Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 15
1.1. Общие сведения 15
1.2. Необходимость изучения динамических свойств элементов системы регулирования температуры 19
1.3. Многозвенная динамическая модель электропечи сопротивления...:...22
1.4. Упрощенная структурная модель электропечи сопротивления 29
1.5. Упрощенное описание динамических характеристик печи 30
1.6. Анализ моделей, описывающих динамические характеристики электропечей 31
1.7. Патентный обзор систем поддержания температуры печей сопротивления 35
1.8. Экспериментальные методы оптимизации параметров промышленных регуляторов температуры 37
1.9. Постановка задач исследования 42
Глава 2. Разработка динамической модели электропечи сопротивления в пакете программ Matlab 6.5 43
2.1. Метод эквивалентных тепловых схем замещения 43
2.2. Создание динамической модели электрической печи сопротивления в пакете программ Matlab 6.5 48
2.3. Детализированная динамическая модель термопары в пакете MATLAB6.5 82
2.4. Динамическая модель электропечи сопротивления на основе трехмерной схемы замещения 85
Выводы по второй главе 95
Глава 3. Анализ характеристик объектов управления и настройка регулятора 96
3.1. Определение статических характеристик детализированной модели электрической печи сопротивления 96
3.2. Определение динамических и частотных характеристик детализированной модели элегарическои печи сопротивления 97
3.3. Линеаризация канала управляющего воздействия 102
3.4. Определение статических и динамических характеристик трехмерной детализированной
модели электрической печи сопротивления 106
3.5. Синтез регуляторов температуры 110
3.6. Импульсные регуляторы температуры и синхронизированное управление группой нагрузок 114
Выводы к третьей главе 128
Глава 4. Результаты расчетных и экспериментальных исследований ...129
4.1. Камерная электропечь сопротивления в производственном комплексе 129
4.2. Особенности определения технических параметров реального объекта 133
4.3. Определение технических параметров промышленной электропечи 135
4.4. Определение технических параметров математической модели и сравнение их с параметрами действующего промышленного объекта 137
4.5. Методика экспериментальной оптимизации параметров системы управления электронагревом 142
4.6. Стенд для наладки регуляторов температуры 154
Выводы к четвертой главе 163
Заключение 164
Список используемой литературы 169
Приложения 179
- Необходимость изучения динамических свойств элементов системы регулирования температуры
- Создание динамической модели электрической печи сопротивления в пакете программ Matlab 6.5
- Определение динамических и частотных характеристик детализированной модели элегарическои печи сопротивления
- Камерная электропечь сопротивления в производственном комплексе
Введение к работе
В настоящее время металлургическая и обрабатывающая промышленность уральского региона широко интегрируется в мировую экономику. С каждым годом увеличивается количество заказов на экспорт, а с ростом заказов растут и требования к качеству продукции.
Одним из решающих факторов повышения качества продукции и увеличения производительности труда является автоматизация производства. Однако эффективность внедрения систем и устройств автоматического управления зависит не только от степени оснащения ими производства, но в значительной мере определяется качеством их наладки и степенью оптимальности выбранных параметров настройки системы [49]. Современный объе.м и уровень автоматизации производства, сложность и многообразие автоматических систем управления и регулирования требуют подхода к их наладке на современной теоретической основе [50]. Не составляет труда выявить зависимость одного параметра производственного процесса с выходными величинами, но если на процесс влияет ряд параметров, и эти параметры связаны друг с другом, то задача становится сложной. Решить эту задачу помогает имитационное и компьютерное моделирование систем управления и отдельных ее элементов. На современном уровне развития вычислительной техники расчеты системы управления можно произвести, избежав многих упрощений.
На Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении (ОАО «Корпорация ВСМПО-АВНСМА») процесс нагрева заготовок под пластическую деформацию в электропечах сопротивления на участке стана радиально-винтовой прокатки (СРВП-130, цех №3) осуществляется с помощью автоматизированной системы управления нагревом и регистрации технологических параметров [П-1]. Система управления нагревом работает в жестких рамках температурно-деформационных параметров, что позволяет получать катаные прутки высокого качества как в
5 части однородности структуры и механических свойств по сечению и длине, так и в точности геометрических параметров.
Основным компонентом объекта исследования автоматизированной системы управления нагревом (УДК 681.51!) являются камерные электрические печи сопротивления. Заданный температурный режим и высокую степень равномерности нагрева изделий в этих электрических печах можно обеспечить намного легче и точнее, чем в топливных.
Создание современных высокоэффективных систем управления нагревом электропечей невозможно без предварительных математических расчетов ее основных компонентов.
