Введение к работе
Актуальность работы. Развитие электротехпологических
отраслей промышленности требует внедрения новых прогрессив
ных технологий и совершенствования существующих произ
водств. При этом улучшение качества выпускаемой продукции и
аовышение производительности труда необходимо вести с учетом
экономии энергетических и материальных ресурсов. Одним из ос
новных факторов создания высокоэффективных электротехноло
гических производств является их комплексная автоматизация с
учетом предъявляемых к ним требований Внелоение автомати-
зированных систем управления технолотичсскнми процессами по
зволит поднять эффективность производства и качество продук
ции увеличить объем выпускаемой продукции сэкономить элек
троэнергию. ,
Основополагающий вклад в решение вопросов теоретического исследования и практической реализации систем автоматизированного проектирования и управления внесли такие известные ученые, как В.М. Глушков, В.А. Горбатов, В.П. Сигорский, С.А. Редкозубов, И.П.Норенков и другие.
Наиболее жесткие требования предъявляются к преобразователю электрической энергии, который является одним из главных, определяющих звеньев технологической цепи, оказывающих влияние на основные технико-экономические показатели технологического процесса. Большинство электротехнологических систем (ЭТО являются потребителями низковольтной сильноточной электрической энергии постоянного тока.
Основной тенденцией развития ЭТС является интенсификация процессов путем повыщения плотности тока и применение токов специальной формы. Плотность тока в свою очередь является функцией ряда технологических параметров: состава и плотности электролита, ее температуры, геометрии ванны, характеристик используемых материалов и электродов и т.д.
С точки зрения оптимального энергообеспечения необходимо обеспечить максимальную электромагнитную совместимость источника питания (ИП) с нагрузкой, характер которой зависит от конкретных условий использования источника и может меняться в ходе процесca. Одним из основных требований, предъявляемых к
ИП, является стабилизация выходного тока (напряжения) в широком диапазоне регулирования. Для обеспечения заданных энергетических и технологических требований системы должны быть замкнутыми.
Отечественной промышленностью выпускаются выпрямительные агрегаты для питания гальванических ванн в цехах электрохимических покрытий и электролиза, выходные напряжения и мощности которых регулируются в широких пределах. К качеству выходного напряжения предъявляются жесткие требования Сие-темы управления и регулирования этих агрегатов выполнены преимущественно с использованием трансформаторов тока магнитных усилителей и дросселей насыщения вследствие чего они обладают невысокими энергетическими и массо-габаритными показателями.
Рассматривая технологический процесс с точки зрения его структурной надежности, можно отметить, что наиболее совершенны полностью автоматизированные поточные линии с проведением всех операций по одной и той же технологической цепи. В этой связи актуально развитие систем автоматизированного управления ЭТ процессами в замкнутых системах, обеспечиваю-щих адаптивное управление основными параметрами процесса.
Исходя из вышеизложенного, разработка эффективных систем энергообеспечения: источник питания - система управления -технологическая нагрузка является актуальной. Система должна обладать способностью адаптации к изменяющимся в широких пределах параметрам электрохимической нагрузки. В настоящее время известны работы направленные на решение данной задачи Однако использование устаревшей элементной базы не позволяет создавать автоматизированные системы в полной мере отве-чающие предъявляемым к ним современным требованиям.
Целью работы является разработка и исследование многофункциональных, адаптивных микропроцессорных систем управления (МПСУ) ЭТС, оптимально обеспечивающих требования современных технологий, обладающих высокими технико-экономическими показателями, обеспечивающих заданные формы токов в нагрузке.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач: - анализа низковольтных электротехнологий;
анализа электротехнологических процессов как объектов управления; выявления их общих признаков и свойств, выделения отличительных особенностей систем;
исследования возможности реализации прямого микропроцессорного управления вентилями источника питания;
математического моделирования физических процессов в системе энергообеспечения;
разработки методов и алгоритмов адаптивного управления технологическим оборудованием, работающим в разнообразных условиях и технологических системах;
создания многофункциональных микропроцессорных систем и средств автоматизации с гибкими алгоритмами управления;
разработки аппаратно-программных комплексов для рассматриваемых систем;
разработки критерия оптимизации МПСУ ЭТС.
Методы исследований.
При выполнении работы применён комплекс методов, включаю-щий методы математического моделирования и расчёта вентильных преобразователей во временной и частотной областях с использованием пакета Mamcad 7.0 Pro, метод переменных состояний методы решения краевых задач.
Экспериментальные исследования выполнены на опытных и промышленных установках, в лабораторных и заводских условиях.
Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований; результатами промышленных испытаний.
Научная новизна работы:
разработана оригинальная математическая модель для анализа основных характеристик электротехнологических систем, реализованная в среде MathCAD 7.0 Pro;
предложен алгоритм прямого цифрового управления силовыми ключами вентильного преобразователя с использованием восьмиразрядных отечественных микропроцессоров, основанный на механизме прерываний микропроцессора;
предложен новый алгоритм управления группой параллельно работающих базовых ячеек от одного управляющего автомата, заключающийся в сдвиге управляющих импульсов друг от друга на некоторый угол, позволяющий снизить уровень искажений потребляемого из сети тока;
предложен способ вычисления этого угла, основанный на количественной оценке частоты собственных колебаний непрерывной части;
разработана микропроцессорная система управления технологическим процессом с прямым управлением силовыми ключами преобразователя, обеспечивающая автоматическую стабилизацию плотности тока в нагрузке с одновременным регулированием основных доступных технологических параметров системы;
разработана управляющая программа микропроцессорной системы управления.
Практическая значимость работы состоит: -в ее направленности на повышение энергетических, массо-габаритных, технологических параметров электротехнологических установок;
-во внедрении разработанных аппаратных и программных средств в системы автоматизации технологических процессов, позволяющих обеспечить до 30% экономии материальных и энергетических ресурсов;
-в ограничении влияния вредных условий на экологическую безопасность рассматриваемых электротехнологий; -в использовании полученных результатов в учебном процессе.
Реализация результатов работы. На основе результатов, полученных в работе, разработана микропроцессорная система автоматизированного управления технологическим процессом, удовлетворяющая требованиям современных условий, разработан алгоритм управляющей программы. Результаты работы внедрены на ГП «Гран».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (1995 -1999 гг).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на /^машинописного текста, в том числе ^рисунков, //таблиц, список литературы из 81 наименования, приложение на //стр.
Настоящая работа является итогом исследований, выполненных на кафедрах промышленной электроники и информационных систем в экономике Северо-Кавказского государственного технологического университета.
Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. К.Х. Пагиеву и д.т.н., проф. А.Г. Дедегкаеву за помощь при проведении научных исследований.