Содержание к диссертации
Введение
1 Задачи управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича требуемой прочности
1.1 Особенности пластического формования керамической массы в шнековом вакуум-прессе
1.1.1 Структура технологического процесса производства керамического кирпича
1.1.2 Конструкция шнекового вакуумного пресса
1.1.3 Электротехнический комплекс формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе
1.2 Влияние параметров процесса пластического формования на качество керамического кирпича
1.3 Обзор известных систем управления электротехническими комплексами формования керамических изделий
1.4 Задачи управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе
1.5 Выводы по первой главе
2 Математическое описание электротехнического комплекса формования керамической массы как объекта управления
2.1 Определение объекта управления, основные возмущения
2.2. Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса
2.2.1 Уравнения движения керамической массы в формующем звене шнекового пресса
2.2.2 Граничные и начальные условия
2.3 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса. Оценка адекватности вычислительной модели
2.4 Синтез структуры процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления
2.5 Обобщенная математическая модель электротехнического комплекса формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе как объекта управления
2.6 Синтез упрощенного объекта управления
2.7 Выводы по второй главе 3
Система автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы
3.1 Цели автоматизации процесса формования керамических камней
3.2 Система автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе
3.3 Требования, предъявляемые к системе автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ)
3.4 Математические модели основных звеньев системы управления электроприводом шнека
3.5 Параметрическая оптимизация регуляторов системы управления электроприводом шнека
3.6 Робастная устойчивость системы автоматического управления электроприводом шнека
3.7 Оценка влияния квантования на динамику цифровой системы автоматического управления электроприводом шнека
3.8 Выводы по третьей главе
4 Экспериментальные исследования объекта и системы управления
4.1 Методика экспериментальных исследований объекта управления
4.1.1 Вычислительная модель процесса течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса как объекта управления.
Методика исследования объекта управления
4.1.2 Переходные процессы в формующем звене шнекового пресса
4.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления
4.2.1 Структура вычислительной модели обобщенного объекта управления
4.2.2 Вычислительная модель обобщенного объекта управления в Matlab Simulink
4.3 Линеаризованная модель объекта управления
4.4 Натурные эксперименты
4.4.1 Объект испытаний
4.4.2 Цели исследования
4.4.3 Экспериментальная установка
4.4.4 Методика проведения испытаний
4.4.5 Результаты натурных испытаний
4.5 Структура модели формирователя сигнала задания САУ электроприводом шнека
4.6 Вычислительные эксперименты по исследованию системы автоматического управления
4.7 Оценка применения системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов
4.8 Методика инженерного проектирования системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ) 4.9 Техническая реализация САУ ЭКФКМ
4. Технико-экономический расчёт
4 1 Расчет капитальных вложений по базовому варианту
4 2 Расчет капитальных вложений по проектному варианту
4 3 Расчет экономической эффективности проекта
4. Выводы по четвертой главе
Заключение
Библиографический список
- Конструкция шнекового вакуумного пресса
- Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса
- Требования, предъявляемые к системе автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ)
- Оценка применения системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов
Конструкция шнекового вакуумного пресса
Шнековый вакуумный пресс (рис. 1.1.2) относится к машинам непрерывного действия для пластического формования кирпича из керамической массы относительной влажностью 1626 % [8, 9]. Он включает в себя смеситель 1, вакуум-камеру 12, собственно пресс 14 и формующее звено 15.
