Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных электромеханических комплексов бумаго- и картоноделательных машин 12
1.1. Характеристика электромеханических комплексов 12
1.1.1. Описание технологического процесса производства бумаги и картона 13
1.1.2. Требования, предъявляемые к управлению электромеханическими комплексами для достижения заданных качественных показателей бумаги и картона 15
1.2. Анализ современных автоматизированных систем управления бумаго- и картоноделательных машин 23
1.2.1. Структура автоматизированной системы управления бумагоделательной машины 23
1.2.2. Анализ систем многодвигательных электроприводов бумаго- и картоноделательных машин 26
1.2.3. Анализ существующих систем управления технологическими переменными бумаго- и картоноделательных машин 37
1.2.3.1. Системы управления поперечным профилем бумажного и картонного полотна 37
1.2.3.2. Системы управления продольным профилем бумажного и картонного полотна 42
1.3. Анализ режимов энергопотребления бумаго- и картоноделательных машин 47
1.4. Выводы 48
Глава 2. Анализ и синтез алгоритмов управления технологическими переменными бумаго- и картоноделательных машин 50
2.1. Постановка задачи синтеза алгоритмов управления технологическими переменными 50
2.2. Алгоритмы компенсации транспортного запаздывания в сепаратных каналах регулирования основного веса и влажности 51
2.3. Алгоритмы управления технологическими переменными с учетом их взаимосвязей 58
2.4. Анализ динамических свойств локальных контуров регулирования расхода густой массы и давления пара 68
2.4.1. Анализ динамики исполнительных механизмов в контурах регулирования расхода густой массы и давления пара 68
2.4.2. Анализ динамики контура регулирования расхода густой массы 72
2.4.3. Анализ динамики контура регулирования давления пара 73
2.5. Выводы 77
Глава 3. Разработка электромеханических систем сушильных агрегатов 79
3.1. Тенденции развития и варианты выполнения систем управления движением и нагревом ленточных материалов 79
3.2. Применение индукционных нагревателей в агрегатах бумаго- и картоноделательных машин 84
3.3. Автоматизированные мехатронные модули в сушильных агрегатах бумаго- и картоноделательных машин 88
3.4. Выводы 105
Глава 4. Исследование системы управления картоноделательной машины 107
4.1. Описание системы управления процессом производства картона на КДМ 107
4.1.1. Структурное построение системы управления КДМ 107
4.1.2. Функциональная схема системы управления КДМ 110
4.1.3. Аппаратура и программное обеспечение системы управления КДМ 114
4.2. Идентификация параметров и моделирование системы управления КДМ 129
4.2.1. Идентификация параметров САУ основным весом и влажностью картонного полотна 130
4.2.2. Моделирование переходных процессов в контурах регулирования технологических переменных 135
4.3. Выводы 138
Заключение 140
Литература 142
Приложение 149
- Требования, предъявляемые к управлению электромеханическими комплексами для достижения заданных качественных показателей бумаги и картона
- Алгоритмы компенсации транспортного запаздывания в сепаратных каналах регулирования основного веса и влажности
- Автоматизированные мехатронные модули в сушильных агрегатах бумаго- и картоноделательных машин
- Аппаратура и программное обеспечение системы управления КДМ
Требования, предъявляемые к управлению электромеханическими комплексами для достижения заданных качественных показателей бумаги и картона
Систему управления современной бумаго- или картноделательной машины, являющейся совокупностью основного и вспомогательного технологического оборудования с различной степенью автоматизации, целесообразно представить в виде трехуровневой иерархической системы управления [3,4]. Структура системы представлена на рис. 1.2.
Первый — нижний уровень содержит взаимосвязанную электромагнитную подсистему (ВЭП), входными переменными и которой являются сигналы управления различными полупроводниковыми преобразователями, а выходными переменными N - электромагнитные моменты (силы) электродвигателей. Управление взаимосвязанными электромагнитными переменными имеет место при управлении электродвигателями постоянного и переменного тока для независимого управления электромагнитным моментом и потоком. Базой для математического описания электромагнитных подсистем являются теоретическая электротехника, и в частности, уравнения Кирхгофа и Максвелла, а при наличии эквивалентных схем, адекватных физическим процессам, - теория линейных и нелинейных электрических цепей.
