт-последовательностей [115].
Для определения передаточных функций объекта необходимо сделать ряд уточнений и допущений. Нагрев осуществляется системой индукторов расположенных осесимметрично вокруг теплообменного аппарата, система нагрева функционирует на интервалах возрастания и стабилизации температуры, потерями через стенки теплообменного аппарата в окружающую среду можно пренебречь, коэффициенты теплообмена на протяжении всего процесса нагрева можно считать неизменными из-за невысоких температур нагрева.
Анализ полученных с помощью численных методов расчетов температурных полей показал, что перепад температур по сечению в процессе нагрева не достигает предельно допустимых значений, поэтому достаточную для практических целей точность дает аппроксимация процесса непрерывного нагрева математической моделью для средней температуры. Для рассматриваемых процессов подобная аппроксимация дает вполне удовлетворительную точность, что позволяет весь последующий анализ динамики исследуемого процесса и синтез оптимальных алгоритмов управления для рассматриваемого класса объектов выполнить для средней температуры.
Для реализации системы автоматического управления в рассматриваемой установке необходимо установление обратной связи по температуре нагреваемого продукта. В конце каждой зоны установлены термопары. Одна в защитном кожухе помещена в нагреваемый продукт, другая заглублена в наружную трубу теплообменного аппарата. Термопара, установленная в наружной трубе теплообменного аппарата, используется для ограничения максимальной температуры теплообменного аппарата.
В переходных режимах работы индукционного нагревателя теплообменного аппарата, таких, как, например, изменение производительности установки, изменение физических свойств компонентов, требуется обеспечить минимум отклонения температуры на выходе теплообменного аппарата с минимальной потерей темпа нагрева. Поскольку точность нагрева является необходимой предпосылкой для обеспечения высокого качества конечного продукта, необходимо определить оптимальные алгоритмы управления многозонной индукционной нагревательной установкой для нагрева строительной мастики.
СРП имеют свои особенности при проектирование управляющих устройств [106]. Простейшим методом синтеза регуляторов является исходная дискретизация, при которой исходная модель с распределёнными параметрами заменяется упрощенной моделью с сосредоточенными параметрами в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений на ранних этапах расчета. Это позволяет использовать все методы для систем с сосредоточенными параметрами без учёта распределенности параметров. Слабой стороной этого метода является то, что метод аппроксимации и расположение точек дискретизации влияет на условия управляемости, стабилизируемости и т.д. Во-вторых теряется структура исходной постановки задачи, в результате чего полученный регулятор может оказаться «наивным», не использующим всей имеющейся информации.
Другой способ синтеза регуляторов называется завершающая дискретизация. Он полностью использует все преимущества теории управления СРП при анализе управляемости, стабилизируемости, выборе оптимальной структуры регуляторов и т.д. При этом подходе все построения ведутся по уравнениям в частных производных, и лишь на последнем этапе, после того как стратегия управления уже получена, осуществляется аппроксимация с целью численной ее реализации. Этот подход требует глубокого знания теории управления СРП, но при этом он сохраняет структуру исходной проблемы без каких либо искажений.
Рассматриваемая система относится к системам с запаздыванием. Запаздывание в системе обусловлено транспортирование продукта вдоль нагревателя. Оно может привести к неустойчивости замкнутой системы даже при небольших коэффициентах усиления регулятора. В данном случае проблема усложняется тем, что к влиянию запаздывания добавляются взаимосвязи по выходам.
Системы с запаздыванием являются одним из важнейших классов систем с распределёнными параметрами. Наличие запаздывания в контуре управления ведёт к возрастанию фазового сдвига, что может вызвать неустойчивость замкнутой системы даже при небольших коэффициентах усиления регулятора, поэтому управляющие воздействия в этом случае приходится ограничивать [106]. В многомерных системах проблема усложняется тем, что к влиянию запаздывания добавляются взаимосвязи по входам и выхода. Температура вязкой жидкости у І связана с подводимой мощностью щ соотношением вида y(s) = G(5)U(J) (3.6)
Отсюда видно, что передаточной матрице (3.8) в пространстве состояний отвечает система дифференциальных уравнений с запаздыванием (с запаздывающим аргументом).