Лопастной двухвальный смеситель 1 предназначен для перемешивания и увлажнения керамических смесей, прошедших предварительную подготовку [10]. Конструктивно он представляет собой корыто, внутри которого вращаются (от двигателя 10 через ременную передачу 11 и раздаточную коробку 9) два смесительных вала. Каждый вал состоит из двух участков. На первом участке вал оснащен лопатками 6, расположенными по винтовой линии, на втором – разъемными винтовыми лопастями, образующими непрерывный винт 7 [11]. Лопатки предназначены для перемешивания массы, загружаемой через окно 2, и подачи ее к шнекам. Шнеки уплотняют массу, создавая при этом пробку, герметизирующую вакуум-камеру, и подают ее к вращающимся ножам – фрезам 8 (они закреплены на валах 5), которые измельчают перерабатываемую глину перед ее поступлением в вакуум-камеру [7]. При необходимости глиняная масса в смесителе доувлажняется паром (и/или водой). Пар подается в смеситель посредством трубопровода 3.
Для удаления воздуха, адсорбированного поверхностью глинистых частиц и приводящего к возникновению микротрещин в кирпиче [12], применяют вакуумирование.
Вакуум-камера 12 соединяется с корпусом смесителя через чугунную литую проставку (футерованную стальными сменными рубашками) [13, 14], а к шнековой камере пресса крепится квадратным фланцем, что обеспечивает возможность установки смесителя как параллельно оси пресса, так и под углом 90 к этой оси. В верхней части вакуум-камеры расположено отверстие, сообщающееся с вакуум-насосом 13.
Собственно пресс состоит из шнековой камеры 14 с шнековым валом 16 и питающими валками 17, и привода, который включает в себя двигатель 18, муфту, ременную передачу 19 и двухступенчатый редуктор 20.
Для обеспечения удобного обслуживания цилиндр шнековой камеры выполнен из двух скрепленных болтами половин, которые на шарнирах подвешены к корпусу. Для предотвращения истирания глиной стенки полуцилиндров футерованы сменными рубашками. Рубашки оснащены ребрами (рифами), препятствующими провороту массы. С этой же целью в цилиндр вмонтированы контрножи (свилерезы) [7]. Формующее звено 15 прикреплено к одному из кожухов осями и болтами, а к другому -предохранительными устройствами. При превышении усилия прессования расчетного значения срезной палец срезается и формующее звено открывается [14].
Шнековый вал 16 осуществляет перемещение и прессование формуемой массы [15]. Шнек однозаходный с двухзаходной выпорной лопастью, имеет непрерывную винтовую обтекаемую и гладкую поверхность лопастей, диаметр ступицы к головке пресса несколько уменьшается.
Питающие валки 17 предназначены для равномерной подачи глины к шнеками и препятствуют сводообразованию и возврату глины из-под шнеков в зону передней стенки шнековой камеры [7]. Формующее звено 15 (рис. 1.1.2) включает в себя головку 1 (рис. 1.1.3) и мундштук 3, а также дополнительные элементы.
Головка 1 [16] является промежуточным звеном между цилиндром пресса и мундштуком, движение в котором происходит за счет давления, создаваемого шнеком. Она преобразует форму поперечного сечения потока массы и обеспечивает равномерную подачу массы к мундштуку. Рисунок 1.1.2 – Конструкция шнекового вакуумного пресса Со стороны, обращенной к цилиндру, сечение головки круглое, со стороны мундштука – прямоугольное при выпуске прямоугольной ленты или круглое при выпуске ленты круглого сечения [16]. Для возможности регулирования длины головки (в зависимости от свойств обрабатываемой массы) шнековые прессы имеют специальные кольца 2, которые в случае необходимости устанавливаются между цилиндром и головкой.
Мундштук 3 (рис. 1.1.3) [16, 17] придает выходящей массе заданный профиль. Для крепления мундштука к головке пресса имеется специальная мундштучная плита 4.