Электрические печи, электронагревательные устройства и приборы получили очень широкое распространение в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и быту. На ряде предприятий электрические печи являются основными потребителями электроэнергии, а в целом около 15% всей потребляемой нашей промышленностью электрической энергии расходуется на цели электротермии. Хотя электрическая дуга была открыта нашим соотечественником В.В. Петровым еще в 1803г., а первые дуговые печи (лабораторные) появились в середине 19-го века, их промышленное применение наступило лишь в начале XX в., когда появились дуговые печи косвенного действия Стасано, дуговые печи прямого действия Эру и индукционные канальные печи Кьеллина, а также первые нагревательные печи сопротивления и рудотермические печи. В настоящее время крупным потребителем электрических печей является металлургия. Особенно большое значение приобретает электротермия в производстве редких металлов и титана, которые можно получать и плавить лишь в защитной атмосфере или вакууме. Кроме того, термическая обработка легированных сталей и титановых сплавов требует очень точной выдержки заданного температурного режима и высокой степени равномерности нагрева изделий, регулировать же этот режим и обеспечить его равномерность в электрической печи можно намного легче и
6 точнее, чем в топливной. Электрическую печь легко герметизировать и создать в ней нужную газовую атмосферу или вакуум. Индукционные установки и электрические печи с расширенным верхним пределом температурного диапазона применяют для нагрева заготовок под ковку, штамповку или иную пластическую деформацию [91].
Печь сопротивления представляет собой футерованную камеру. Тепло выделяется в нагревателе, после чего отдается нагреваемому изделию.
Различают низкотемпературные печи (до 650 С), среднетемпературные (до 1250 С) и высокотемпературные (>1250 С) [6, 7].
Названные группы печей отличаются как конструктивно, так и механизмом передачи тепла от нагревателя к изделию. В низкотемпературных печах основным механизмом передачи тепла является конвекция, т.е. в таких печах тепло передается потоком циркулирующего воздуха [6, 7]. В средне- и высоко-температурных печах основное тепло от нагревателя к изделию передается излучеЕшем. Конструктивные отличия связаны с устройством футеровки и материалом нагревательных элементов. В низкотемпературных печах футеровка содержит только теплоизоляционный слой, а жесткость футеровки обеспечивается двумя связанными между собой внешними и внутренними каркасами. В среднетемпературных печах в футеровке появляется огнеупорный слой, выполненный из легковеса. Этот слои имеет механическую связь с внешним каркасом печи, в связи с чем надобность во внутреннем каркасе отпадает. В высокотемпературных печах огнеупорный слой выполнен из шамота. Между огнеупорным слоем и слоем теплоизоляции вводится дополнительный слой легковеса для снижения температуры теплоизоляции до допустимой. В низко- и среднетемпературных печах используются металлические нагреватели из фехраля и константана при температуре до 800С и нихрома до 1000С. В высокотемпературных печах обычно используют неметаллические нагреватели (карборундовые, графитовые, угольные). Такие нагреватели могут значительно изменять свое сопротивление при нагреве и в процессе эксплуатации. Кроме того, для надежной работы такие нагреватели должны разогреваться постепенно при малой мощности (иначе они растрескаются). Учет этих специфических особенностей приводит к необходимости применять в высокотемпературных печах те или иные средства регулирования подводимого напряжения (автотрансформатор, регулируемый трансформатор) [10].
Электрические печи сопротивления обычно используют для термической обработки изделий, которые доллсны изменять свою температуру в соответствии с заданным режимом обработки. Требуемый режим термообработки может быть реализован двумя способами. По первому способу изделие помещают в камеру печи и изменяют температуру внутри камеры в соответствии с графиком обработки, потом изделие выпускают, загружают новое, цикл повторяется. Такой способ принят в печах периодического действия (садочные печи). Есть два вида садочных печей - камерные и шахтные [91].
Камерные печи представляют собой футерованную камеру с футерованной боковой дверью. Шахтные печи представляют собой футерованную камеру, закрытую сверху футерованной крышкой. Загрузка и выгрузка шахты печи может быть механизирована с помощью крана.
Камерные и шахтные печи используются при низких и высоких температурах. Такие печи имеют низкую производительность и требуют использования ручного труда. Автоматизация технологического процесса сводится к регулированию температуры внутри печи по заданной программе.
По второму способу в камерных печах сопротивления создают несколько температурных зон в соответствии с требуемым графиком обработки изделия. Обрабатываемое изделие перемещается с заданной скоростью от загрузочного окна к разгрузочному. При такой организации процесса возможно движение изделий непрерывным потоком. Это печи непрерывного действия (методические), их используют в условиях серийного производства. По способу перемещения изделия различают печи [16,82]: I. Туннельная. Изделие размещено на футерованных тележках, которые s двигаются по рельсам, движение с помощью лебедки.
