CC BY
40
4. http://www.railpower.com.
5. http://www.transport.alstom.com.
6. Барский В. А. Анализ эффективности применения гибридных тяговых передач на маневровых тепловозах / В. А. Барский, В. А. 1ванов, А. Е. Фриш-ман, Г. И Яровой // Сборник научных трудов Днепродзержинска государственного технического университета. Тематический выпуск: «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». - Днепродзержинск : ДГТУ, 2007. -С. 328-329.
7. Орловський И. А. Математическая модель частотно-регулируемого асинхронного тягового электропривода дизель-поезда с усовершенствованной системой управления / И. А. Орловський, Е. В. Стра-колист // Сборник научных трудов Днепродзержинска государственного технического университе-
та. Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика».-Днепродзержинск : ДгТУ, 2007. - С. 261-264.
8. Волков А. В. Математическая модель многодвигательного частотно-регулируемого асинхронного электропривода дизель-поезда с векторной системой управления / А. В. Волков, И. А. Орловский // Техшчна електродинамка - Тематичний випуск «Проблеми сучасноТ електротехшки», Ч. 6. - 2008. - С. 31-36.
9. Шавьолкш О. О. Перетворювальна техшка: на-вчальний поабник / О. О. Шавьолкш, О. М. Нали-вайко. Пщ загальною редак^ею канд. техн. наук доц. О. О. Шавьолкша. - Донецьк-Крамоторськ : ДДМА, 2008. - 329 с.
10. http://hybrids.ru.
Поступила в редакцию 07.05.09 г.
Разработана математическая модель и система управления гибридного асинхронного тягового привода дизель-поезда с применением мощной аккумуляторной батареи. Выполнено исследование разработанной модели в системе Мatlab.
Mathematical model and control system of hybrid asynchronous traction drive of diesel engine-multiple unit train with the powerful storage battery use are designed. The developed model research in system MatLab is executed.
УДК 621.313
В. В. Зиновкин, Э. М Кулинич
Моделирование автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона
Предложены математическая модель и структурно-логическая схема автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона с учетом параметров управляющих устройств, преобразователя частоты и исполнительных механизмов.
Введение
В настоящее время газобетоны получают все большее распространение в промышленном и гражданском строительстве ввиду ряда физико-технологических преимуществ по сравнению с другими строительными материалами. Их технологические процессы характеризуются большими темпами совершенствования и разнообразием используемого технологического оборудования [1-6]. Управление системами автоматизированного электропривода технологического процесса осуществляются по совокупности сигналов с линейными и нелинейными электромеханическими параметрами [7]. Для повышения эффективности технологических процессов приготовления газобетонов и согласования режимов исполнительных механизмов и параметров используются современные цифровые и микропроцессорные устройства и привода [2-6]. Однако такие технические решения не удов© В. В. Зиновкин, Э. М Кулинич 2009 р.
летворяют технико-экономическим требованиям в условиях неопределенностей и несогласованностей отдельных электромеханических параметров управления при колебаниях напряжения, набросах и сбросах мощности, изменениях внешних факторов (температуры, влажности, вибрации и т. д.) [1, 3, 5, 6]. Для повышения эффективности управления техпроцессом в таких условиях, системы управления электропривода приготовления газобетона целесообразно исследовать как многопараметрические, а сигналы управления, в зависимости от электромеханических параметров, классифицировать по характерным признакам [7, 8]. Это позволяет отыскивать критерии оптимальности для линейных и нелинейных параметров независимо [9]. Анализ литературных источников свидетельствует о необходимости дальнейшего развития и конкретизации данного вопроса в сочетании с современными исполнительными механизмами и уп-
равляющими микропроцессорными устройствами, а систему управления рассматривать как многопараметрическую. Поэтому исследование и моделирование режимов управления технологическими процессами приготовления газобетонов с учетом указанного приобретают особую актуальность и востребованы промышленностью.
Постановка задачи исследования
Будем исследовать автоматизированный электропривод дозатора технологической линии приготовления газобетона. Для этого рассмотрим математическую и компьютерную модели, в основе которых будем использовать методологические подходы и принципиальные основы многопараметрической системы автоматизированного управления технологическим процессом приготовления газобетона в сочетании с преобразователем частоты (ПЧ) Micromaster420 и программируемого логического контроллера (ПЛК) SIMATIC S7 фирмы SIEMENS.