На вакуумных прессах также изготавливают пустотелые изделия [18]. Для этого к мундштучной плите крепят сердечник, который состоит из скобы 5, кернодержателей 6 и кернов (пустотообразователей) 7, определяющих своим сечением и количеством вид и количество пустот в блоке [18, 19]. Электротехнический комплекс формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе Электротехнический комплекс формования керамической массы (ЭКФКМ) (рис. 1.1.4) в шнековом вакуумном прессе ШВП представляет собой совокупность собственно пресса ПР, совмещенного со смесителем СМ; вакуумного насоса ВН; ленточного питателя ЛП для загрузки керамической массы в смеситель; их приводных асинхронных двигателей АД1, АД2, АД3, АД4 и механических передач МП1, МП2, МП4; вакуум-камеры ВК; управляемых силовых преобразователей УСП1-УСП4; управляющего устройства УУ, которое включает программируемый контроллер, датчики технологических величин и электромагнитные клапаны для регулирования расхода воды и пара и обеспечивающие, тем самым, получение керамической массы с требуемыми влажностью и температурой.
Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса
Производство керамических камней включает в себя несколько основных последовательно выполняемых технологических этапов (рис. 1.1.1): подготовка керамической массы, ее увлажнение и перемешивание, вакуумирование, формование, сушка, обжиг. Каждый из них оказывает влияние на совокупность выходных показателей качества кирпича, в том числе - на прочность. Известно [27,30,59,74-77], что основное влияние на физико-механические характеристики кирпича оказывает процесс формования.
Установлено [27,30], что прочность на сжатие R керамических камней зависит от скорости сдвига у в формующем звене, влажности w (регулируемая системой увлажнения с помощью изменения расхода Qe воды, поступающей в смеситель [75]) керамической массы, а также величины разрежения Рв (определяемой частотой со03 напряжения, питающего приводной двигатель вакуумного насоса) в вакуумной камере. Также известно [58], что скорость сдвиговых деформаций у существенно зависит от скорости вращения сош шнека и индекса течения ц/ керамической массы. Как будет показано в главе 3 технически целесообразно реализовать систему автоматического управления процессом формования в виде системы с обратной связью по линейной скорости Ьхф движения сформованного сырца на выходе формующего звена. Для вычисления момента статической нагрузки приводного двигателя шнека, как будет показано далее, необходимо выделить промежуточную координату среднее давление Р 1=0 керамической массы за выпорной лопастью шнека [78].
При моделировании объекта управления введем ряд упрощений и допущений [58,59,79]. 1. Считаем, что предварительная обработка глины (до поступления в формующее звено) обеспечивает удаление из нее пузырьков воздуха, поэтому пренебрегаем сжимаемостью керамической массы и считаем, что плотность керамической массы неизменна по всему объему формующего звена. 2. Так как в смесителе рассматриваемого шнекового пресса применяется автоматическая система поддержания требуемой влажности, то полагаем, что отклонение влажности керамической массы, поступающей в формующее звено, находится в зоне допустимых отклонений. 3. Допускаем, что применяемый для увлажнения пар и/или вода имеют постоянную температуру, а поэтому формование керамических камней в прессе представляет собой изотермический процесс. 4. Учитывая незначительное влияние влажности глины w на ее индекс течения ц/, пренебрегаем зависимостью ц/ от w.
В рамках решаемой задачи автоматизации формования керамической массы в шнековом прессе при производстве кирпича с заданной величиной прочности будем рассматривать две формы объекта управления [59], а именно объект ОУ1 (рис. 2.1.1), являющийся составной частью системы управления шнековым прессом, и обобщенный объект управления ОУ2. Объект управления ОУ1 представляет собой совокупность гидродинамических процессов формования глиняной массы в вакуумном шнековом прессе и электромагнитных и электромеханических процессов в асинхронном приводе шнека. В ОУ1 в качестве выходных координат принимаем модуль скорости сдвига у , скорость вращения сош шнека, линейную скорость vX(p сформованного сырца среднее давление Р1=0 керамической массы за выпорной лопастью шнека, а в объекте ОУ2 - прочность R. В рассматриваемой постановке исследования объекта автоматизации допускаем, что основные управляющие воздействия U21, U22 вектора JJ2 (рис. 2.1.1) управления процессами сушки и обжига не изменяются во времени, поэтому для ОУ1 и ОУ2 частота a oi напряжения, питающего асинхронный двигатель привода шнека, является единым управляющим воздействием. Величины разрежения Ре и влажность w будем рассматривать как управляющие воздействия, а из отклонения от заданных величин являются возмущениями. Основное возмущающее воздействие – индекс течения керамической массы. Модель первого объекта описывается оператором А1. Под объектом управления ОУ2 понимаем совокупность объекта ОУ1 и технологических процессов сушки и обжига. Математическая модель ОУ2 включает в себя операторы А1 и А2. Очевидно, что оператор А1 описывает быстропротекающие, а А2 – медленные процессы производства керамического кирпича.
