Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
Глава I. АНАЛИЗ ТРЕЬОВАШЙ К ЭЛЕКТРОПРИВОДУ СТЕГОПРЯ - даЛЬНОГО МОДУЛЯ 15
1.1. Анализ технологической схемы агрегата производства непрерывного стеклянного волокна 15
1.2. Разработка алгоритма логического управления взаимосвязанным электроприводом МСП 22
1.3. Теоретические и экспериментальные исследования основных установившихся состояний электропривода бобинодержателей модуля 28
1.4. Анализ требований к электроприводу в режиме автоматической перезаправки волокна 33
1.5. Анализ требований к электроприводу бобинодержателей МСП в режиме программного регулиро - вания 36
Анализ и выбор устройств программного управ ления электроприводом , 36
Выводы 41
Глава П. ТЮРЕІИЧВСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУСКОВЫХ РЕЖИШВ" ЭЛЕКТРОПРИВОДА БОБИНОДЕРЖАТЕЛЕЙ.
2.1. Экспериментальные исследования электропривода бобинодержателей 53
2.2. Анализ законов рационального управления электроприводом по системе "ПЧ-Д"; обоснование основных допущений при выборе закона управления .54
2.3. Разработка инженерной методики расчета на ЦВМ оптимальных законов управления электроприводом по частным критериям качества 66
Выводы 98
Глава Ш. АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ СТРЖЕУРНОГО ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ СТЕКЛОПРЯдаЬНОГО МОДУЛЯ. РАЗРАБОТКА РАЩОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ юо
3.1. Определение задач, решаемых микро-ЭВМ в сие -теме управления электроприводом 100
3.2. Разработка принципов и вариантов построения системы электропривода модуля с ПЭКВМ в контуре управления. Анализ функциональных воз -можностей Ю2
3.3. Выбор типа микро-ЭВМ, обоснование и разра ботка структуры системы электропривода с уп равлением от микро-ЭВМ 124
Выводы 129
Глава ІУ. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ООСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРИНЦИ ПОВ ОРГАНИЗАЩИ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ 131
4.1. Анализ функционирования цифровых устройств связи микро-ЭВМ с электроприводом по системе "ПЧ-Д" 131
4.2. Исследование и разработка рациональной ор -ганизации, алгоритмов преобразования и программного обеспечения устройств сопряжения микро-ЭВМ с преобразователем частоты на базе микропроцессора серии К584 140
4.3.Разработка методик расчета основных параметров микропроцессорных устройств сопряжения 151
4.4.Синтез универсальной структурной организации микропроцессорного программируемого устройст ва для управления электроприводом МСП 154
-4.5. Исследование и выбор способов измерения частоты вращения двигателя, реализуемых на ба - зе микро-ЭВМ 166
Выводы 175
Глава У. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО -АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ; ПРОВЕРКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ДОССЕРТА -ЩИ МЕТОДАМИ ЭКСПЕРИМЕНТА И МОДЕЛИРОВАНИЯ 178
5.1. Аппаратная реализация системы управления электроприводом МСП на базе микро-ЭВМ "Электроника C5-I2" 178
5.2. Разработка алгоритмов и программ управления взаимосвязанным автоматизированным электроприводом 184
5.3. Разработка микропроцессорного преобразова -теля "код - угол горения" тиристоров выпрямителя на базе микропроцессора серии К584 .197
5.4. Разработка универсального микропроцессорного программируемого устройства управления ти -ристорами инвертора 204
5.5. Разработка и экспериментальные исследования алгоритмов программной реализации законов оптимального управления электроприводом бо-бинодержателей в пуско-тормозных режимах 212
5.6. Разработка цифровой модели электропривода по системе "ПЧ-Д", учитывающей особенности микропроцессорного управления 219
Выводы . .244
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 246
ЛИТЕРАТУРА 254
СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЙ
Приложение I. КЛАССИФИКАЦИЯ И АНАЛИЗ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ
ШКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 282
Приложение 2. ИШОРМЩОННО-УПРАШІЯЩИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ
КОМПЛЕКС НА ВАЗЕ МИКРОКАЛЬКУЛЯТОРА БЗ-2І 296
Приложение 3. ЛИСТИНГ ПРОГРАМУЙ РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРО -
ЦЕССОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА БОШНОДЕЖАТЕЛЕй ПО СИСТЕМЕ "АИН-АД" С УЧЕТОМ РЕАЛЬНОГО ЗАПАЗ
ДЫВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ. ЯЗЫК -"ФОРТРАН" 310
Приложение 4. ДОКУМЕНТЫ О ВНЕДРЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ; ПРОТОКОЛЫ ЭКСПЕРИМЕН -ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ:
4.1. Протокол испытаний и экспериментальных исследований электропривода МСП с микропро -цессорной системой управления на базе микро-ЭВМ "Электроника С5-І2" 314
4.2. Протокол экспериментальных исследований электропривода и системы автоматического управления наматывающего аппарата (САУ -НАСТ) стеклопрядильного модуля на стенде сектора № 28 опытного производства ВНИИСПВ. 341
4.3. Протокол экспериментальных исследований технологических параметров автоматизированной стеклопрядильной линии 365
4.4. Протоколы совещаний по расширению использования и внедрению результатов работы в промышленности отрасли .373
4.5. Акты внедрения результатов работы 381
4.6. Заказ-наряд Минхимпрома СССР по теме 40-17 л
А, в рамках которой выполнялась настоя- 79-82
щая работа, объемы, сроки и порядок внедрения
4.7. Решение ВДНХ СССР о награждении разработк "Автоматизированный частотнорегулируемыйэлектропривод на базе микро-ЭВМ для стекло- прядильного модуля" медалями ВДНХ СССР .