Внешний вид расположения исполнительных и управляемых механизмов дозатора, а также каналы управления показаны на рис. 1. На рис. 1 приняты следующие обозначения основных элементов системы техпроцесса: шнековые элементы (1, 2); асинхронные электродвигатели (3, 4); входные поворотные заслонки (5); бункер (6); тензометрические датчики (7); выходная поворотная заслонка (8); контроллер управления (9); частотный преобразователь(10); устройство операторного контроля (11), компьютер верхнего уровня управления (12). Пунктирными линиями показано направление движения сыпучих компонент сухой смеси газобетона.
Задача заключается в необходимости обеспече-
ния автоматизированного управления набором компонент сыпучих составляющих газобетона в дозатор в нужных пропорциях. Данная стадия техпроцесса осуществляется при помощи двух шнековых питателей, приводимых асинхронными электродвигателями. Управление режимами этих двигателей осуществляется от преобразователя частоты. В качестве исходных данных используем информацию, поступающую от контролера /упр (г), управляющие сигналы которого определяет режимы работы двигателей. Последние обеспечивают технологический процесс работы дозатора. Для сопоставления режимов работы управляющих и исполнительных механизмов в динамике используем сигналы преобразователя частоты и тен-зометрических датчиков в дозаторе. Первые характеризуют режимы электропривода, а вторые - загрузку дозатора.
Математическая модель управления электроприводом дозатора технологической линии базируется на анализе многопараметрического сигнала Ъ,(г), который является суммой сигналов управляющих и исполнительных механизмов, некоторые из которых обладают соответствующими инерционными особенностями. Затем полученные результаты используем для разработки компьютерной модели. В общем случае, во временном интервале протекания технологического процесса Дг = — г1, многопараметрический сигнал управления должен описываться дифференциальным уравнением второго порядка
д д2E,(t,q) , , 3E,(t,q) _ . At —+ (ti +12)■ ) = fynp (t)
д21
dt
q=const
(1)
Ш
Смеситель Вибростол Кантователь Порезка Приготовление обратного
массивов массивов
Рис. 1. Общий вид дозатора технологической линии приготовления газобетона и взаимосвязи параметров системы
управления
где t1 и t2 - время начала и окончания управления технологическим процессом; 4 (г,д) - выходной сигнал контролера; /упр(г) - сигнал управления двигателями шнековых питателей; д - параметр, характеризующий особенности системы управления, использующихся управляющих и исполнительных устройств и механизмов. Для решения нашей задачи параметр д принимаем постоянным.
Поскольку отыскиваем алгоритм управления
с начальными данными 4(0 = 0
дг
0 в текущее
4&) = 4к
дШ
' дг
= 0 с учетом ограничения технической
возможности преобразователя частоты в пределах /т1П <|/\ < /тах, то дифференциальное уравнение (1) преобразуем к следующей системе, удобной для дальнейших исследований:
д4 2 (г) дг
.дШ
дг
+ 4 2 (г) = Х(г) у„р; + 4х(г) = 4 2 (г).
(2)
В результате преобразования системы (2) к форме Коши приходим к следующей системе:
д2|г) = г-1 •[) упр -4 2 (г ,д)]= /1(4 2 (г) , и).
^ = г 21 • [4 2 (г) - 41(г ,)] = /2 (4 2 (г) , 41 (г)).
дг
(3)
Для прояснения физической сущности системы (3) и нахождения вспомогательных переменных ф1(г) и ф2(г), характеризующих динамику протекания управляемых сигналов, составляем следующую, сопряженную системе (3) систему
дф1(г)
дг
дф2(г) дг
д/1(4 2(г), и)
д4 2 () , д/2(42(г),4х(г))
д42 () д/1(4 2(г), и)
д41 () , д/2 (42 (г), 41( г))
Ф1( г) + Ф2(г)
д41 ()
Ф1( г) + Ф2( г)
(4)
Для получения общего вида управляемого сигнала система (5) должна удовлетворять условиям Гамильтона. Исследования показали, что при удовлетворении этих условий система (5) имеет следующее решение:
в общем виде
Н1(г) = /1(г) • г-\ки-4 2 (г) +
+ ф 2(г) • г-1 • (4 2 (г) -41 (г))
максимальн ое значение
Н1(г)тах = (П1 • е^2-П 2 • е^) *
"(ки • г11 • итах) .
