Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ принципов и методов моделирования процедур оптимального проектирования промышленных участков высокочастотного нагрева . 8
1.1. Классификация принципов, методов и средств моделирования электромагнитного поля промышленных установок. 8
1.2. Анализ и нормирование параметров электромагнитного излучения источников , 9
1.3. Обзор характеристик и возможностей программных систем моделирования распределения ЭМП. 14
1.4. Цель и задачи исследования. 17
2. Разработка моделей и методов прогнозирования распределения ЭМП на участке высокочастотного нагрева . 20
2.1. Обоснование возможности моделирования ЭМП установки индукционного нагрева точечным источником. 20
2.2. Разработка процедур прогнозирования распределения ЭМП установок индукционного нагрева. 22
2.3. Моделирование зависимости электрической составляющей электромагнитного поля от геометрических размеров и формы индуктора. 37
2.4. Моделирование зависимости электрической составляющей электромагнитного поля от магнитной проницаемости сердечника* 41
2.5. Противофазный метод компенсации электромагнитных полей установок индукционного нагрева, 43
Основные выводы второй главы. 53
3. Оптимизация проектирования промышленного участка ВЧ на базе установок индукционного нагрева . 54
3.1. Анализ технологических ограничений при оптимальном планировании участка ВЧ нагрева. 54
3.2. Выбор и обоснование функции приемлемого риска как целевой функции оптимизационной задачи . 57
3.3. Разработка алгоритма рационального планирования участка ВЧ нагрева. 62 Основные выводы третьей главы. 78
4 Разработка информационных и программных средств процедур оптимального планирования участка ВЧ нагрева . 79
4.1. Организация информационного обеспечения процедур моделирования и разработки участка ВЧ нагрева. 79
4.2. Структура программных средств подсистемы рационального планирования участка . 85
4.3. Графические средства визуализации результатов моделирования плана участка. 90
4.4. Анализ результатов моделирования рационального плана участка. 93 Основные выводы четвертой главы. 100
Заключение» 101
Список используемых источников.
- Анализ и нормирование параметров электромагнитного излучения источников
- Разработка процедур прогнозирования распределения ЭМП установок индукционного нагрева.
- Выбор и обоснование функции приемлемого риска как целевой функции оптимизационной задачи
- Структура программных средств подсистемы рационального планирования участка
Введение к работе
обработки материалов показывает, что одним из основных является их индукционный нагрев, преимуществом которого является быстрое обеспечение температурного режима, возможность локального нагрева, точность прохождения трассы нагрева (в случае необходимости закалки строго определенной части поверхности), отсутствие вещественного загрязнения окружающей среды вредными химическими элементами. Но при этом электромагнитное загрязнение рабочей зоны является одним из основных недостатков данного метода, реализуемого на базе высокочастотных индукционных установок.
Использование данного метода обусловливает необходимость использования в соответствующих производствах таких участков индукционного нагрева, на которых было бы обеспечено минимальное воздействие электромагнитного поля (ЭМП) на операторов. Структура участков индукционного нагрева, па которых в ограниченном пространстве расположены несколько установок индукционного нагрева (УИН), определяет необходимость разработки специальных средств моделирования распределения электромагнитного поля и оптимального размещения индукционных установок в пределах производственного участка с целью минимизации суммарного влияния поля одновременно работающих установок. При этом задачу со стороны оптимального размещения установок индукционного нагрева в пределах конкретного участка необходимо решать как на этапе проектирования, так и в условиях реконструкции.
На основе анализа известных подходов к моделированию распределения электромагнитного поля, наводимого одной и несколькими индукционными установками, должна быть проведена оценка возможностей использования для этих целей современных систем моделирования, разработаны оптимизационные модели и алгоритмы,
учитывающие динамическое изменение характеристик поля с течением времени, которые могут быть использованы для оптимального размещения установок в пределах участка индукционного нагрева.