Второй уровень содержит взаимосвязанную механическую подсистему (ВМП), имеющую обратные связи с ВЭП по цепям электромагнитной индукции. Выходными переменными ВМП являются переменные q, характеризующие движения исполнительных механизмов (линейные и угловые перемещения, упругие силы и моменты). Управление взаимосвязанными механическими подсистемами осуществляется многодвигательными электроприводами. Базой для математического описания механической подсистемы является теоретическая механика, и в частности уравнения Лагранжа и Ньютона. Рассматриваемые совместно подсистемы ВМП и ВЭС образуют взаимосвязанную электромеханическую систему (ВЭМС). Третий уровень содержит функциональную подсистему (ФП), обеспечивающую формирование показателей качества s технологического процесса. На данном уровне осуществляется управление технологическими переменными объекта (ТО), которое диктует необходимость управления механическими переменными, а через них - и управления электромагнитными переменными. Математическое описание функциональных подсистем содержит описания физических процессов, характерных для той или иной технологии. Для каждой из подсистем возможно рассматривать соответствующие им регуляторы: РВЭП, РВЭМС, РТО, находящиеся в межуровневой подчиненности в комплексе управления (КУ) взаимосвязанной системы аналогично тому, как это имеет место в технологическом объекте управления (ТОУ). На регуляторы поступают сигналы заданий переменных N3, q3, s3, и измеренные или вычисленные значения переменных. Подсистемы каждого уровня содержат информационные средства (ИС) и идентификаторы (ИД), формирующие необходимую информацию для процесса управления на каждом уровне и в системе управления в целом. В общем случае системы управления каждого уровня представляют собой адаптивные системы, осуществляющие адаптацию через модули адаптивного управления (МАУ) в соответствии с эталонными моделями процессов управления в электромагнитной, электромеханической системах управления (ЭМ ЭСУ, ЭМ ЭМСУ) и в системе управления технологическим объектом в целом (ЭМ СУТО).
Разработка алгоритмов управления электроприводами технологических объектов выполняется, как правило, с учетом двух важнейших оценок качества - быстродействия и связанной с ним производительностью и интегральной квадратичной оценкой ошибок управления и связанным с ней качеством технологического процесса. В теории и практике управления взаимосвязанными электромеханическими системами стремятся получить нормированные динамические процессы на основе типовых алгоритмов управления при малых и больших изменениях переменных. Для автономных систем при малых изменениях переменных - это широко известные в методах подчиненного управления настройки контуров регулирования на "оптимум по модулю" (ОМ) и "симметричный оптимум" (СО), а в методах модального управления - стандартные распределения корней характеристических полиномов.
Методы оптимизации автономных систем можно перенести и на взаимосвязанные системы, но при этом одновременно следует решать задачу декомпозиции взаимосвязанной системы. В общем случае для системы, содержащей т сепаратных систем и обеспечивающей регулирование т выходных переменных, можно получить тхт- матрицу оценок регулируемых переменных.
При использовании ИКО во взаимосвязанных системах минимизация матрицы J приводит к реализации условия (1.3), что соответствует декомпозиции системы, т.е. превращению взаимосвязанных сепаратных систем в квазиавтономные системы. Декомпозиция взаимосвязанной электромеханической системы может быть формально обеспечена применением многомерного регулятора, синтезируемого методами модального управления. Но более практичной является динамическая декомпозиция, обеспечиваемая, выражаясь языком синер-гетической теории управления, организацией притягивающих множеств в фазовом пространстве переменных [5,6]. В электромеханических системах т притягивающих множеств могут быть образованы в т сепаратных системах, синтез алгоритмов управления которыми выполняется не только по фазовым, но и по обобщенным переменным, существенно влияющих на динамику системы. Такими переменными являются частоты коммутации широтно-импульсных модуляторов управляемых полупроводниковых преобразователей, собственные частоты колебаний механизмов, полосы пропускания или частоты среза сепаратных систем.
Как было отмечено выше, алгоритмы управления переменными взаимосвязанных электромеханических систем определяются особенностями формирования показателей качества технологического процесса на уровне функциональных подсистем. Качество выпускаемой бумажной и картонной продукции характеризуется основными техническими показателями. Среди них основной вес (масса 1 м ), влажность, зольность, толщина, белизна, гладкость, цвет, лоск, непрозрачность, сопротивление излому, разрывная длина, прочность на разрыв в продольном и поперечном направлениях, сопротивления продавливанию, изгибу, число двойных перегибов, степень проклейки [7]. В состав основных нормируемых показателей - технологических переменных процесса - входят основной вес и влажность бумаги либо картона.