Рассмотрим динамику процесса пластического формования керамической массы в шнековом вакуумном прессе на примере производства кирпича 250x120x65 ГОСТ 530-2012 в предположении, что шнек оборудован системой автоматической стабилизации влажности керамической массы.
Расчетная схема и математическое описание динамики течения керамической массы в формующем звене шнекового пресса
Уравнения движения керамической массы в формующем звене шнекового пресса Рассмотрим штатный режим работы шнекового пресса, при котором под воздействием силы, создаваемой вращением шнека, керамическая масса движется в формующем звене (рис. 2.2.1). Для описания динамики этого процесса используем подходы, предложенные в работах [80,81]. С этой целью выделим элементарный объем керамической массы (рис. 2.2.1), находящейся в произвольной точке формующего звена в виде параллелепипеда с длиной ребер dx, dy и dz. Этот параллелепипед объема
Требования, предъявляемые к системе автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы (САУ ЭКФКМ)
В соответствии с ГОСТ 530-2012 [23] одной из основных характеристик кирпича является его марка М,- по прочности (где / - порядковый номер марки из возможного дискретного ряда к марок, производимых на конкретном технологическом оборудовании из глиняного сырья с известными характеристиками, і є к), которая определяет достаточно большой допустимый разброс значений прочности R керамических кирпичей на сжатие в границах установленных ГОСТом постоянных значений Яи и Rj. Например, при производстве кирпича марки М175 разброс AR значений прочности на сжатие находится в диапазоне 17.520 МПа; для М200 - 2025 МПа; для М250 - 2530 МПа; для М300 - 3040 МПа. Причем граница Яи соответствует наименьшему значению прочности кирпича, принадлежащего марке М,-. Естественно, что экономически целесообразно выбирать такой режим работы и, прежде всего, шнекового пресса [82,91,92] (так как именно скорость формования определяет, в основном, производительность предприятия по выпуску кирпича), при котором будет осуществляться стабильный выпуск кирпича с заданной прочностью R3i, максимально приближенной к границе Яи. Кроме того, такой режим позволит сократить затраты энергии на производство кирпича.
Наличие достаточно большого значения AR объясняется существенной нестационарностью как процесса формования (вариация характеристик керамической массы - влажность, индекс течения и др. [17,36,82], степени ее вакуумирования [27], технических характеристик шнекового пресса [29]), так и нестационарностью технологических режимов сушки и обжига.
Таким образом, основной задачей автоматизации управления электротехническим комплексом формования керамической массы является производство кирпича прочностью R3j, соответствующей марке кирпича М, при минимуме брака готовой продукции с максимально возможной производительностью в условиях существенной нестационарности физико-химических свойств глинистого сырья и наличии известных технологических ограничений, обусловленных конструкцией шнекового пресса и параметрами приводов. По результатам исследований (проведенных во второй главе) объекта управления, включающего в себя, в основном, технологический процесс формования камней в шнековом прессе, а также формирование прогнозируемой прочности R готовой продукции в условиях выполнения всего технологического цикла (формование, сушка, обжиг), установлено, что исследуемый объект управления является многомерным. Основной выходной координатой процесса формования является скорость сдвига у в выходном сечении формующего звена, которая (в допущении известных штатных режимов последующей сушки и обжига) функционально связана с прочностью R. Основным управляющим воздействием на процесс формования при известных значениях влажности w и индекса течения ц/ керамической массы, а также степени разрежения Рв в вакуум-камере пресса является частота a oi питающего приводной двигатель напряжения.