Исходя из вышеизложенного актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки специальных средств моделирования распределения электромагнитного поля в пределах производственного участка индукционного нагрева, формирования модели размещения УИН, разработкой программного обеспечения решения задач выбора проектных вариантов.
Диссертационная работа выполнена в рамках ГБ НИР 2001.01 «Автоматизация проектирования электронных и электротехнических устройств с учетом эксплуатационных воздействии» и соответствует одному из основных научных направлении Воронежского государственного технического университета «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».
Цели и задачи исследовании. Целью диссертационной работы является разработка математических моделей, алгоритмов и программных средств моделирования распределения электромагнитного поля, позволяющих решить задачу поиска рационального варианта размещения установок индукционного нагрева в пределах промышленного участка.
Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:
провести анализ существующих принципов, методов и средств моделирования и ослабления электромагнитного поля;
выполнить разработку математических моделей, позволяющих производить расчет напряженности электромагнитного поля от нескольких установок индукционного нагрева;
- предложить новую высокоэффективную модель ослабления
электромагнитного поля нескольких индукционных установок на участке
высокочастотного нагрева и разработать реализующий ее метод;
- осуществить разработку алгоритмов, позволяющих решить задачу
оптимального размещения установок индукционного нагрева на участке,
обеспечивающих минимизацию напряженности электрической
составляющей поля в заданной зоне;
- разработать структуру комплекса программных средств,
реализующих модели и алгоритмы оптимального размещения
индукционных установок на участке высокочастотного нагрева.
Методы исследования. Полученные в работе результаты базируются на использовании основных положении теоретических основ электротехники, методов математического моделирования, оптимизации, численных методов, объектно-ориентированного программирования.
Hay ч пап новизна. В диссертационной работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
математическая модель распределения электрической составляющей напряженности электромагнитного поля от одной и системы установок индукционного нагрева, отличающаяся возможностью учета размера и формы индуктора, сдвига фаз, магнитной проницаемости материала заготовки и ее геометрии;
модель ослабления электромагнитного поля нескольких излучателей, отличающаяся возможностью описания распределения напряженности поля в ближней зоне с учетом интерференции колебаний от квазикогерентных источников;
гибридный оптимизационный алгоритм рационального
размещения установок индукционного нагрева на участке, отличающийся
быстрой сходимостью и обеспечивающий снижение уровня
напряженности электрической составляющей электромагнитного поля на рабочем месте за счет использования противофазного метода;
- структура специализированного программного обеспечения,
отличающаяся интеграцией расчетных и оптимизационных модулей с
системой MathCad и позволяющая моделировать распределение
6 электромагнитного лоля от нескольких установок индукционного нагрева и осуществлять поиск их рационального размещения па участке индукционного нагрева.
Практическая значимость. На основе предложенных методов, моделей и алгоритмов разработана библиотека модулей моделирования участка индукционного нагрева, позволяющая осуществлять поиск оптимального размещения УИН в пределах заданного пространства участка. Ее использование позволяет сократить временные затраты на планирование участка индукционного нагрева и повысить эффективность защиты обслуживающего персонала от воздействия ЭМП
Основные компоненты комплекса в виде системы распределения установок индукционного нагрева на участке и расчета напряженности электромагнитного поля зарегистрированы в Государственном фонде алгоритмов и программ РФ (№50200200570 и ЛЬ50200200573 от 25.10.2002г.)
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены на Воронежском механическом заводе при проектировании участка индукционного нагрева и в учебном процессе ВГТУ на кафедре промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности для студентов всех форм обучения радиотехнического и электротехнического профиля.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ (2000-2004г.г.); на Международной открытой конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2001); Всероссийских конференциях «Интеллектуальные информационные системы» (Воронеж, 2000, 2001, 2002); III Международном семинаре «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических
системах» (Воронеж 2004); Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2004).