(6)
Поскольку полученные решения удовлетворяют формальным условиям, то закон управления технологическим процессом приготовления газобетона принимает следующий вид:
и(г) = 8^Пф1(г) • итах =
-,т(П1 • Д -П2 • • итах (0 :
= /упр (г) • итах(г).
(7)
Применительно к решаемой задаче и использованию технических характеристик преобразователя частоты уравнение (7) удобно представить в следующем виде:
/ых (г) = /уПР (г) •е( х, 4) г, V),
(8)
где /ых (г) - частота на выходе преобразователя частоты; /пр (г) - управление от контролера через аналоговый вход преобразователя частоты; е(х, 4) - параметры, характеризующие разгон-торможение; р(г, V) - параметры, характеризующие частотные характеристики преобразователя частоты.
Для моделирования технологического процесса в сочетании с управляющими сигналами, полученные результаты на математической модели приведем в соответствие с технологическими параметрами.
Конечным параметром, характеризующим производительность дозатора технологической линии и системы управления, является весовой показатель компонентов газобетона
'2
в(г) = | Р(г, д) • ^( г)йг ,
(9)
В результате преобразований решение для вспомогательных функций принимает следующий вид:
Ф1(г) = П1 • Д +П2 • еЛ,
Ф2(г) = П0 • е/
который пропорционален производительности шне-кового питателя
Р(г, = Ртах(д) • /ых (0 (10)
и потока материала
^ ( г, д) = 5 ( г, д) -р( г). (11)
Г
г
2
Остальные обозначения в (9)—(11) следующие: Pmax(q) - наибольшая производительность шнека; S(t,q) - пропускная способность заслонки, зависящая от площади открытия заслонки.
Структурно-логическая схема математической модели автоматизированного электропривода дозатора технологического процесса приготовления газобетона показана на рис. 2. На этом рисунке приняты следующие обозначения:
- блок ПЛК осуществляет анализ технологической информации с учетом обратных связей (в частности, сигнал о весе дозируемого материала в дозаторе) и формирует сигнал оптимального, для данного временного интервала, управления режимом дозатора;
- блок ПЧ моделирует функции частотного преобразователя, связанные с влиянием настроек параметров преобразователя частоты Micromaster420 на выходной сигнал силовой части этого преобразователя;
- блок Шнек описывает зависимость производительности шнекового питателя от частоты на выходе частотного преобразователя;
- блок Бункер формирует сигнал потока дозируемого материала на основании производительности шнекового питателя, состояния заслонки на выходе технологического накопительного бункера и плотности дозируемого материала;
- блок Дозатор интегрирует поступаемый поток дозируемого материала и формирует сигнал веса материала в дозаторе. Этот сигнал, по сути, симулирует сигнал с тензометрических датчиков дозатора и является сигналом обратной связи для ПЛК.
ПЛК на основании задания на дозирование и сигнала обратной связи веса в дозаторе G(t) формирует сигнал управления /у„р(t) для преобразователя ПЧ. Блок ПЧ осуществляет преобразования этого сигнала в сигнал на выходе силовой части преобразователя /вьа (t), который является процентным выражением выходной частоты преобразователя от номинальной частоты электродвигателя шнекового питателя. Сигнал feba(t) в блоке Шнек преобразуется в сигнал текущей производительности шнека P(t), подаваемый на вход блока Бункер. В блоке Бункер на основании производительности шнека и состояния заслонки S(t), которое поступает с блока Заслонка, а также плотно-
сти дозируемого материала формируется сигнал потока материала Е (г) на выходе расходного бункера в дозатор. Блок Дозатор интегрирует сигнал потока материала. На выходе блока Дозатор выдается сигнал веса материала в дозаторе, являющийся сигналом обратной связи для ПЛК.
Необходимо отметить, что структурная схема приведена для дозирования одного компонента. Для двух компонентов добавляется еще по одному блоку Бункер, Шнек и Заслонка, а также блок переключения компонента дозирования и сумматор потоков двух разных компонентов.