В значительной степени качество бумажного либо картонного полотна определяется точностью поддержания и однородностью распределения в продольном и поперечном направлениях технологических переменных процесса. Несмотря на различную физическую природу формирования технологических переменных, они имеют некоторые общие закономерности, демонстрирующие случайный характер распределения по поверхности полотна и неодинаковый статистический характер распределения в продольном и поперечном направлениях. Последнее обстоятельство делает необходимым раздельное управление основными технологическими переменными в продольном и поперечном направлениях.
При отсутствии автоматического управления процессом производства бумаги, примерно 40 % отклонений технических показателей относятся к продольному направлению, 40% - к поперечному и 20% составляют высокочастотные изменения показателей в продольном направлении.
При формировании качественных показателей бумажного или картонного полотна отдельно ставится задача регулирования некоторых механических переменных посредством системы многодвигательного электропривода машины. Так, например, большое влияние на механические свойства полотна бумаги или картона оказывает его натяжение в прессовой и сушильной частях [8]. При чрезмерном натяжении полотна между прессами увеличивается анизотропия его механических свойств, так как волокна преимущественно ориентируются в продольном направлении, поэтому растяжимость полотна по ходу машины понижается и возможны его обрывы. При отсутствии натяжения полотно провисает, что также нередко является причиной его обрывов из-за образования складок. Поддержание определенного натяжения полотна в сушильной части машины необходимо также для предотвращения обрывов и для обеспечения возможности его усадки в процессе сушки.
Алгоритмы компенсации транспортного запаздывания в сепаратных каналах регулирования основного веса и влажности
Характерной особенностью большинства технологических объектов является наличие значительных запаздываний в каналах управления и измерения, что объясняется конечной скоростью распространения сигналов информации в объектах. При осуществлении регулирования технологических переменных бу-маго- или картоноделательной машины, измерение переменных на выходе машины отсрочено по крайней мере на интервал сканирования (обычно 20 секунд) и на величину транспортного запаздывания, которая может составлять от 2 до 5 минут. Наличие запаздывания в технологическом объекте резко ухудшает динамику замкнутой системы [36]. Обычно при отношении т/7 0,5 типовые законы управления не могут обеспечить высокую точность и быстродействие процесса регулирования. Главной причиной здесь является резкое снижение критического коэффициента усиления системы при увеличении запаздывания в объекте управления.
Повысить качество регулирования технологических переменных можно либо путем уменьшения запаздывания в объекте, либо за счет применения регулятора более сложной структуры. С учетом указанных особенностей объекта управления, целесообразна реализация САУ основным весом и влажностью с использованием эталонной модели процесса, как части алгоритма управления.
Рассмотрим одноконтурную архитектуру системы управления процессом, представленную на рис. 2.2. Каждый контур производственного процесса имеет динамику, которая может быть представлена звеном первого порядка и звеном чистого запаздывания. На рис. 2.2 измеряемая переменная представлена как х, задание - у3, входной сигнал ошибки на контроллер - et, и выход контроллера -и. Дифференциальное уравнение первого порядка описывает предсказанную величину z измеряемой переменной. Этот сигнал задержан во времени на т секунд, что генерирует оценку s, измеряемой переменной X.
Передаточная функция W0 описывает объект управления, Wu0 - модель объекта, Wp - регулятор, е тр - чистое запаздывание в процессе регулирования.
Для формирования сигнала ошибки используются два сигнала обратной связи: во-первых, предсказанная величина измерения z подается по обратной связи к суммирующему соединению нормальным способом, и, во-вторых, разность, ет, между предсказанной величиной s, и измеренной х - также является обратной связью к суммирующему соединению. Сигнал в результате суммирования представляет собой ошибку моделирования [37].
Для моделирования процессов регулирования в рассматриваемых структурах представим передаточные функции объектов управления основным весом и влажностью в виде апериодических звеньев первого порядка с коэффициентами усиления кои к02 и постоянными времени изменения основного веса и влажности Т0\, Т02 соответственно. Контуры регулирования расхода густой массы и давления пара также представляются в виде апериодических звеньев с эквивалентными малыми постоянными времени Тм\, Тр2. Времена запаздывания с моментов подачи управляющих воздействий на клапаны регулирования расхода густой массы и давления пара до момента достижения изменений основного веса и влажности сканера представлены блоками чистого запаздывания с передаточными функциями Q T P, Q T2P. Эталонные модели также представлены апериодическими звеньями с блоками чистого запаздывания, параметры которых идентичны параметрам объектов управления. Здесь и в дальнейшем для построения переходных процессов будем использовать математическое описание САУ технологическими переменными в относительных единицах. Базовые значения переменных выбираются согласно установленных ГОСТом требований к основному весу и влажности выпускаемых промышленностью сортов бумаги и картона. За базовые постоянные времени при исследовании контуров регулирования основного веса и влажности принимаем соответственно постоянные Т0\ и Т02.
