CC BY
57
УДК 621.314
МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ВУЛКАНИЗАЦИИ
М.П.Дунаев1, Д.С.Киргин2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведен анализ современного этапа развития установок, использующих технологический процесс вулканизации. Изложены алгоритмы работы оборудования. Предложены методы автоматизированного регулирования процессом вулканизации. Ил. 9. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: автоклав; технологическое оборудование; алгоритмы управления; автоматизация.
METHODS FOR THE AUTOMATED REGULATION OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF VULCANIZATION M.P. Dunayev, D.S. Kirgin
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors performed the analysis of the current stage of development of plants using the technological process of vulcanization. They present the algorithms of equipment operation. They also propose methods for the automated regulation of the vulcanization process. 9 figures. 3 sources.
Key words: autoclave; technological equipment; control algorithms; automation.
Автоклав предназначен для вулканизации в паровой среде неформовых и других резинотехнических изделий с аналогичными режимами вулканизации [1]. Автоклав - это сложное устройство, его основные узлы показаны на рис.1.
Сам процесс вулканизации (варки) подразумевает термообработку изделий паром с определенной температурой и давлением. Для этого автоклав имеет
сложную систему пневматических вентилей, предназначенных для поддержания постоянства этих двух величин:
- вентиль подачи пара магистральный;
- вентиль подачи пара управления;
- вентиль сброса конденсата ДУ-50 (диаметр трубы 50 мм);
3 - байонетовый затвор; 4 - мостик; 5 - путь рельсовый; 6 - привод тележки; 7 - станция насосная; 8 - щит
управления; 9 - стол; 10 - тележка; 11 - цепь
1Дунаев Михаил Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128.
Dunayev Mikhail Pavlovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electric Drive and Electric Transport, tel.: (3952) 405128.
2Киргин Дмитрий Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 405128. Kirgin Dmitry Sergeevich, postgraduate student, tel.: (3952) 405128.
- вентиль сброса конденсата ДУ - 25;
- вентиль связи с атмосферой;
- вентиль подачи воздуха в автоклав.
Управление вентилями осуществляется сжатым
воздухом из пневматической системы. Передача воздуха проходит по змеевикам, управление открытием и закрытием вентилей производится через распределители П-РЭ3 (электромагнитные клапаны), которые включаются с щита управления.
Управление процессом вулканизации до модернизации системы управления заключалось в том, что оператор должен был постоянно следить за графиками температуры и давления, периодически в ручном режиме включая и выключая подачу пара в автоклав, а также сброс конденсата (рис.2).
(Начало)
■1-да_
Давление в уплотнении есть
■!■ да
Периодическое включение подачи
пара в автоклав
1 да
Начало времени вулканизации
| да
Периодический сброс конденсата ДУ- 50
| да
Окончание времени вулканизации
Конец у
Рис.2. Алгоритм управления автоклавом в ручном режиме
Последовательность действий оператора при варке изделий:
1. Нажать кнопку «Пар в автоклав».
2. Следить за показанием шкалы репера на приборах, установленных на пульте управления автоклавом: если значения температуры будут превышать заданные условия технологического процесса, произвести отключение подачи пара. Включение и выключение подачи пара за период варки производится периодически.
Оператор следит за процессом вулканизации и производит отсчет времени: начала процесса;
выхода температуры и давления на заданную величину варки;
работы автоклава в установившемся режиме. Для примера на рис. 3 приведена схематичная циклограмма вулканизации (зависимость давления в разных режимах процесса), где:
0-а - набор давления паром до 3 атм; а-б - выдержка при постоянном давлении паром; б-в - опрессовка воздухом при давлении 3,5 атм; в-г - выдержка времени при постоянном давлении воздухом;
г-д - сброс давления.
р
1 атм
Для автоматизации автоклава было принято решение заменить релейно-контакторную схему управления управлением от программируемого логического контроллера. Для замены ручного управления автоматизированным были введены два прибора Термодат-18: один для управления температурой, другой для управления давлением. Каждый прибор может быть настроен достаточно гибко, чтобы применять его для решения разных задач. Измерение входных сигналов, регулирование температуры и давления, а также другие действия выполняются микропроцессором. Программа, которую исполняет процессор, имеет параметры, определяемые типом применяемых датчиков, типом выходов и т.д. Для передачи информации о состоянии температуры внутри автоклава был взят термоэлектрический преобразователь марки ТХК (термопара). Для определения состояния давления внутри камеры был установлен измерительный преобразователь давления РС-28. На рис. 4 изображена функциональная схема системы управления автоклавом [2].