2. Толкательная. Изделие размещается на футерованных поддонах, которые перемещаются толкателем. Используется в зоне средних и высоких температур.
Конвейерная. Является основным типом методической печи в зоне низких температур. При небольшой массе обрабатываемых изделий она используется при температуре до 900 С.
Карусельная. Используется в зоне средних и высоких температур.
Протяжная. Используется в зоне низких, средних и высоких температур для обработки проволоки или ленты.
Признаки предмета исследования и его определение. Создание современных высокоэффективных систем управления нагревом невозможно без предварительных математических расчетов ее основных компонентов -электропечей. Тепловую работу электропечей периодического действия отличает сложный характер распределения температур и тепловых потоков во времени и пространстве печи. Трудность аналитического описания динамики изменения температур в электропечи сопротивления состоит в том, что печь представляет собой многоемкостный объект (нагреватель, стенка, изделие) с распределенными параметрами и температуры в отдельных емкостях взаимно влияют друг на друга, т.е. емкости не обладают направленным действием. Для точного аналитического определения динамических характеристик электропечей необходимо решить нелинейную задачу, т.к. при высоких температурах теплопередача в основном осуществляется излучением, и влияние отдельных емкостей друг на друга определяется разностью четвертых степеней их температур. Следовательно, аналитическое описание процесса нагрева в электропечи сопротивления может быть получено только при целом ряде допущений. Для полного анализа динамики изменения температуры необходимо аналитическое описание конвекционного и лучистого теплообмена между всеми телами печи. Для получения уравнений, характеризующих переходный процесс в печи, необходимо составить совокупность дифференциальных уравнений, описывающих физические процессы, протекающие в отдельных звеньях печи. Совокупность этих дифференциальных уравнений и есть динамическая модель электропечи. Разработка динамической модели электропечи ~ предмета исследования -позволит получить новые зависимости, дающие связь между входной величиной (мощность), параметрическими воздействиями (толщина изделия, степень черноты), возмущающими воздействиями (открытие и закрытие заслонки, наличие и отсутствие садки) и реакцией на выходе (температура исследуемых объектов печи).
Недостатки существующих моделей. Первые математические модели печей были разработаны еще в конце 50-х годов прошлого века, однако уровень развития техники в тот период требовал существенного упрощения моделей [83]:
Печь состоит из трех тел: нагревателя, стенки и нагреваемого изделия.
Температура каждого тела на рассматриваемом участке длины печи равномерно распределена.
Нагреватель и изделие являются теплотехническими «тонкими» телами, т.е. температурные градиенты по их сечениям пренебрежимо малы.
Температурный градиент стенки печи зависит только от одной координаты -толщины стенки.
Реальная многослойная стенка печи заменена эквивалентной по полному сопротивлению однослойной стенкой, выложенной из материала внутреннего слоя.
Температуры тел при возмущениях незначительно отклоняются от положения установившегося равновесия.
Эти допущения не всегда целесообразны, так как ведут к снижению точности расчета и упрощению влияния важных факторов.
Современное состояние вопроса. На сегодня создано большое количество высокоэффективных математических инструментов на базе современных ЭВМ. Одним из самых мощных программных комплексов, предназначенных для решения научно-технических задач, является система MATLAB. Современные версии MATLAB поставляются вместе с пакетом Simuiink, предназначенным для моделирования динамических систем, модели которых составляются из отдельных блоков (компонентов). В этом пакете реализованы принципы визуально-ориентированного про грам мирования, что позволяет легко набирать нужные блоки и соединять их с целью составления модели анализируемой системы или устройства. При этом сложнейшие уравнения состояния, описывающие работу моделей, формируются автоматически [15].
Благодаря значительному росту быстродействия и объема памяти вычислительной техники, созданию новых математических инструментов, появилась возможность существенно развить динамические модели печных агрегатов, увеличить число учитываемых и варьируемых факторов, повысить точность расчетов, избежать многих упрощений, которые приходилось принимать в прежних моделях.
Не менее важно, что скоростная динамическая модель электропечи сопротивления позволит не только расширить число учитываемых тепловых масс и варьируемых факторов, но и, самое главное, позволит проверить устойчивость системы поддержания температуры и качественно настроить регулятор.
Таким образом, сложилось противоречие между высоким уровнем развития математического инструмента на базе современных ЭВМ и недостаточным развитием динамических моделей электропечей в плане увеличения точности расчетов, количества учитываемых факторов и сокращения числа возможных упрощений.
Данное противоречие определило актуальность проблемы совершенствования динамических моделей электропечей сопротивления. Решение этой проблемы позволит качественно спроектировать и наладить систему управления нагревом.