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 гг. и на период до 1990 года", принятых ХХУІ съездом КПСС, выдвинуто требование "повысить технический уровень и качество продукции машиностроения, средств автоматизации и приборов, значительно поднять экономичность и производительность выпускаемой техники, ее надежность и долговечность. В этих целях обеспечить ускоренное развитие производства средств автоматиза -ции управления машинами и оборудованием, комплектных электроприводов с тиристорными преобразователями и микропроцессорами", /I/.
Решение поставленных задач неразрывно связано с созданием систем автоматизированного управления технологическими агрегатами на базе регулируемого электропривода, с помощью которого можно осу -ществить плавное и широкое регулирование скорости исполнительно -го механизма, т.е. обеспечить оптимальные технологические режимы. Применение электропривода и соответствующей системы управления поз -воляет легко автоматизировать технологический процесс, а безот -казная работа электропривода повышает надежность эксплуатируемых агрегатов. Поэтому, исследование и создание эффективных управляемых приводов является важной задачей теории и практики современного автоматизированного электропривода / 146 /.
Настоящая диссертационная работа, выполненная в Ивановском ордена "Знак почета" энергетическом институте имени В.И.Ленина , посвящена проблеме разработки и исследования взаимосвязанного автоматизированного электропривода с микропроцессорным управлением для стеклопрядильного модуля.
Ценные свойства стекловолокна, практическая неограниченность в сырьевых ресурсах определяют его особое место среди других видов искусственных волокон, что нашло отражение в решениях ХХУІ съезда КПСС: "На основе использования достижений науки и техники: ... развивать производство ... жаропрочных, химически стойкихнеорганических неметаллических материалов ... " / I /.
Области применения стекловолокна и изделий из него разнообразны и очень широки / 10,105,118 /. Непрерывное волокно формируется из расплава стекла, вытекающего через фильеры стеклоплавильного сосуда (рис.1-1). При поддержании постоянного дебита сосуда диаметр получаемого элементарного волокна определяется линейной скоростью вытягивания. В процессе намотки вырабатываемого волокна на бобину возрастает диаметр намотки (бобины) и при постоянной скорости вращения бобинодержателя диаметр волокна уменьшается.
Отечественные предприятия по выработке стекловолокна оснащены агрегатами (СПА-ЗС, СПА-4С, СПА-6С, СПА-ЗМ, СПА-5 и т.п.) с нерегулируемым приводом; бобинодержатели приводятся во вращение двигате -лем через клиноременную передачу, а изменение скорости вытягивания волокна (при переходе на другой номер нити) производится с помощью сменных шкивов.
Эти обстоятельства не позволяют получать нить высокого качества и лимитируют допустимую толщину намотки, вес бобины (до 400 г) и длину намотанной нити. В результате ограничивается производительность труда и производительность оборудования при выработке и дальнейшей переработке волокна.
Как показывает анализ тенденций развития отечественного и зару -бежного машиностроения в области стеклопрядения, анализ патентных и информационных источников /191,190,77,204,205,206/, повышение про -изводительности стеклопрядильных агрегатов и улучшение качества стекловолокна связаны с решением проблем создания рациональных систем автоматизированного регулируемого электропривода бобинодержате-лей, работающего по программно-временному принципу, устройств стабилизации линейной скорости вытягивания волокна,систем управления электрооборудованием стеклопрядильных агрегатов, выполненных с ис пользованием средств микропроцессорной техники / 93,94,98,188 191/.
Поставленные перед отраслью задачи увеличения выпуска стекловолокна не менее чем в два раза до конца XI пятилетки решаются путем реконструкции действующих цехов по производству непрерывного стеклянного волокна на базе нового технологического оборудования, разрабатываемого Всесоюзным научно-исследовательским институтом стеклопластиков и стеклянного волокна, наиболее перспективной моделью которого является стеклопрядильный модуль (МСП) / П-4.І, П-4,2 , П-4.6, 188,191 /.