Эффективность введения эталонной модели для объекта с запаздыванием иллюстрируется на рис. 2.3, где представлены переходные процессы в контуре влажности при отработке единичного ступенчатого управляющего воздействия.
Рассмотренная выше структура больше известна как упредитель Смита [27]. Аналогом упредителя Смита является регулятор Далина [28, 29], дискретная форма которого получила широкое применение в автоматизированных системах управления основным весом и влажностью бумажного и картонного полотна. Особенностью алгоритма Далина является то, что настройка регулятора сводится к вариации одного параметра - постоянной времени замкнутой системы Т3- 2ТИ. Передаточная функция замкнутой системы имеет вид.
Оптимальный регулятор для объекта второго порядка с запаздыванием состоит из типового ПИД-регулятора и корректирующего устройства, в структуре которого содержится два инерционных звена и одно интегрирующее. Существенно упростить расчет параметров астатического регулятора состояния позволяют модальные цифровые алгоритмы управления [40]. Структура модального цифрового регулятора с упредителем выходных сигналов объекта управления приведена на рис. 2.5.
Другими вариантами дискретных регуляторов, применяемых в системах с транспортными запаздываниями, являются регуляторы Калмана и Острёма.
Разработка регулятора Калмана [31] основана на процедуре минимизации времени выхода управляемой переменной на заданное значение за определенное число периодов дискретности системы. Определить выражения для управляемой переменной и управляющего воздействия можно исходя из накладываемых на них ограничений. При этом в качестве задающего воздействия используется его ступенчатая форма.
Метод Острёма [30] эквивалентен разработке такой передаточной функции замкнутой системы, которая имеет полюса, однозначно определяемые через характеристики полинома возмущающего воздействия. Это означает, что при проектировании системы с этим регулятором необходимо знать характер действующих на систему возмущений и точки их приложения, что не представляется возможным при автоматизации бумаго- и картоноделательных машин.
Эффективность рассмотренных алгоритмов компенсации транспортного запаздывания в объектах первого и второго порядка, которые в общем случае достаточно точно описывают процессы изменения технологических переменных на бумаго- и картоноделательных машинах, определяется степенью чувствительности регуляторов основного веса и влажности к оценке параметров модели объекта управления. Исследования показали, что системы с регуляторами Смита и Далина не требуют точных знаний о характере возмущающих воздействий, обеспечивают наименьшую чувствительность САУ технологическими переменными к оценке параметров модели объекта управления и наиболее простую настройку системы [9]. Вместе с тем, алгоритмы управления технологическими переменными должны учитывать взаимосвязи переменных, обеспечивать динамическую компенсацию транспортных запаздываний в прямых и перекрестных каналах объекта, оценку изменения параметров объекта при изменении условий протекания технологического процесса, таких как смена сорта продукции, изменение скорости машины.
Автоматизированные мехатронные модули в сушильных агрегатах бумаго- и картоноделательных машин
Другой способ применения устройств электрического и электромагнитного нагрева сушильных цилиндров заключается в помещении в полость цилиндра электрических либо электромагнитных нагревателей. Нагрев корпуса цилиндра в данном случае может осуществляться как непосредственно путем передачи джоулева тепла, выделяющегося при пропускании электрического тока через резистивные элементы, расположенные по внутреннему радиусу цилиндра [63], так и путем наведения в корпусе цилиндра вихревых токов. В последнем случае, наряду со статорными обмотками асинхронного двигателя, в полости цилиндра размещены обмотки электромагнитного тормоза с целью создания возможности управления мощностью наводимых в корпусе цилиндра вихревых токов [64]. В обоих случаях легко реализуема коррекция влажности полотна материала по ширине сушильного цилиндра, путем секционирования электрических нагревателей и поочередного размещения тормозных и двигательных обмоток.