Исследование ведется по следующим направлениям: Аналитический обзор литературы о методах и способах динамического
11 моделирования электропечей - компонентов систем управления нагревом;
Патентный анализ систем поддержания температуры печей сопротивления;
Разработка динамической модели электропечи сопротивления, которая позволяет сформулировать методику синтеза регуляторов температуры;
Разработка динамической модели электропечи сопротивления, которая позволяет моделировать технологический цикл термической обработки.
Формирование эквивалентных передаточные функции моделей.
Определение передаточных функций регуляторов температуры для системы автоматического управления нагревом.
Сравнительный анализ модели с реальным объектом.
Для разработки динамических детализированных моделей используется метод эквивалентных тепловых схем замещения, хорошо зарекомендовавший себя в тепловых расчетах и позволяющий с успехом исследовать как установившиеся, так и переходные тепловые процессы. Основным его достоинством является возможность исключения расчета трехмерных картин температурного поля в различных областях термической установки. Согласно этому методу тепловой поток какого-либо элемента конструкции представляется суммой отдельных потоков от других элементов. Потоки встречают на свое.м пути тепловые сопротивления, что позволяет свести устройство к эквивалентной тепловой схеме замещения, состоящей из последовательного и параллельного соединения тепловых сопротивлений (аналогия теплового потока с электрическим током и тепловой цепи с электрической) [67, 68]. Футеровка печи заменяется системой однородных тел, имеющих как можно более простую геометрическую форму, в пределах которой условия нагрева-охлаждения остаются постоянными. В плоскости симметрии каждого такого тела устанавливается узел его тепловой массы. Узлы системы соединяются между собой сосредоточенными эквивалентными тепловыми сопротивлениями, которые заменяют собой действительные распределенные. Их значения предполагаются не зависящими от величины
12 теплового потока и определяются видом и условиями теплообмена между частями электротермической установки. Тепловой расчет сводится к определению средних температур всех узлов футеровки печи [67]. ^ Целью диссертационной работы является развитие метода эквивалентных тепловых схем замещения, совершенствование динамических моделей и системы управления нагревом. При этом решаются такие задачи:
Разработка детализированной тепловой схемы замещения электрической печи сопротивления и формирование динамической модели.
Разработка динамической модели термопреобразователя.
Разработка трехмерной тепловой схемы замещения электропечи сопротивления и формирование динамической модели для имитации технологического цикла термической обработки;
Линеаризация детализированных моделей;
Разработка эквивалентных динамических моделей для создания методики сшггеза регуляторов температуры;
Разработка общей методики экспериментальной оптимизации параметров системы управления электронагревом.
Аннотация диссертационной работы по главам.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор системы управления нагревом печей на участке стана радиально-винтовой прокатки »» Верхнесалдинского металлургического производственного объединения (ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»), выполнен анализ известных динамических моделей электропечных установок, выявлены их основные преимущества и недостатки. Приведен патентный обзор устройств регулирования температуры. Рассмотрены основные методы экспериментальной оптимизации промышленных регуляторов. В заключение главы сформулированы задачи исследования.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию решения задачи с изложением методики ее решения. Подробно описан метод эквивалентных тепловых схем замещения применительно к электротермическим устаЕювкам. Создана эквивалентная тепловая схема электротермической установки и на ее базе сформирована динамическая модель в пакете Simulink. Для формирования целостной картины электропечи сформирована детализированная трехмерная модель, позволяющая промоделировать технологический цикл термической обработки изделий. Для более точного моделирования теплотехнических процессов была создана динамическая модель термопреобразователя.
Третья глава содержит результаты анализа статических и динамических характеристик детализированных моделей. Сформулированы методы математической линеаризации объектов регулирования. На базе детализированных схем созданы эквивалентные динамические модели. Эти модели позволили сформулировать методику синтеза регуляторов температуры.
В четвертой главе приведены результаты сравнительного анализа детализированной модели электропечи с действующей электроустановкой. Составлена общая методика экспериментальной оптимизации промышленных регуляторов температуры.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы, представлены новые методы линеаризации канала управляющего воздействия, доказана достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы, описана практическая и научная полезность.
На защиту выносится:
Эквивалентная тепловая схема замещения и детализированная модель электропечи сопротивления, детализированная модель термо преобразователя.
Трехмерная тепловая схема замещения и динамическая модель электропечи, которая позволяет моделировать возмущающие воздействия (открытие, закрытие заслонки, укладка и извлечение садки).
Методика линеаризации канала управляющего воздействия и передаточные функции регуляторов температуры для системы автоматического управления нагревом.
Испытательный стенд для наладки и ремонта регуляторов температуры и преобразователей напряжения электропечей сопротивления.