Управление технологическим процессом происходит путем подачи дискретного сигнала с прибора Тер-модат-18 на программируемый логический контроллер, который, в свою очередь, подает сигнал управления на электромагнитные клапаны, осуществляющие открытие вентилей автоклава.
Задача регулирования температуры и давления объекта при помощи управления мощностью нагревателя является достаточно сложной. Успешное решение этой задачи требует учета многих факторов, таких как размеры объекта; мощность нагревателя; форма и месторасположение нагревателя; месторасположение датчиков температуры и т.д. Приборы Термодат-18 способны управлять объектом, применяя различные способы регулирования:
позиционный метод регулирования; пропорциональный метод регулирования; закон регулирования ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный).
В позиционном способе на нагреватель подается полная мощность, пока заданное значение температуры, называемое уставкой T (set point), не будет
SP
достигнуто. Подача мощности полностью прекращается, когда температура превысит уставку. Чтобы избежать частого срабатывания (или дребезга) контактов клапана, вводится еще один параметр, называемый гистерезисом K (hysteresis). Благодаря этому пара-
H
метру подача мощности на нагреватель включается
Приборы Термодат-18
Контроллер DELTA-DVP
RS4B5
Панель
оператора
DELTA-HML
Ш^^Конденсат Ду-50
Управление сжатым воздухом
Рис.4. Функциональная схема
повторно только тогда, когда температура понизится
ниже величины Т - К . На рис.5 показан алгоритм
бр н
позиционного метода регулирования температуры внутри автоклава в процессе вулканизации.
Рис. 5. Алгоритм позиционного метода регулирования температуры
В процессе варки резины с использованием позиционного метода управления в автоклав подается пар до того момента, пока температура ТА (актуальное значение) внутри установки будет меньше Ту (уставка).
Когда ТА и Ту уровняются или значение ТА поднимется выше значения добавленного параметра КН (hysteresis), произойдет отключение подачи пара в автоклав.
Пар возобновит свою подачу в установку после того, когда ТА станет меньше значения Ту минус значение КН.
На рис.6, 7 приведены примеры графиков температуры и давления технологического процесса вулканизации с использованием позиционного метода регулирования автоклавом (режим выхода на 143 °С). Выбрано программное регулирование технологическим процессом в три шага:
системы управления автоклавом
1. Подготовка - выход температуры внутри автоклава на заданный режим за определенный период времени.
Для температуры: тип шага: нагрев/остывание; уставка: БР = 143 °С; скорость: V = 175 °С/ч;
гистерезис: К = 0,1 °С.
н
Следующий шаг, если Т измеренная = БР: для давления: Термодат-18 давления не используется в управлении.
2. Варка - этап обработки деталей при постоянной температуре за заданный промежуток времени.
Для температуры: тип шага: выдержка; уставка: БР= 143 °С; скорость: 50 мин;
гистерезис: К =0,1 °С.
н
Следующий шаг, если Т измеренная = БР:
для давления:
тип шаг: выдержка;
уставка: БР= 3,5 атм;
скорость: 50 мин;
гистерезис: К =0,1 атм.
н
3. Охлаждение - плавный сброс давления и температуры за определенное время.
Для температуры: тип шага: стоп. Для давления: тип шага: выдержка; уставка: БР= 4 атм; скорость: 5 мин;
гистерезис: К =0,1 атм.
н
Управление технологическим процессом происходит путем подачи дискретного сигнала с прибора Тер-модат-18 на программируемый логический контроллер, который, в свою очередь, подает сигнал управления на электромагнитные клапаны, осуществляющие открытие вентилей автоклава. Использование позици-
онного метода регулирования автоклавом позволит свести к минимуму влияние человеческого фактора на технологический процесс вулканизации.
Закон ПИД-регулирования
Зная актуальные значения температуры, которые были сняты с приборов термодат-18, настроенных на позиционный метод регулирования при проведении технологического процесса вулканизации, можно настроить более гибкий способ регулирования, а именно ПИД-закон. В пропорционально-интегрально-дифференциальном методе регулирования текущая мощность выбирается не только в зависимости от близости температуры объекта к заданной температуре, но и учитывается скорость изменения температуры в каждый момент времени (дифференциальная составляющая) и накопленное среднее значение невязки за прошедший период (интегральная составляющая). ПИД-закон позволяет уменьшить пульсации температуры объекта примерно в той же мере, что и пропорциональный метод регулирования.