В процессе сушки ленточных материалов наблюдается значительная усадка высушиваемого полотна в продольном и поперечном направлениях, что заставляет устанавливать соотношения скоростей между приводными группами сушильной части. Представленное решение позволяет оптимально решить данную задачу, обеспечивая индивидуальный привод цилиндров сушильной части. Применение индивидуального безредукторного привода сушильных цилиндров позволяет устранить вредное влияние упругостей кинематических передач на качество управления скоростью и соотношением скоростей, снижает стоимость привода и значительно повышает его эффективность.
Еще одной задачей, успешно решаемой в данном варианте, является защита привода сушильной части от попадания влаги и пыли, образующихся в процессе сушки влажного полотна. Тормозные, двигательные обмотки и нагревательные элементы находятся в герметичном корпусе цилиндра, что обеспечивает высокую надежность их функционирования.
Рассматривая данный способ сушки с точки зрения энергосбережения, необходимо заметить, что эффективность электрического и электромагнитного нагрева в 2-3 раза выше, чем парового, и по предварительным подсчетам на примере бумажного производства затраты на электроэнергию для сушки единицы продукции оказываются ниже, чем стоимость эквивалентного объема сжигаемого газа. Преимуществом здесь также является совершение теплом, выделяющимся в тормозных и двигательных обмотках, полезной работы по нагреву поверхности цилиндра.
Приведем основные теоретические положения, обосновывающие возможность применения мехатронных модулей с управляемым электронагревом в процессах контактной сушки ленточных материалов [65,66].
Цилиндр нагревается за счет вихревых токов, индуцированных в стальном массиве цилиндра вращающимся магнитным полем. При этом, меняя амплитуду такого магнитного поля, можно изменить амплитуду вихревых токов, а следовательно, и рабочую температуру цилиндра. Схема модуля представлена на рис 3.6. На рис. 3.6. показаны пять тормозных и двигательных секций. В действительности число секций может быть различным в зависимости от постановки задачи регулирования профиля влажности полотна.
Полый стальной цилиндр 1 имеет магнитную проницаемость материала д. и удельную электропроводность материала у. Внутри цилиндра расположено несколько цилиндрических пакетов стали, в пазах которых размещены трехфазные обмотки, создающие вращающиеся магнитные поля. В целом, данное устройство можно рассматривать как обращенную асинхронную машину, совмещающую в себе несколько асинхронных машин, каждая из которых имеет свой статор (2,3) и общий для всех машин внешний массивный ротор 1. Две из этих машин 2 работают в двигательном режиме, обеспечивая вращение цилиндра - ротора, а остальные 3, работающие в режиме электромагнитного тормоза, предназначены для нагревания цилиндра. Предлагаемая конструктивная схема дает возможность получить желаемое распределение вихревых токов по его длине.
Вихревые токи, циркулирующие в цилиндре и создаваемые вращающимися магнитными полями всех статоров, будут основным источником его нагревания, в то время как потери энергии в меди обмоток и стали статоров будут обеспечивать дополнительный подогрев цилиндра.
Для решения задачи по распределению вихревых токов воспользуемся двумя первыми уравнениями Максвелла в дифференциальной форме, записанными относительно комплексных амплитуд напряженности магнитного поля Н»1, напряженности электрического поля Ети плотности вихревых токов 8 [67,68].
Выберем цилиндрическую систему координат (р, ф, z), в которой ОСЬ Z совместим с осью цилиндра. Так как торцевые части цилиндра выступают по отношению к статорам 4, то можно предположить, что за исключением торцевых зон цилиндра, во всей остальной его части плотность вихревых токов
Сбудет иметь только аксиальную составляющую 8т2. Это допущение будет справедливо и для векторного магнитного потенциала Ат = Ат2. В соответствии с этим имеем.
Вихревые токи, обусловленные двигательными и тормозными элементами, проходят одинаковыми путями в пределах стального цилиндра. Поэтому, чтобы исключить взаимное влияние двигательных и тормозных элементов, целесообразно выполнить их с разным количеством пар полюсов. В частности, желательно, чтобы число пар полюсов рТ тормозных элементов было бы больше числа пар полюсов р двигательных элементов. Это дает возможность повысить частоту вихревых токов f2t тормозных элементов, являющихся основным источником нагревания цилиндра.