Методика экспериментальной оптимизации регуляторов электропечей сопротивления.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, действительному члену Академии электротехнических наук Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Федору Никитичу Сарапулову за внимательное руководство и помощь при выполнении работы, а также кандидату технических наук, доценту Виктору Андреевичу Иванушкину за постоянные консультации в процессе выполнения работы, коллективам кафедры "Электротехника и электротехнологические системы" Уральского государственного технического университета - УПИ и кафедры "Автоматизация технологических процессов и систем" Нижнетагильского технологического института филиала Уральского государственного технического университета - УПИ за советы и замечания, высказанные при подготовке и обсуждении диссертации.
Необходимость изучения динамических свойств элементов системы регулирования температуры
Но печи периодического действия, работая в циклическом режиме, практически никогда не достигают стационарного состояния, а соотношение величин потерь и температурное поле по конструкции печи в процессе работы постоянно меняется.
Наиболее полное представление о процессах и температурном поле печи и садки можно получить с помощью математического моделирования на ЭВМ.
Первые математические модели печей были разработаны еще в конце 50-х годов прошлого века, однако уровень развития техники в тот период требовал существенного упрощения моделей, что не всегда возможно и целесообразно, т.к. ведет к снижению точности расчета и упрощению влияния важных факторов, а время счета этих моделей было очень велико.
Благодаря значительному росту быстродействия и объему памяти вычислительной техники, появилась возможность существенно развить математические модели печных агрегатов, увеличить число учитываемых и варьируемых факгоров, повысить точность расчетов, избежать многих упрощений, которые приходилось принимать в прежних моделях.
Математические модели позволяют производить многовариантные расчеты для выдачи рекомендаций по конструктивным параметрам печей, тепловым и температурным режимам печей и садок, все это повышает технический уровень разрабатываемых и выпускаемых конструкций. При разработке математической модели конкретной печи учитываются все особенности се конструкции и тепловых процессов, которые в ней происходят, поэтому изменение одного или нескольких параметров (например, размеров внутреннего пространства печи, массы садки, ее размещения в рабочем объеме) требует внесения изменений в модель и пересчета теплотехнических характеристик печи и садки. Благодаря математическому моделированию, стало возможным решение задачи по оптимизации конструкции печей с целью: 1. определения экономически наиболее выгодной толщины футеровки печи, обеспечивающей минимум затрат на ее изготовление и эксплуатацию; 2. нахождения и выбора оптимальной последовательности расположения огнеупорных и теплоизоляционных материалов и определения толщины отдельных слоев; 3. сравнительной оценки тепловых качеств футеровки (достижение минимума потерь тепла теплопроводностью, на аккумуляцию, времени выхода печи из холодного состояния на рабочий режим и т.д.). Особое значение для получения корректной математической модели приобретает полнота и точность вводимых в модель исходных данных, т.к. в противном случае высокая точность математических расчетов становится бессмысленной. В качестве исходных данных для расчета задаются следующие параметры: характеристика рабочего пространства печи (размеры и теплофизические свойства материалов конструкции печи); характеристика садки (размеры обрабатываемых изделий и их масса, расположение в печи, теплофизические свойства материалов); начальная и конечная температура поверхности, а также перепад температур по сечению обрабатываемых изделий или температурный и временной режим процессов нагрева, выдержки или охлаждения; ограничения, налагаемые на процесс нагрева и охлаждения (максимальные температуры внешней теплоотдающей поверхности печи, нагревательных элементов и т.п.); прочие данные, которые могут оказать существенное влияние на температурный режим печи. Широкое применение математического моделирования не снимает необходимости получения практических данных о работе печных агрегатов и проведения специальных экспериментов, т. к. любая математическая модель обязательно нуждается в адаптации к реальному объекту моделирования. Анализ достоверности результатов, получаемых при использовании разработанных математических моделей теплообмена в рабочем объеме печей, проводится путем сопоставления с экспериментальными данными и результатами экспериментов, известными в литературе. Влияние нагрева излучением в печи достаточно велико. Не всегда двухпозиционный регулятор, а иногда и более совершенный регулятор -пропорциональный, изодормный, ПИД - позволяют поддержать температурный режим в печи в заданных пределах. Это вызывает необходимость учитывать инерционность печи и датчика при выборе автоматического регулятора температуры, и, следовательно, проектирование печи нагрева не может рассматриваться отдельно от регулятора и измерительного устройства, т.е. при проектировании печи следует, наряду с обычными расчетами для статически установившихся состояний, произвести расчеты переходных процессов с тем, чтобы были выполнены условия, обеспечивающие требуемую стабильность нагрева и экономическую эффективность установки в целом.
Чтобы получить требуемый характер изменения температуры в печи, необходимо обеспечить определенные динамические свойства всем элементам системы регулирования, в которую входят измерительное устройство, регулирующее устройство и печь.