Общая структура системы с запаздываниями в управляющих воздействиях u(t), состояниях x(t) и выходах y(t) показана на рис. 3.5. Каждый из перечисленных типов запаздывания можно представлять себе как запаздывание в соответствующих каналах передачи, причем это транспортное запаздывание описывается гиперболическим уравнением первого порядка, т. е. характеризует процесс распространения управлений u(t) или состояний x(t).
Реализация системы индукционного нагрева в технологическом комплексе производства строительных мастик
Индукционный нагрев является составной частью технологического комплекса производства строительных мастик. Жидкий битум поступает в теплообменный аппарат с индукционным нагревом ИН, где нагревается, в соответствии с технологическим процессом, до температуры 160-180С. После этого подготовленный битум, наполнитель и подогретая вода поступают через дозаторы в смеситель, где происходит смешивание этих компонентов, в результате чего получается строительная мастика.
Результаты, полученные в ходе теоретических исследований, положены в основу при разработке конструкции индукционной системы и системы управления индукционным нагревателем, который входит в технологический комплекс производства строительных мастик. Структурная схема силовой цепи индукционного нагревателя представлена на рис.4.2.
Силовая часть системы индукционного нагрева состоит из трёх цилиндрических индукторов (ИНЇ, ИН2, ИНЗ), выполненных из медной шинки намотанной вокруг теплообменного аппарата, по которому перемещается нагреваемая жидкость. Индуктора подключаются к источникам питания с тиристорным управлением (ИП) через понижающие трансформаторы. Для компенсации реактивной мощности параллельно индукторам подключены конденсаторные батареи (КБ). Сигнал задания с программного устройства (ЗУ) поступает на источники питания. Канал обратной связи по температуре реализован с помощью термопар, установленных в жидкости и в стенке наружной трубы теплообменного аппарата.
Система управления установкой реализована на базе рабочей станции, подключенной к блоку управления источника питания, через соответствующие устройства сопряжения (рис.4.3). Рабочая станция AWS-82B/ 825РВ соединяется с внешними устройствами с помощью преобразователей ADAM-4018 и ADAM-4021, производства фирмы Advantech (США). Блок ADAM-4018 представляет собой модуль аналогового ввода на 8 каналов для подключения термопар. Он содержит 16-разрядный АЦП, 6 дифференциальных и 2 однополюсных канала. Блок ADAM-4021 предназначен для аналогового вывода и содержит 12-разрядный ЦАП, имеет программу настройки выхода на сигнал в виде напряжения или тока, контролирует состояние г выхода, позволяет программировать скорость изменения сигнала на выходе от 0,125 до 128 А/с или от 0,0625 до 64 В/с. Гальваническая изоляция этих блоков рассчитана на напряжение 500В. Сигнал на рабочую станцию подаётся по интерфейсу RS-232. В тоже время информационная сеть модулей серии ADAM-4000 строится на базе интерфейса RS-485. В связи с необходимостью использования в рассматриваемой системе управления двух интерфейсов, вводится дополнительный блок -преобразователь ADAM-4521, который позволяет перейти от интерфейса RS-232 к интерфейсу RS-485. Адресуемый преобразователь RS-232/RS-485 имеет гальваническую изоляцию. Для реализации разработанных алгоритмов управления выбран язык программирования Genie 3.0, являющийся одним из представителей системы SCADA и базирующийся на платформе WINDOWS. Язык Genie 3.0 является языком высокого уровня и позволяет представлять объект и различные элементы систем измерения, управления и других, в виде графических объектов на экране монитора. С его помощью разработка программного обеспечения сбора данных и управления для информационно-измерительных сетей на базе ADAM-4018 и ADAM-4021 может выполняться при полном отсутствии навыков программирования на языках высокого уровня.