С другой стороны мощность Р2т = Рвх.т и определяется выражением (3.33). Она является мощностью вихревых токов, обусловленных тормозными секциями. Соответственно АРм2 = РВХ5 т.е. выражение (3.33) определяет и электрические потери в роторе, обусловленные двигательными секциями. Обе составляющие мощности вихревых токов полезно используются для нагрева.
Энергетическая диаграмма мехатронного модуля приведена на рис. 3.7.
Система управления частотой вращения и температурой цилиндра представляет собой взаимосвязанную систему управления. Дополнив приведенные выше уравнения уравнением, описывающим тепловые процессы в цилиндре, получим полное математическое описание мехатронного модуля с управляемым электронагревом.
Суммарная мощность, выделяемая в цилиндре, расходуется непосредственно на его нагрев. Применительно к одномерному потоку тепла в бесконечной плоской стенке, за которую может быть принята стенка цилиндра, а также пренебрегая краевыми эффектами в торцевых зонах цилиндра, распределение температуры по глубине может быть получено из уравнения Фурье с правой частью, неравной нулю [62].
Функциональная схема мехатронного модуля с управляемым электронагревом показана на рис. 3.8. Управление скоростью и температурой выполняется в соответствии с заданиями со3 и Т3 через блок управления скоростью БУС и блок управления температурой БУТ с воздействием на преобразователь частоты ПЧ в канале управления электромагнитным моментом двигателя и на преобразователь напряжения ПН в канале управления тормозным моментом. Скорость и температура измеряются датчиками ДС и ДТ.
Блок БУС включает в себя систему векторного управления скоростью двигателя. Принимая во внимание то, что при регулировании температуры цилиндра будут существенно изменяться сопротивление и постоянная времени ротора целесообразно использовать электропривод серии ACS 600 фирмы ABB, в котором использована концепция прямого управления моментом [17]. Функциональная схема блока управления скоростью показана на рис. 3.9. Алгоритмы управления скоростью в такой структуре подробно описаны в [57].
Аппаратура и программное обеспечение системы управления КДМ
Система управления машиной многофункциональна, она решает задачи управления качеством и задачи простого локального регулирования параметров процесса. Система состоит из аппаратуры и программного обеспечения, которые помогают оператору управлять технологическим процессом.
Аппаратура представлена на функциональной схеме (рис. 4.2) и состоит из следующих основных устройств: технологических контроллеров А-410 и МР-200; операторских станций OS-515; сканирующей интеллектуальной платформы с датчиками веса, влажности и толщины (сканера); принтеров; системной шины МВ-300; сетевой шины TCP/IP. Перечисленные аппаратные средства, за исключением сканера с датчиками, являются компонентами распределенной системы управления технологическими процессами ABB Master.
Технологические контроллеры предназначены для получения информации о состоянии технологического процесса от различных датчиков, обработки полученной информации в соответствии с заложенной программой, выдачи управляющих воздействий на процесс. К технологическому контроллеру МР-200 подключен сканер, датчики и исполнительные механизмы постоянной части машины. К технологическому контроллеру А-410 подключены датчики и исполнительные механизмы, расположенные на оборудовании: для подачи густой массы и химикатов, паро-конденсатной и вакуумной систем.
Станции оператора предназначены для отображения информации о технологическом процессе, задании режимов управления процессом и ввода заданий параметров процесса.
Сканер, или интеллектуальная платформа, предназначен для перемещения установленных на нем датчиков веса, влажности и толщины поперек движущегося картонного полотна. Для измерения используется радиоактивный источник излучения частиц. Сканер оснащен собственным контроллером, который обрабатывает информацию, поступающую с датчиков, и передает по специальной связи в технологический контроллер МР-200. Для обеспечения постоянной точности измерения контроллер автоматически выводит датчики за край картонного полотна и проводит стандартизацию. Сканер в режиме непрерывного сканирования собирает информацию о продольном и поперечном профиле картонного полотна по весу, влажности и толщине.
Принцип измерения, применяемый в микроволновых датчиках веса, влажности и толщины, основан на измерении диэлектрической постоянной картонного полотна. Датчиком служит микроволновый резонатор, разделенный на две половины. Картонное полотно проходит через зазор между половинами резонатора и вызывает сдвиг частоты резонанса. Верхняя половина датчика содержит осцилляторы и дополнительные логические цепи для определения сдвига частоты резонанса. Нижняя часть датчика служит приемником, где происходит обработка полученной информации и формирование данных сканирования. Величина сдвига частоты резонанса зависит от толщины полотна и от его диэлектрической постоянной. Диэлектрическая постоянная абсолютно сухого волокна составляет около 2.5, а воды - 80; таким образом, изменения сухости, а следовательно и основного веса, полотна вызывают значительные изменения суммарной диэлектрической постоянной, которые фиксируются и обрабатываются модулем процессора сканера.