Динамические и статические характеристики действующих электропечей могут быть определены экспериментальным путем; они являются решениями дифференциальных и алгебраических уравнений для переходных и установившихся процессов печи, поэтому эквивалентны математическому описанию процесса и могут быть использованы при выборе схемы и закона регулирования. Однако такое решение задачи не дает ответа относительно влияния отдельных конструктивных факторов электропечи (материал стенок, диаметр нагревателей, геометрия печи и др.) на ее динамические характеристики, т.е. не дает путей для решения задачи синтеза печи, задачи создания оптимального регулируемого объекта [56].
Известен метод графоаналитического определения изменений температуры в печи при нанесении различных возмущений. Метод построен на использовании статических характеристик печи; преимущество его в возможности использования нелинейных статических характеристик. Однако этот метод требует громоздких расчетов и дает решения в численном виде, что исключает возможность моделирования процессов на электронной модели.
Создание динамической модели электрической печи сопротивления в пакете программ Matlab 6.5
Электрические печи сопротивления широко распространены в металлургии и машиностроении. До 80-х годов они чаще всего оснащались двух позиционным и регуляторами температуры. Свойства регуляторов изучали и совершенствовали в течение длительного времени, поэтому регуляторы исключительно просты, дешевы, надежны. До сих нор часто встречаются публикации на эту тему, например, «Устройство для двух позицію иного регулирования температуры» автор Кравченко A.M. Это устройство содержит последовательно включенные источник опорных напряжений, пороговый датчик температуры с заданным гистерезисом, ключевой блок и исполнительный блок, отличающийся тем, что в него введено реле обратной связи, а датчик температуры выполнен из переменного резистора гистерезисной уставки, потенциометра пороговой уставки, термочувствительного S-диода, токоофаничительного резистивного элемента, сглаживающего фильтра и нормально замыкающей контактной пары реле обратной связи [98].
С развитием электроники, а именно с приходом в энергетику силовых тиристоров, качество двухпозиционного регулирования существенно повышается. Однако внедрение в производство новых материалов и технологий, стремление снизить расходы электроэнергии снова и снова заставляют обращаться к технико-экономическим показателям регулирования.
В 90-х годах все более стала заметна тенденция строения регуляторов на базе микропроцессорной техники, которая позволяет использовать непрерывные методы, примером может служить «Устройство для автоматического регулирования температуры в электрической печи сопротивления» изобретатель Урвачев М.И. и Добробаба Ю.П. Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство для автоматического регулирования температуры, которое содержит тиристорный силовой блок, введены регулятор тока, датчики напряжения и тока, пропорциональный блок, три дифференцирующих блока и три пропорционально-дифференцирующих блока. Это способствует повышению качества регулирования температуры в электрической печи сопротивления [99].
С развитием техники и выходом металлургических и машиностроительных предприятий Свердловской области на мировой рынок заметно повысились требования и стандарты к термической обработке изделий. Точность достижения заданных температур в настоящее время проще всего осуществлять посредством проектирования систем регулирования на базе ЭВМ и промышленных контроллеров. Примером реализации регулятора на базе ЭВМ может служить публикация Тетерина Е.П., Тарасова И.Е. и Потехина Д.С. «Устройство для регулирования и стабилизации температуры» [101].
В последние годы в России, в частности в Свердловской области, наблюдается стабильный рост стоимости тепловой и электрической энергии. Причем значительную часть тарифа составляет прибыль монополиста-поставщика энергии. Вследствие этого для многих предприятий особо актуальным стал вопрос энергосбережения. Для повышения качества энергопотребления и повышения коэффициента мощности электротермических установок применяют групповые способы регулирования. «Способ управления группой электронагревательных устройств», техническим результатом которого является повышение качества регулирования температуры, был зарегистрирован группой изобретателей, в которую входят Файла Л.Ф., Соболев С.А. и Файда Е.Л. [100].
В работах [98, 99, 100] представлены регуляторы температуры, которые не учитывают нелинейность самого объекта. Эта нелинейность появляется из-за передачи тепла излучением в печи при высоких температурах. Влияние тепловых масс друг на друга определяется разностью четвертых степеней их температур. Кроме того, объекту присуща нелинейность второго порядка, связанная с регулированием не мощности, а напряжения. Для компенсации нелинейности следует ввести блок нелинейной коррекции, что и было сделано изобретателями Тетериным Е.П.,Тарасовым И.Е. и Потехиным Д.С. [100].