Публикации, По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [96, 99, 102] -классификация методов и средств защиты от ЭМИ, постановка целен и задач исследования, [97, 100, 101] - противофазный метод защиты от ЭМП УИН, [94] - алгоритм моделирования распределения ЭМП УИН, [91, 92, 95] - оптимизационная модель и комплекс алгоритмов, реализующих процедуры моделирования для оптимального проектирования участка ВЧ нагрева, [93, 98] - структура программных средств оптимального проектирования участка.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 наименовании, содержит 102 страницы, 55 рисунков, 11 таблиц.
Анализ и нормирование параметров электромагнитного излучения источников
Широкое использование установок индукционного нагрева при всех достоинствах указанных выше, неотъемлемо влечет за собой электромагнитное загрязнение окружающей среды. Источниками электромагнитного поля (ЭМП) в промышленности являются; высокочастотпые плавильные печи, установки для закаливания, установки индукционного нагрева и т.п. [15, 16,64,85, 103,90].
Особенность использование УИН и выполнение требовании ГОСТ 12.1.006-84 [25, 26] практически всегда возникает необходимость ослабления уровня электрической составляющей ЭМП в заданной зоне. Наиболее простыми с точки зрения реализации являются методы ослабления воздействия на человека путем сокращения времени пребывания и увеличения расстояния, при этом без оптимального использования существующих методов защиты предприятие несет дополнительные экономические издержки. К затратам относятся: организация сменного режима на участке индукционного нагрева с целью разделения дозы, получаемой сотрудниками в течении рабочего дня, на нескольких человек [12, 17,23]. Это влечет за собой затраты на увеличение количества ставок и сокращение рабочего дня у каждого из сотрудников; увеличение затрат времени на дополнительные инструктажи по технике безопасности и изготовление наглядных плакатов, предостерегающих от ошибочных действий; увеличение затрат на медосмотры и реабилитацию сотрудников в связи с появлением профессиональных заболевании [29, 33, 56, 66]; дополнительные затраты на использование средств защиты; потенциальные затраты на возможное ужесточение норм по предельно допустимым значенням электромагнитного поля.
Несмотря на этот недостаток УИН, широкое распространение и внедрение нового оборудования и технологии на их основе обусловлено неоспоримым преимуществом перед классическими способами нагрева, а именно: отсутствием вещественного загрязнения, отсутствием жестких требовании к составу и качеству окружающей среды, быстрым достижением желаемых и высоких температур, высокой точностью по причине малой инерционности и большой мощности, экономией расходных материалов, энергетических и трудовых ресурсов, повышением производительности труда [30, 37, 51].
В ГОСТ 12.1.006-84 [25] введено понятие энергетической нагрузки (ЭН). ЭП — численная величина характеризующая дозу полученной человеком энергии. На основе этой величины легко осуществляется расчет допустимого времени нахождения человека в поле при условии многократной смены напряженности в течении некоторого промежутка времени. Оценка но ЭН используется для лиц, процесс обучения и работы у которых связан с необходимостью пребывания в ЭМП, превышающих естественный фон (кроме лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности) при условии прохождения этими лицами в установленном порядке предварительных, при поступлении на работу, и периодических медицинских осмотров по данному факту [25]. Это утверждено приказом Министра здравоохранения [16, 105], в котором отражен порядок прохождения освидетельствования.
Диапазон частот ЭМП, находящийся в пределах (ЗОкГц-300 МГц), который используется для работы промышленных установок, нормируется согласно ГОСТ 12.1.006-84 [26].
Математически ЭН в этом диапазоне определяется как произведение квадрата напряженности электрического поля на время воздействия па человека - для электрической составляющей, н произведение квадрата напряженности магнитного поля на время воздействия — для магнитной составляющей. ЭН,=Е2Т; (1.3) ЭНИ=Н2ТХ (1.4)
В табл. 1J приведены предельно допустимые значения электрической и магнитной составляющей ЭМП в диапазоне частот 30 кГц - 3 МГц. В зависимости от продолжительности воздействия на человека предельно допустимые значения напряженности поля приведены в табл. 1.2 [25].