В системе используются два принтера: струйный цветной для печати копий кадров; матричный, подключенный к станции оператора на накате, для печати рапортов.
Информация от технологического контроллера на станцию оператора и обратно передается по системной шине. Сетевая организация системы позволяет выводить на операторскую станцию информацию с любого технологического контроллера, подключенного к сети.
Сетевая шина предназначена для подключения сетевого принтера и обеспечения возможности подключения к другим системам управления, учета и т.д.
Программное обеспечение системы реализовано на базе системы Ас-cuRay-1190 [34], которая включает в себя следующие основные программы-модули управления: основным весом картонного полотна вдоль машины; влажностью картонного полотна вдоль машины; координированное управление сушкой картонного полотна; координированное управление изменением скорости машины; управление восьмью фермерами; подачей массы по слоям; концентрацией; локальными контурами регулирования. По своей структуре система AccuRay-1190 разделена на две части: DCS (Digital Control System) -локальная цифровая система управления и QCS (Quality Control System) - система управления качеством. Первая реализует следующие функции: проверку состояния оборудования перед пуском; пуск и останов оборудования (локальных исполнительных устройств - электроприводов, насосов, клапанов); контроль состояния оборудования в процессе рабочего функционирования. Вторая реализует функции: регулирования скорости машины, температуры и давления пара сушильных групп, технологических переменных (влажности и основного веса картонного полотна); подачи массы по слоям, управления концентрацией; автоматической оптимизации процесса в режиме рабочего функционирования. Ввиду отсутствия на КДМ механизмов регулирования поперечного профиля полотна картона, основные функции системы управления качеством процесса производства картона на машине сводятся к управлению продольным профилем картонного полотна, реализованному согласно принципам, рассмотренным в главе 1.
Управление технологическим процессом осуществляется со станций оператора, в состав которых входит монитор, специальная клавиатура и трекбол. На мониторе отображается вся информация о процессе в виде функциональных кадров. Система управления дает оператору возможность: видеть состояние параметров технологического процесса; управлять параметрами технологического процесса в различных режимах, начиная с ручного управления клапанами и другими исполнительными механизмами до автоматического управления основным весом картонного полотна, влажностью и т.д.; отображать предысторию технологического процесса в виде трендов (графиков изменения значений параметров во времени), на которых можно произвольным образом совмещать одновременно до шести параметров; печатать рапорта; печатать копию экрана.
Процессы управления весом и влажностью полотна и скоростью машины опишем, используя функциональные схемы систем управления технологическими переменными и скоростью [75].
Системы управления весом и влажностью полотна (рис. 4.3) имеют ряд функциональных блоков, соответствующих структуре комбинированной системы. В блоке преобразования задания происходит преобразование значения, заданного оператором, в формат, с которым оперирует система управления. В большинстве функционирующих систем величина задания находится в виде единиц величины абсолютно сухого веса. Если оператор вводит новое значение основного (фактического) веса, то задание для системы управления в виде сухого веса рассчитывается из нового значения основного веса и влажности.
Блок регулятора объединяет модуль ПИ-регулятора с модулями управления заданием, режимами, проверкой на предельные значения сигналов. При изменении величины задания для системы управления, новое задаваемое значе ниє проверяется на соответствие допустимому диапазону задания. Если новое задание входит в пределы диапазона, то текущее значение задания изменяется до нового заданного значения с заранее определенным темпом. Если новое задание выходит за допустимый предел, то текущее задание изменится до этого предела и на станцию оператора поступит сигнал о превышении предела. Максимальное допустимое значение ошибки рассчитывается исходя из коррекции по обратной связи и изменения задания. При изменении задания ошибка резко увеличивается. При фиксировании чрезмерной ошибки блок управления режимами приостанавливает работу блока регулятора.
Модуль управления режимами связывает ПИ-регулятор с рабочим режимом регуляторов нижнего уровня, рабочим режимом сканера, а также выполняет функции приостановки процесса управления при получении соответствующих сигналов модулей ПИ-регулятора и человеко-машинного интерфейса (управление режимами со станции оператора).