Преимуществом ПИД-закона перед другими методами является то, что температура объекта в среднем обязательно стремится к заданному значению. Причиной этого является наличие интегральной составляющей регулирования мощности, которая помогает удерживать температуру в среднем точно в соответствии с уставкой. Это важное отличие ПИД-закона регулирования от пропорционального и позиционного законов, где средняя температура объекта за длительный промежуток времени может отличаться от уставки.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования обеспечивает значительно более высокую точность поддержания температуры,
чем позиционный. Мощность Р, которая должна выделяться нагревателем, выраженная в процентах от его максимальной мощности, рассчитывается по формуле:
Р =
100% КР
(АТ + К ^ АТйг - К
йг
), (1)
где К, К, К - пропорциональный, интегральный и
р I 6
дифференциальный коэффициенты регулирования.
Первое слагаемое в выражении (пропорциональная составляющая) прямо пропорционально «невязке»: АТ = Тус - Т - разности температурной уставки Тус и измеренного значения температуры Т . Его смысл состоит в том, что при «невязке» АТ = КР ( ОС ) регулятор начнет снижать мощность.
Второе слагаемое в установившемся режиме регулирования равно величине тепловой мощности, необходимой для компенсации тепловых потерь при АТ = 0.
Третья составляющая пропорциональна скорости изменения температуры с обратным знаком и должна препятствовать резким изменениям температуры объекта (дифференциальная составляющая).
Роль пропорционального коэффициента. Параметр К измеряется в градусах и определяет шири-р
ну температурной зоны (от Т = Т - К до Т = Т ),
ер р ер
мощность рассчитывается по формуле (1). Пока температура ниже зоны пропорциональности, на нагреватель выводится вся мощность. Если температура превышает верхнюю границу зоны (уставку), то мощность
Актуальное
значение
температуры
Заданное ■ значение температуры
Время 1
Я * 9 * & Я
Рис. 6. График температуры процесса вулканизации
« * * *
^ - ■ „йьяявка,, ж .
> * * Ь
& ^ 4 * 4 ^ р
Время{
Рис. 7. График давления процесса вулканизации
не выводится вовсе. Параметр К разумно выбирать
р
близким размаху 5Т колебаний температуры (на рис. 8 8Т и 24оС , на рис. 9 8Т и 1,3оС ).
Меру влияния интегральной составляющей определяет параметр К. Из формулы (1) видно, что его
I
размерность - секунды. С увеличением К влияние
I
накопленной средней невязки на выводимую мощность уменьшается. В первом приближении значение параметра К разумно выбирать близким величине
I
периода колебаний температуры вокруг уставки в позиционном методе регулирования. В этом случае положительные и отрицательные отклонения температуры от уставки будут компенсировать друг друга. На рис. 8 период т = 130 с; на рис. 9 период т = 146 с. Вклад дифференциальной составляющей опре-
1ЯО т—
температуру произойдет за т- период колебаний температуры в позиционном законе.
Качество регулирования с применением ПИД -закона зависит от удачного выбора коэффициентов
^ и При неудачном выборе можно получить переходный процесс с колебаниями и с перегревами, т.е. с превышением уставки; процесс выхода на температуру регулирования может оказаться слишком длительным и т. д.
Для всякого конкретного объекта имеется оптимальный набор значений параметров ПИД-регулирования, при которых переходный процесс не будет содержать переходных колебаний и выход на заданную температуру произойдет за минимально короткое время. Как уже было сказано, первое приближение для параметров ^ и ^ можно получить, проведя эксперимент с позиционным законом регулирования при минимальном гистерезисе [3]. Используя
3:2* ПО 0:31 12 6 38 24 Э 45:35
Рис. 8. График температуры технологического процесса вулканизации, шаг 1 (подготовка):
1 - К Ри 24оС; 2 - К , = 130 с; 3 - Кй = 26с
9 0712 9:2136
Рис.9. График температуры технологического процесса вулканизации, шаг 2 (варка):
1 - КР и 1,3оС; 2 - К, = 146 с; 3 - К = 29,2 с
деляет параметр К , который также измеряется в секундах и способствует уменьшению подаваемой мощности, когда температура объекта слишком быстро растет и, наоборот, мощность увеличивается, когда температура объекта круто падает, т.е. параметр К
й
способствует сглаживанию резких колебаний температуры вокруг уставки. В качестве первого приближения для параметра Кй можно рекомендовать значение, равное 0,2т, где переходный процесс не будет содержать переходных колебаний и выход на заданную
полученные результаты из графиков технологического процесса вулканизации, а именно, коэффициенты ^ и ^ , можно приступить к экспериментальному исследованию и подбору оптимальных параметров для более гибкого способа управления технологическим процессом вулканизации автоклава.