При рассмотрении ЭМП от источника, его условно можно разделить на три зоны: ближняя зона - зона индукции, зона интерференции - промежуточная, волновая зона - дальняя или зона излучения, В том случае если геометрический размер источника излучения меньше длинны волны, то границы зоны определяются по следующим формулам [73, S0, 4] - ближняя зона; (1-5) Л/2тг R 2кк - промежуточная зона; (1.6) R 2лХ- дальняя зона. (1.7)
Особенностью распространения поля в ближней является отсутствие корреляции между электрической и магнитной составляющей. Соотношение 377//, используемое для электромагнитной волны не применимы, т.к. волна не сформировалась [15, 27, 54, 104].
Разработка процедур прогнозирования распределения ЭМП установок индукционного нагрева.
Разработка процедур прогнозирования распределения ЭМП установок индукционного нагрева. Целью прогнозирования распределения поля является наиболее точное определение напряженности ЭМП в любой точке, требуемой для определения санитарно защитной зоны и моделирования планировки участка ВЧ нагрева без проведения замеров. Проведение замеров при помощи приборов в большинстве ситуаций влечет за собой затраты неадекватные получаемым результатам, а во многих случаях невозможно с практической точки зрения. Это обусловлено необходимостью проведения большого количества замеров, их число растет согласно соотношению [39, 43]: где: N - количество вариантов замера; п - количество установок используемых в расчетах.
Согласно выражению 2.3 получаем, что при использовании одной УИН имеем одно значение напряженности поля в одной физической точке; при использовании двух УИН имеем три значения напряженности поля н одноїі физической точке, и т.д.. Для реализации алгоритма оптимизации с четырьмя установками требуется 20-500 замеров с целью поиска оптимального расположения УИН в четырех точках, в каждой из которых измерения проводятся пятнадцать раз. В результате получаем необходимость проведения тридцати тысяч экспериментов.
Для ускорения и упрощения описанной процедуры была разработана математическая модель распределения ЭМП от ТОЧСЧЇЮГО источника.
Математическая модель не учитывает расположение стоящих в пределах расчетной зоны диэлектрических, проводящих, диамагнитных, парамагнитных и ферромагнитных конструкций, которые вносят искажения, реальный результат может отклоняться от результата полученного в случае, когда распространению ЭМП не создается помех. В общем случае отклонение результатов расчета не выходит за рамки инструментальной погрешности.
Это позволяет использовать более точные алгоритмы моделирования размещения УИН на плоскости, что в свою очередь приводит к более достоверным результатам распределения электрической составляющей ЭМП.
Прогнозирование поля осуществляется на основе использования математических методов для решения уравнении Максвелла. Результат расчета - значения напряженности электрической составляющей электромагнитного поля при наличии следующих данных о установке: частота, мощность, параметры индуктора, параметры нагреваемой детали, наличие в пределах рабочего места экранов и каких-либо средств защиты.
Прогнозирование напряженности поля необходимо только в пределах рабочего места, что значительно упрощает процесс расчета, уменьшая затраты машинного времени. При наличии двух и более установок индукционного нагрева, между которыми нет разделительных и экранирующих перекрытий, для рабочего места производится расчет интерференционной картины. В этом случае имеет большое значение компоновка самих установок в пределах цеха «в случае конвейерного производства - в допустимых пределах без увеличения шага конвейера». В процессе прогнозирования распределения поля на соседнем рабочем месте необходимо учитывать зону безопасности этого рабочего места, а также влияние на него всей интерференционной картины и, следовательно, воздействие на человека- Нормирование ЭМП на рабочем месте осуществляется согласно ГОСТ 12.1.006-84 [26].