Нелинейности, описанные выше, достаточно сложно устранить, так как при проектировании промышленного регулятора не учитываются параметры самого объекта регулирования, а именно: параметры нагревателей, их корреляционные связи при многозонном регулировании, параметры садки, параметры футеровки, рабочий диапазон температур. Поэтому самый эффективный метод проектирования регуляторов, учитывающий все особенности объекта - локальный. Локальный метод проектирования лучше использовать совместно с системами моделирования и проектирования на базе ЭВМ, а для реализации регуляторов использовать промышленные контроллеры. Промышленные контроллеры позволяют не только качественно поддерживать заданную температуру, но и, используя промышленные сети, сохранять данные термообработки для последующего анализа. Хотя локализованный метод проектирования регуляторов температуры позволяет учесть все особенности объекта, он не дает полной компенсации нелинейности, поэтому вопрос о линеаризации электропечи сопротивления, как объекта регулирования, остается открытым.
Определение динамических и частотных характеристик детализированной модели элегарическои печи сопротивления
В системах регулирования современных электропечей сопротивления в качестве исполнительных устройств непрерывных регуляторов температуры часто используются тиристорные источники, работающие по принципу фазоимпульсного регулирования (ФИР) напряжения, поступающего на вход печи. Использование таких источников питания приводит к ухудшению энергетических характеристик установок, в частности, к ухудшению их коэффициента мощности, увеличение которого связано с большими трудностями из-за наличия высших гармонических составляющих в токе нагрузки [93, 70].
Так как электропечи сопротивления потребляют сравнительно большую мощность (50 кВт и более) и широкое распространение находят групповые установки, то при использовании тиристорных источников с ФИР возникает необходимость в увеличении мощности фидерного силового трансформатора, что в свою очередь ухудшает энергетические характеристики цеха в целом [93]. Последнее означает, что вопрос повышения коэффициента мощности электропечей сопротивления, питаемых от тиристорных источников, приобретает важное значение.
В этой связи возможность существенного улучшения энергетических характеристик групповых установок, питаемых от источников с широтно-импульсным регулированием (ШИР), делает применение таких источников питания весьма перспективным для электропечей сопротивления [93].
Регулирование электрического режима нагрузки является одной из наиболее распространенных задач в области преобразования электрической энергии и может осуществляться двумя способами.
Сущность первого способа состоит в том, сто при нерегулируемом питающем напряжении параметры нагрузки устанавливаются в соответствии с требуемым режимом [70]. При этом осуществляется изменение свойств нагрузки (переключение схемы соединения нагревателей с треугольника на звезду), комбинирование последовательного и параллельного соединения секций (переключение секций нагревателей с последовательного соединения на параллельное). С энергетической точки зрения такой способ достаточно эффективен, так как при нем отсутствует вредное влияние на питающую сеть. Однако большая дискретность регулирования не позволяет его широко использовать [93]. Второй метод характеризуется тем, что параметры нагрузки не регулируются, а управление осуществляется изменением параметров подводимого к нагрузке напряжения. Регулирование напряжения можно осуществлять несколькими способами [93]: 1. Использование потен пиал-регуляторов, трансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой и автотрансформаторов связано со значительными капитальными затратами, наличием дополнительных потерь и потреблением реактивной мощности. Поэтому такое управление мощностью при непрерывном регулировании температуры применяется редко. Несколько проще и дешевле трансформаторы и автотрансформаторы с переключателем ступеней напряжения, однако с их помощью можно осуществить лишь ступенчатое регулирование напряжения. 2. Непрерывное регулирование может быть обеспечено включением между сетью и потребителем устройства, содержащего регулируемое сопротивление. По соображениям более высокого к.п.д. почти всегда используются реактивные (обычно индуктивные) сопротивления. При этом обеспечивается плавность управления, но применение его связано с потреблением реактивной мощности. 3. Импульсное регулирование, реализуемое подключением нагрузки к сети через устройство, содержащее ключевой элемент. Периодичность работы ключевого элемента, в качестве которого могут быть использованы дроссели насыщения или тиристоры, выбирается в зависимости от инерционности потребителей энергии (тепловой или электрической). Благодаря успехам, достигнутым в производстве силовых трансформаторов, импульсные регуляторы находят все более широкое применение. На сегодняшний день в области производства тиристорных и полупроводниковых преобразователей приоритетным направлением является разработка энергосберегающей техники. Внедряется в производство оборудование, в основу которого положены математические модели и алгоритмы обеспечивающие экономию электрической энергии. Например, автоматизированные преобразователи для питания и управления одно и трехфазным групповым и наружным освещением типа ЛПО мощностью 100 кВт, полупроводниковые преобразователи для питания и управления электрическими печами сопротивления типа ППС мощностью до 300 кВт, предназначенные для нагрева изделий и плавления металла [30, 31]. С каждым годом растет мощность разрабатываемых тиристорных устройств для преобразования и регулирования электрической энергии; их внедрение дает большой экономический эффект вследствие высокого К.П.Д., малых массы и объема установок по отношению к регуляторам с дросселями насыщения. Можно выделить три основных способа импульсного регулирования мощности, потребляемой от сети переменного тока [УЗ]: импульсное регулирование при частоте коммутации- частота питающего напряжения) с изменением момента замыкания ключа (рис.3.22,аЛ момента размыкания ключа (рис. Ъ.22,б) или того и другого (рис. 3.22,в). Первые два способа принято называть фазоимпульсными или просто фазовым регулированием. Импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации (рис. 3.22, д). Импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации fK fc, когда в одном периоде коммутирующей частоты 0К содержится несколько интервалов 2к/т (рис. 3.22,е ), где т - число фаз питающей сети.