Выводы. Применяя в данной установке метод ПИД-регулирования, можно обеспечить более высокое качество технологического процесса за счет точного поддержания температуры внутри автоклава, а также увеличить ресурс автоклава за счет соблюдения более точного технологического режима работы оборудования.
Библиографический список
1. Автоклав АВТМ: руководство по эксплуатации АВТМ 3. Руководство для пользователей по применению прибо-2000-4000-12.5. Курган: Завод Курганхиммаш, 1987. ров Термодат. Приборостроительное предприятие «Систе-
2. Преобразователь давления измерительный РС-28: ру- мы контроля», Пермь, 2005. ководство по эксплуатации. М.: ООО «АПЛИСЕНС», 2001.
УДК 629.423.1:621.3.025
УПРАВЛЯЕМЫЙ КОМПЕНСАТОР РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОТРЕБЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ
Ю.М.Кулинич1, В.К.Духовников2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680056, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Представлены управляемый компенсатор реактивной мощности, повышающий энергетические показатели потребителя, а также результаты экспериментальных исследований. Ил. 4. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: четырехквадратный преобразователь; управляемый компенсатор реактивной мощности; реактивная мощность.
CONTROLLED COMPENSATOR OF REACTIVE POWER TO IMPROVE THE CONSUMED ENERGY QUALITY Yu.M. Kulinich, V.K. Duhovnikov
Far Eastern State University of Railway Engineering, 47, Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
This article presents a controlled compensator of reactive power increasing consumer's energy performance, and demonstrates the results of experimental studies. 4 figures. 3 sources.
Key words: four-quadrant converter; controlled compensator of reactive power; reactive power.
Темпы мирового роста энергопотребления в последние годы составляют более 10% в год. Производство и потребление электрической энергии во всем мире растет, при этом проблемы снижения потерь при передаче и распределении электроэнергии выходят на передний план.
В настоящее время в промышленности находят значительное применение мощные дуговые и индукционные печи, вентильные электроприводы, выпрямители электролизных установок, высоковольтные электродвигатели и приводы к ним на насосных станциях водоканалов и газоперекачивающих станций. Указанные потребители вносят значительный вклад в общее потребление электроэнергии, приводят к увеличению потребления реактивной мощности и к искажению питающего напряжения.
Качество электроэнергии в России определяется следующими показателями качества электроэнергии (ПКЭ): отклонением напряжения, коэффициентом несинусоидальности напряжения, отклонением частоты, длительностью провала напряжения, импульсным напряжением, коэффициентом п - й гармонической составляющей, коэффициентом обратной и нулевой последовательности, размахом изменения напряжения и дозой колебаний напряжения. Все эти показате-
ли должны находиться в пределах, нормированных ГОСТом 13109 - 97.
В новом российском ГОСТе 51317.3.2 - 99 [1] нормируются показатели энергии, связанные не только с напряжением, но и с потребляемым током. В частности, новый ГОСТ ограничивает состав высших гармонических составляющих потребляемого тока. В связи с этим допустимая величина потребляемого тока оказывается существенно ограниченной, что является неприемлемым для большинства потребителей электроэнергии. Для выхода из этого положения необходимо улучшать форму потребляемого тока, приводя ее в соответствие с требованиями нового ГОСТа.
Как показывают результаты анализа, наибольшее искажение в потребляемый ток вносят потребители коммерческого сектора (офисы), больницы и школы, т.е. такие нагрузки, которые содержат большое количество электронной техники с выпрямительными блоками питания. К ним относятся лампы дневного освещения, нагревательные устройства, компьютеры, кондиционеры и т.д. С другой стороны, эта техника наиболее чувствительна к качеству питающего напряжения. Проблема высших гармоник коснулась и мощных электропотребителей, это связано с тем, что все
1Кулинич Юрий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава, тел.: 89141992499, e-mail: kulinitsch@rambler.ru
Kulinich Yury Mikhailovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Electric Rolling-Stock, tel.: 89141992499, e-mail: kulinitsch@rambler.ru
2Духовников Вячеслав Константинович, аспирант, тел.: 89241062165, e-mail: slava_dvk@mail.ru Duhovnikov Vyacheslav Konstantinovich, postgraduate student, tel.: 89241062165, e-mail: slava_dvk@mail.ru