Для прогнозирования предложены математическая модель и рассмотрен алгоритм расчета пространственного распространения ЭМП от установки высокочастотного индукционного нагрева на основе векторного анализа. В основу модели положена система уравнении Максвелла. Опираясь на описанные в пункте 2,1 параметры УИН и особенности распространения ЭМП в пространстве, с учетом длины волны, индуктор в дальнейшем рассматривается как точечный источник [88, 89]. В пределах ближней зоны электрическая и магнитная составляющая изменяются независимо друг от друга.
Выбор и обоснование функции приемлемого риска как целевой функции оптимизационной задачи
Выбор и обоснование функции приемлемого риска как целевой функции оптимизационной задачи. Риск объективен и сопряжен практически с любым видом деятельности.
Четкоуказа иного определения риска в настоящее время нет. Причина этого прежде всего сказывается в недостаточной разработанности правовых проблем по вопросам риска [5,32,47].
Нормирование и оптимизация риска осуществляется установлением уровня техногенной безопасности, по основным параметрам удовлетворяющим общество. Выбор путей развития и поддержания производства с учетом сложившейся структуры экономики осуществляется в соответствии с принципами: принцип приоритета безопасности над любыми другими факторами качества жизни; принцип приемлемой области риска, в соответствии с которым устанавливаются нижний и верхний пределы риска, в полученном интервале осуществляется выбор приемлемых параметров безопасности с учетом социально-экономических и других требований; принцип минимальной опасности, в соответствии с ним выбирается минимальная опасность, а любые экономические затраты полученные в результате этого считаются оправданными; принцип последовательного приближения к абсолютной безопасности, последовательное сведение риска к нулю,
В нашей ситуации риск напрямую связан со степенью рентабельности производства. Это зависит от ликвидности производимой продукции. Под термином ликвидность понимается комплекс критериев: 1 - наличие спроса и его объем; 2 - наличие и объем товара уже присутствующего на рынке; 3 - качество производимого товара; 4 - количество производимого товара; 5 - коридор возможных цен.
В ряде случаев возможно что, при небольшом понижении затрат на производство появляется возможность увеличить прибыль на разницу в затратах, или понизить цену товара, что приводит к повышению спроса. В этой ситуации увеличение прибыли происходит за счет увеличения оборачиваемости средств. Такой подход влечет за собой увеличение риска, связанного с потерей работоспособное! и сотрудников, занятых на производстве.
В нашей ситуации экономические затраты сводятся к затратам на использование УИП, а также разработку, внедрение и использование принципов, методов и средств защиты персонала от ЭМП.
При комплексном использовании принципов, методов и средств защиты имеем: - затраты па содержание персонала, обслуживающего защитные средства; - затраты на поддержание защитных средств в рабочем состоянии и проведение технических осмотров; - затраты, связанные с проведением инструктажа рабочего персонала; - затраты на проведение медицинского освидетельствования персонала, связанного с вредным производством; - затраты, на проведение реабилитационных мероприятии и лечение профессиональных заболеваний; - затраты, связанные с изменением режима работы предприятия по причине использования принципов, методов и средств защиты от ЭМП; - затраты, связанные с возможным изменением шага конвейера по причине больших затрат времени на проведение операции загрузки и выгрузки заготовки; - прочие затраты.