Недостатком систем, применяемых в настоящее время (рассмотрены в главе 1), является то, что они не позволяют достичь поставленной технологической задачи - выпуск кирпича со стабильным значением прочности, так как в них отсутствует управление по основному технологическому параметру, определяющему прочность R, - скорости сдвиговых деформаций у в формуемом сырце.
Таким образом, традиционные технологические пути обеспечения стабилизации R3j, связанные с повышением качества подготовки исходного сырья и глиняной массы, создание средств автоматизации и, в первую очередь, системы автоматической стабилизации влажности, давления в формующем звене, управления вакуумированием, не приводят к эффективной стабилизации требуемой величины R3j. Увеличение числа автоматически управляемых координат технологического процесса также не дает желаемых результатов, ввиду большого числа трудно формализуемых факторов, влияющих на производство кирпича прочностью R3j.
С точки зрения структурного построения объекта управления и системы автоматического управления в целом воздействия w, ц/ и Рв можно рассматривать и как управляющие и как возмущающие воздействия. Действительно, как показывают исследования Барабанщикова Ю.Г., прочность R нелинейно зависит как от скорости сдвиговых деформаций у на выходе формующего звена, так и от влажности керамической массы w.
С другой стороны влажность w является ярко выраженным возмущением на процесс формования, поэтому технологическая установка формования керамического кирпича оснащена системой стабилизации влажности керамической массы. Технически она реализуется в смесителе путем управления подачей увлажнителя (воды и/или пара).
Индекс течения ц/ керамической массы в значительной степени определяет скорость сдвиговых деформаций у . Для формирования требуемого значения ц/ могут использоваться как специальные виды измельчения сырья, так и дозирование различного рода добавок.
Разрежение Рв в вакуум-камере существенно влияет на прочность R. При последующем решении задач автоматизации процесса формования керамической массы принимаем допущение, что установка оснащена системами автоматической стабилизации влажности w и разрежения Рв. В этих условиях статические и динамические погрешности этих двух систем и отклонение величины ц/ будем рассматривать как возмущения на разрабатываемую систему автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы в функции скорости сдвига у .
Таким образом, необходимо разработать новые эффективные пути повышения производительности выпуска кирпича со стабильным значением R3i при уменьшении величины AR, базирующихся на использовании методов интеллектуального управления [93] сложными технологическими объектами с использованием элементов имитационного моделирования [94].
Оценка применения системы управления ЭКФКМ с формирователем вектора задающих сигналов
Техническая реализация управления процессом формования в шнековом прессе, обеспечивающая производство керамических камней с Rmp существенно осложняется, во-первых, нестационарностью сочетания требуемых значений w, ц/, Ре, соответствующих систем автоматической стабилизации этих параметров, во-вторых трудностью измерения у и в третьих необходимостью учета технологических переходов от формования кирпича до выпуска его в виде готовой продукции, то есть процессов сушки и обжига.
На основании результата, полученного в исследованиях, проведенных в п. 2.2.3, решение задачи выпуска керамических кирпичей требуемой прочности в условиях максимально достижимой производительности возможно с помощью применения системы автоматического управления электротехническим комплексом формования керамической массы при производстве кирпича в функции скорости сдвига с задатчиком-формирователем вектора задающих воздействий применяемых на этапе формования систем управления.