Камерная электропечь сопротивления в производственном комплексе
Печь состоит из прямоугольной камеры с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом и помещенной в металлический кожух. Печь загружается и разгружается через отверстие в передней стенке, прикрываемое дверцей. Нагреватели располагаются в поду и на боковых стенках печи, кроме того, они есть на задней стенке и заслонке для обеспечения большей равномерности распределения температур в камере печи. Подовые нагреватели перекрываются жароупорными плитами, на которые и укладываются нагреваемые изделия. Дверка камеры подъемная с электромеханическим приводом. Для отключения электродвигателя заслонки в крайних положениях установлены конечные выключатели. Время разогрева до рабочей температуры около 10 часов. Печь работает в три смены, простои оборудования редки. В качестве футеровки применены облегченные материалы, которые меньше аккумулируют тепло. Поэтому печь имеет достаточно высокие эксплуатационные показатели по сравнению с серийными печами с чрезмерно тяжелой кладкой, у которых частые простои и постоянный недогруз.
Температурный режим в электропечах сопротивления поддерживается с помощью автоматизированной системы управления [П-1], а печь №10 входит в ее состав как объект регулирования. Система предназначена для автоматического контроля технологического процесса, автоматического управления параметрами, хранения данных о ходе процесса и вывода технологической карты. Система состоит из трех камерных печей: №10, №11 и №12. Все данные о технологических параметрах собираются на пульте управления, а затем передаются на сервер. Все нарушения в технологии фиксируются не только в электронном виде, но и на бумаге.
Система автоматического поддержания температуры печей 10-12 входит в комплекс оборудования стана ради ал ь но-винтов ой прокатки (СРВП-130), предназначенный для производства катаных прутков из титановых сплавов.
Титан (Ті) - металл, расположенный в IV группе периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер - 22. Атомный вес -47,90. Плотность - 4,5 г/смЗ. Температура плавления - \665±5 С. Титан, как химический элемент, был открыт в 1791 году, но его истинные свойства, как металла, были изучены лишь в конце 40-х годов XX столетия, когда удалось его получить в достаточно чистом от примесей виде. Первый слиток технического титана на нашем предприятии был выплавлен 17 февраля 1957 года. Его диаметр составлял 100 мм и вес 4 кг. Преимущества титана, как металла, наглядно показаны в табл. 4.2.
Имеющиеся на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении производственные мощности и специально разработанные технологические процессы рис. 4.1-4.2, основанные на совмещении методов радиально-винтовой и продольной прокатки, позволяют получать катаные прутки из технического титана и легированных российских и зарубежных титановых сплавов.
Катаные прутки производятся диаметром от 7 до 114,3мм (0,275" - 4,5") и длиной: диаметром 7-14мм (0,275" - 0,55") до 3000 мм (до 9,84 футов); диаметром 15 - 114,3 (0,59" - 4,5") до 6000 мм (до 19,68 футов). Процесс нагрева заготовок под прокатку с использованием автоматизированной системы управления нагревом и регистрации технологических параметров печей и прокатки на станах "СРВП -130" рис. 4.3-4.4 и "450" проводится в жестких рамках температурно-деформационных параметров, что позволяет получать прутки высокого качества в части однородности структуры и механических свойств по сечению и длине, так и 132 точности геометрических параметров. Катаные прутки проходят полный цикл обработки, включающий горячую правку на двухвалковых правильных машинах, механическую обработку на специально созданных для титановых сплавов бесцентровых токарных и шлифовальных станках, обеспечивающих высокую точность и качество поверхности. Ультразвуковой контроль прутков проводится продольными и сдвиговыми волнами по самым жестким методикам - AMS 2631, P3TF34, DMC 0022, RPS 707 , SIM 11, MIL STD 2154, EMS 52321. Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение поставляет катаные прутки для аэрокосмической промышленности, химического и нефтехимического машиностроения, медицины, автомобилестроения, металлургии и других отраслей народного хозяйства. Сортамент прутков представлен в табл. 4.3 и на рис. 4.2. Катаные прутки получают из биллетов, технология получения изображена на рис. 4.1.