Для экономических затрат не имеет значение, какая именно из затрат наиболее выражена по топ причине, что они псе приводят к одному результату, а именно увеличению расходов на производство продукции. ГОСТ 12 .1 .002-84 [25] устанавливает предельно допустимые уровни воздействия ЭМП на людей. Оценка осуществляется по энергетической нагрузке, которая определяется по интенсивности ЭМП и времени пребывания человека в нем: ЭН=Е2Т. (3.8)
Учитывая список затрат и степень воздействия ЭМП по выражениям 3.7 - 3.8 получаем, что в процессе поиска необходимо найти оптимальное решение, при котором напряженность электрической составляющей стремится к минимуму, но при этом не происходит увеличение затрат па производство. В идеальном случае напряженность и затраты равны нулю. Но достижения ни одним из них этого результата не возможно
Структура программных средств подсистемы рационального планирования участка
Программный комплекс предназначен для проведения планирования участка индукционного нагрева, предполагаемого к размещению в помещении, или для проведения перепланировки существующего, с целью ослабления вредного воздействия ЭМП па операторов УИН. Планирование производится посредствам компьютерного и математического моделирования и средств машинной графики. Структура программного комплекса приведена на рис. 4.5, В программный пакет входят: Mind.exe — исполняемый файл, который содержит диалоги для ввода и корректировки данных, средства визуализации, средства конвертирования и обмена данными с другими модулями пакета; Mind.dll - модуль, отвечающий за расчет напряженности поля от индуктора по средствам вызова языка математического моделирования MathCad и моделирование рационального размещения УИН; Mind.mcd - программный файл в языке MathCad с математическим описанием распределения ЭМП на основе векторных потенциалов; Mind.dbf - файл данных, содержащий список ограничении, начальную систему штрафов н нормы по ГОСТ или нормативным документам; .dbf-фаіільї с проектами, которые содержат входные и выходные данные, последовательность моделирования с учетом ручной корректировки.
Работа с программным пактом осуществляется в следующей t a OCJ і едо ватеї і ьности.
Па первом этапе осуществляется интерактивный ввод параметров цеха. К ним относится следующий список параметров: фюические размеры планшета в метрах (х,у), шаг координатной сетки в метрах, форма помещения, її котором планируется осуществлять размещение установок и рабочих мест, зоны приоритетности с присвоением приоритета каждой зоне, область потенциального размещения, которая задается с учетом технологических особенностей помещения, санитарных и противопожарных норм. Планшет - прямоугольное пространство, в пределы которого вписан многоугольник формы помещения; размеры задаются численно. Форма помещения - многоугольник, состоящий из прямых отрезков нс пересекающихся между собой, задается при помощи манипулятора мышь в векторном виде с дальнейшей табличной корректировкой координат. Зоны приоритетности - квадратные зоны, определяющие порядок размещения УИН и рабочих мест в пределах формы помещения; задаются при помощи козффіщиента кратности шагу координатной сетки с дальнейшим присвоением каждой порядкового номера в соответствии с приоритетностью ее использования при размещении УИН. ОПласть потенциального размещения — многоугольник, вписанный в форму помещения, состоящий из прямых отрезков непересекающихся между собой, задастся при помощи манипулятора мышь в векторном виде с дальнейшей табличной корректировкой координат, предназначен для выделения области допустимых позиции размещения УИН,
Второй этап — ввод параметров УИН. К которым относятся: рабочая частота, напряжение, подаваемое на индуктор, сила тока, протекающего через индуктор, диаметр индуктора, количество витков индуктора, магнитная проницаемость материала, применяемого в заготовке, площадь сечения заготовки, длина заготовки, время нагрева, температура нагрева, температура Кюри, магнитная проницаемость материала заготовки при температуре, превышающей температуру Кюри.
Третий этап - ввод параметров рабочего места. К параметрам рабочего места относятся: интервал времени, проводимого оператором на рабочем месте в течении рабочего дня, ПДУ напряженности электрической составляющей ЭМП.
Четвертый этап - ввод параметров рабочей связки. Рабочая связка - неразрывная привязка УИН к рабочему месту. Ее параметры: координаты (задаются по координатам рабочего места), номер рабочего места, номер УИН используемой в связке, расстояние между координатами рабочего места и координатами индуктора, возможные направления индуктора, область допустимого размещения связки - многоугольник вписанный в область потенциального размещения, состоящий из прямых отрезков непересекающихся между собой (задается при помощи манипулятора мышь в векторном виде с дальнейшей табличной корректировкой координат,