Смеситель и ленточный питатель существующих моделей шнековых прессов имеют нерегулируемые приводы, поэтому изменение у приводит к несоответствию производительностей ленточного питателя, смесителя и пресса, а следовательно и к изменению уровней заполнения heK и hCM вакуум-камеры и смесителя, соответственно. Такая технологическая рассогласованность работы отдельных устройств комплекса вызывает существенное отклонение свойств [68,95,96] сформованного кирпича от требуемых значений. Поэтому необходимо обеспечить автоматическое согласование режимов пресса, смесителя и ленточного питателя. Таким образом, кроме систем автоматического управления электроприводами шнека, вакуум-насоса и электромагнитным клапаном дозирования воды, определяющими скорость сдвига у, разрежение Рв и влажность w, соответственно, САУ ЭКФКМ включает в себя системы управления электроприводами ленточного питателя и глиносмесителя, поддерживающими уровни заполнения hсм смесителя и hвк вакуумной камеры. Таким образом, структура системы управления ЭКФКМ включает в себя пять сепаратных систем управления: электроприводом вакуум-насоса 1, электромагнитным клапаном дозирования воды 2, электроприводами ленточного питателя 3, смесителя 4 и шнека 5.
Данные системы могут рассматриваться как автономные не зависящие друг от друга и иметь каждая свой задатчик. Однако, на наш взгляд, целесообразно применить формирователь вектора задающих сигналов (ФВЗС) для систем управления процессом формования, который собирает и анализирует информацию, поступающую с этих систем. В настоящей работе подробно рассмотрена только система управления скоростью сдвига.
Функциональная схема обобщенной системы управления ЭКФКМ формования керамической массы на рисунке 3.2.1.
ФВЗС в соответствии с поступающими на его входы требуемой марки по прочности керамического кирпича и сигналами с устройств измерения разрежения в вакуум-камере шнекового пресса, влажности, индекса течения и скорости сдвига керамической массы вычисляет сигналы задания для частных систем управления, а также момент подачи этих воздействий.
Система управления электроприводом вакуум-насоса 1 работает следующим образом. Величина требуемой величины разрежения Рв.з приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДР текущего разрежения Рв в вакуум-кемере. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор RPв. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП3, вырабатывающий частоту 03 питающего напряжения приводного двигателя АД3 вакуумного насоса ВН, который создает расход Qвн, необходимый для достижения требуемого значения Рв в вакуум-камере ВК.
Система управления электромагнитным клапаном дозирования воды 2. Сигнал задания wз приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДВ влажности w керамической массы, установленного на выходе смесительной камеры СМ. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rw. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП5, вырабатывающий импульсы, управляющие электромагнитным клапаном ЭМК, который определяет расход Qe воды, поступающей в загрузочное окно смесителя СМ, обуславливающий значение влажности w.
Система управления электроприводом ленточного питателя 3. Сигнал задания heK3 приходит на прямой вход устройства сравнения, а его инверсный вход соединен с выходом датчика ДУ уровня heK керамической массы в вакуум-камере. Сформированный на выходе устройства сравнения сигнал поступает на регулятор Rh. Полученное рассогласование попадает на управляемый силовой преобразователь УСП4, вырабатывающий частоту со04 питающего напряжения приводного двигателя АД4 ленточного питателя, обеспечивающую скорость вращения смесительных валов сосм, а значит и подачу керамической массы GCM в вакуум-камеру, которая необходима для достижения требуемого уровня heK.
Система управления электроприводом смесителя 4. Для обеспечения наилучшего качества перемешивания [68,95] требуется поддерживать необходимую величину коэффициента заполнения смесителя ксм к = см V , где VCM - объем смесительной камеры; V - объем смесительной камеры, занятый керамической массой, допуская, что эта камера имеет форму прямоугольного параллелепипеда, имеем: VKM=bCM-LCM-hCM, bCM и LCM - ширина и длина смесительной камеры; hCM - высота заполнения смесительной камеры керамической массой.
Так как Ъсм и LCM являются постоянными параметрами, то, очевидно, что изменение коэффициента заполнения будет определяться вариацией величины hCM. На основании уравнения материального баланса можем записать уравнение изменения величины hCM