МСП - первый высокопроизводительный стеклопрядильный агрегат,где основные технологические функции реализуются средствами взаимосвязанного автоматизированного электропривода с программным способом стабилизации линейной скорости вытягивания волокна по мере роста диаметра намотки. В МСП воплощен ряд прогрессивных технологических и конструктивных решений, не имеющих аналогов в отечественной и зарубежной практике и обеспечивающих существенное повышение произво -дительности единицы оборудования, труда оператора и качества волокна
В частности: автоматическое деление первичной нити на 2-4 пряди с последующей намоткой одновременно 2-4 паковок на один бобинодер -жатель; автоматическая перезаправка четырех прядей волокна с рабо -тающего бобинодержателя на резервный с захватом нитей за счет образования силы трения между поверхностью бобины ,и волокном, которые реализуются средствами автоматизированного взаимосвязанного элект -ропривода, где функции регулирования скорости вращения главного привода бобинодержателей необходимо сочетать с последовательностью операций переключательного типа для управления электроприводом вспомогательных механизмов (рис.1-І).
Поэтому, актуальной является задача исследования и обоснования требований к электроприводу во всех технологических режимах работы агрегата, разработка алгоритмов логического управления взаимосвязи ным электроприводом модуля.
В настоящее время доказана целесообразность применения главного электропривода бобинодержателей модуля с встроенными асинхронными электродвигателями специального исполнения обращенной конструкции и индивидуальными двухзвенными преобразователями частоты / 147 / , что подтверждается и практикой зарубежного машиностроения в области стеклопрядильного оборудования (аппараты F -2, F -22) / 77 /. Од -нако, как показали проведенные исследования / П-4.І /, остаются актуальными проблемы выбора и разработки системы электропривода , обеспечивающей, с целью снижения обрывности волокна, постоянство ускорения при разгоне бобинодержателей при реальных ограничениях по времени разгона и выходному напряжению инверторов; проблемы разра -ботки рациональных законов управления в пуско-тормозных режимах электродвигателями бобинодержателей обращенной конструкции специального исполнения, обладающими высоким моментом инерции, повышенными частотами питающего напряжения / 115,187 / и специфическими режимами работы / 95,191,147 /.
Повышение качества вырабатываемого стекловолокна связано с проблемой стабилизации линейной скорости волокна в процессе намотки.
В условиях стеклопрядильного производства, при высоких линейных скоростях вытягивания волокна, наличии паров замасливателя, абразивной пыли в зоне выработки наиболее перспективным является способ стабилизации линейной скорости вытягивания волокна по мере роста диаметра намотки путем программно-временного регулирования скорости вращения бобины.
Используемые для этих целей в настоящее время устройства, построенные по время-импульсному, кодо-частотному и аналогичным принципам, обладают рядом существенных недостатков:
- значительная методическая погрешность;
- способ ввода технологической информации определяется конкрет -ными конструктивными особенностями, сложен и неудобен в эксплуатации;
- "жесткая" программно-аппаратная структура подобных устройств ориентирована на реализацию законов программного управления для конкретного типа намотки.
В связи с этим, для МСП, предназначенного для выработки широкой гаммы тексов волокна высокого качества при различных типах намотки бобины на одном агрегате, актуальны задачи разработки и исследования универсальной системы программно-временного управления электроприводом, выполненной на базе средств вычислительной техники (МСВТ).
Обзор отечествен литературных источников / 77 , 200,155,159,153,123,128,98,94 / и проведенные исследования / 41,79, 61,63,64 / дают основания считать наиболее перспективным направлением в получении требуемых технико-экономических показателей ис -пользование цифровых систем управления электроприводом на основе больших интегральных схем (БИС), микропроцессоров (МП) и микро-ЭВМ.
В решениях Всесоюзного научно-технического совещания "Вентиль -ные автоматизированные электропривода и преобразователи с улучшенными характеристиками" переход на прямое цифровое управления с применением больших интегральных схем, микропроцессоров и микро-ЭВМ рассматривается как одно из важнейших направлений развития систем тиристорного автоматизированного электропривода / 36 /.
Рекомендациями Всесоюзной научно-технической конференции "Создание прогрессивного оборудования для производства химических воло -кон" предписывается при проведении научно-исследовательских работ ориентироваться на создание средств автоматизации и управления оборудованием с использованием микропроцессорной техники.
Принципиально, на базе микропроцессорных средств вычислительной техники (МСВТ) могут быть решены практически все задачи управления и регулирования электрических приводов. При этом вычислительное устройство на базе МСВТ может выполнять как традиционные функции обработки информации, регулирования частоты вращения, напряжения , так и более сложные задачи технологического управления электрооборудованием стеклопрядильного модуля.
С применением МСВТ для обработки информации в устройствах автоматического управления электроприводами появляются возможности реализации прогрессивных алгоритмов управления, которые не находили ранее соответствующего технического решения.
В отличие от традиционных цифровых систем управления электроприводами, получивших широкое распространение, вопросам проектирования и исследования которых уделяется большое внимание /2,3,4,16,54,72, 85,88,151,164,166,175 /, проблемы теории и практики применения МСВТ в системах автоматизированного электропривода технологических объ -ектов разрабатываются сравнительно недавно / 12,13,19,30,46,58,60 , 171 / и не получили достаточного развития.
Например, в работах / 64,207,83 / рассматриваются отдельные вопросы перспективного характера, связанные с решением на базе МСВТ частных задач контроля, моделирования технологического объекта уп -равления при производстве синтетических волокон, стекловолокна /64, 92,96 / световодов / 240, 241, 242 /, однако, комплексного решения проблема не получила. Это объясняется также и специфическими осо -бенностями МП и микро-ЭВМ, отличающими их от обычных управляющих машин и выдвигающими при применении микро-ЭВМ вопросы научного и практического характера. В частности:
- относительно низкая стоимость при значительной вычислительной мощности, позволяющие применять цифровые методы обработки информации там, где ранее они считались нецелесообразными, в частности, при организации устройств непосредственного цифрового управления электроприводом;
- относительно небольшой блок обработки данных, ведущий к при - менению МП для решения отдельных малых задач и необходимости анализа и разработки рациональных вариантов объединения МП в мульти - процессорные распределительные системы;
- модульная компановка и программируемость, позволяющая проек -тировать технические средства, оптимальным образом ориентированные для решения конкретных задач управления приводом при сохранении высокой универсальности исходных модулей;
- возможность программной реализации аппаратной логики, т.е. проектирования физической структуры вычислительной системы программированием ее структурных свойств, что требует рационального сочетания программных и аппаратных средств реализации систем управления;
- ограниченная длина слова, ведущая к необходимости многослов -ной обработки и требующая в общем случае большего времени расчета и оказывающая в ряде случаев существенное влияние на характеристики электропривода.
Таким образом, основная задача диссертации "Разработка, исследование и внедрение взаимосвязанного автоматизированного электропри -вода с программным микропроцессорным управлением для нового высокопроизводительного стеклопрядильного агрегата" связана с решением следующих частных задач:
- исследование технологического процесса и формирование требований к электроприводу стеклопрядильного модуля с учетом возможностей и особенностей микропроцессорного управления; разработка алгоритмов логического управления взаимосвязанным электроприводом модуля;ана -лиз существующих устройств программного управления электроприводом бобинодержателей в режиме стабилизации линейной скорости вытягива -ния волокна;
- исследование существующей системы электропривода и разработка рациональных законов управления в пуско-тормозных режимах ;
- исследование и анализ возможных вариантов реализации системы управления взаимосвязанным электроприводом МСП на базе микропроцессорных средств вычислительной техники, выбор типа микро-ЭВМ и раз -работка рационального структурного построения микропроцессорной сие темы непосредственного цифрового управления электроприводом модуля; теоретические исследования и разработка рациональных вариантов организации программно-аппаратных средств сопряжения микро-ЭВМ с электроприводом по системе "ЇЇЧ-Д" бобинодержателей модуля;
- разработка методик расчета, рекомендаций по применению отдельных микропроцессорных устройств управления приводом;
- анализ динамики электропривода бобинодержателей с учетом ре -ального запаздывания микро-ЭВМ и особенностей цифрового микропро -цессорного управления;
- практическая разработка, экспериментальные исследования и внедрение электропривода модуля с управлением от микро-ЭВМ.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой Минхимпрома СССР: заказ-наряд 40-17 (приложение 4.6), а также 79-82 А планом работ в рамках межвузовской целевой научно-исследовательской программы "Оптимум", утвержденной приказом MB и ССО СССР № 399 от 17.04.80.
Полученные в диссертационной работе результаты и выводы реализованы в двух опытно-промьшленных образцах, внедренных на опытном заводе ВНИИСПВ г. Крюково. Экономический эффект от внедрения - 4,5 тыс.руб./год. Планируемый объем внедрения на предприятиях отрасли -согласно заказ-наряда Минхимпрома СССР - 2000 комплектов оборудования.
Образец частотно-регулируемого электропривода на базе микро-ЭВМ для стеклопрядильного модуля экспонировался на ВДНХ СССР и отмечен тремя медалями.