Результаты исследований и их анализ. Результаты компьютерного моделирования динамических режимов системы автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона приведены на рис. 3. На рис. 3, а) и б) показаны изменения управляющих сигналов преобразователя частоты и режим работы электродвигателей в зависимости от времени, соответственно. На рис. 3, б) также показан характер протекания процесса дозировки сухих компонентов газобетона во времени. В процессе моделирования, в зависимости от характера протекания режимов и изменениях сигнала управления ПЛК, осуществлялось грубое и более точное регулирование. Сопоставительный анализ результатов исследований показал, что при изменении режимов дозирования выходная частота ПЧ находится в границах нормированных параметров. При этом весовые показатели сухих компонентов в дозаторе изменяются с задержкой до 2 с относительно подачи /бт (г). Частота выходного сигнала ПЧ (рис. 2, б) возрастает до номинального значения значительно быстрее по сравнению с изменением весового показателя (рис. 2, в). Это поясняется инерционностью управляющих устройств и исполнительных механизмов, а также особенностями протекания техпроцесса. После стабилизации электрических режимов электропривода процесс заполнения дозатора сухими компонентами смеси газобетона возрастает по линейному закону до момента наполнения. После отключения электродвигателей в течение 0,5 с имеет место стабилизация процесса наполнения бункера. Приведенные результаты согласуются с экспериментальными данными с достаточной для инженерных задач точностью.
Рис. 2. Структурно-логическая схема компьютерной модели автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона для дозирования одного компонента
jyixp(t),% 1ПП
80 1 ..................:............1.....
1
60
40
20
.....Г
1 4 1
1выхШ.% | ■inn ; i a)
80 ! Л ■ ! 1 ..................!...........1......
I j 11
60 i / ii
....../ I
40 ......¡l.i.i
":............[.....
20 / M
If 1
II 1 i i I
G(t),Kl i i я
i
100 [
J.....—
60 ...... l/ — 1
............i......
40 ...../..
20 ..................:...........J......
\ 1 1
0 5 10 , e) 15 20 t,c
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования автоматизированного электропривода технологического процесса приготовления газобетона
Выводы
1. Разработанные математическая модель автоматизированного электропривода технологического процесса дозировки сухих компонентов газобетона и ее структурно-логическая схема позволяют, с достаточной для инженерной практики точностью, моделируют динамические режимы исполнительных и управляющих механизмов технологической линии приготовления газобетонов и позволяют проверить степень согласованности параметров применяющегося электромеханического оборудования.
2. Наполнение дозатора компонентами сухой смеси газобетона осуществляется с задержкой до 4 с по сравнению с сигналами на открытие и закрытие технологических заслонок, что поясняется инерционностью электропривода и шнековых элементов.
3. Для повышения эффективности вновь разраба-
тываемых автоматизированных систем управления технологическим процессом приготовления газобетона целесообразно продолжить исследования в направлении учета влияния вероятностных факторов и параметров всей технологической линии в целом, а также условий работы электроприводов в сочетании с другими элементами и исполнительными механизмами.
Перечень ссылок
1. Большаков В. И. Производство изделий из автоклавного бетона в Украине / Большаков В. И., Мартыненко В. А. // Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве. Сб. науч. трудов. Вып. 3. - 2007. - С. 8-12.
2. Кларе М. Производство ячеистобетонных изделий по технологии фирмы «Маза-Хенке» / Кларе М., Иванов А. // Строительный рынок. - 2006. - № 910. - С. 17-19.
3. Beitzel H. Quality-assured manufacture of self-compacted concrete by changing the relevant machine parameters in concrete mixers / Beitzel H. // BFT. - 2007. - № 1. - P. 32-45.
4. Сердюк В. Р. Перспективы производства ячеистых бетонов автоклавного твердения / Сердюк В. Р., Христич А. В., Лемешев М. С. // Сб. Будвельн ма-терiали, вироби та сантарна технка. - 2007. -№ 24. - С. 18-21.
5. G. Zapotochna-Sytek Автоклавный ячеистый бетон в странах Европы / G. Zapotochna-Sytek // Буд-вельн матерiали, вироби та сантарна технка. -2007. - № 24. - С. 59-70.
6. G. Zapotochna-Sytek: Rozwoj Autoklawizowanego betonu komorkowego na tle 20 Konferencji «Jadwisinskich» / G. Zapotochna-Sytek // Materialy 20 Konferencji Naukowo-Technicznej Jadwisin. -2006. - Str. 389-405.
7. Зиновкин В. В. Многокритериальная автоматизированная система управления технологическим процессом приготовления газобетона / Зиновкин В. В., Кулинич Э. М. // Матерiали мiжнар. конференцп «ISDMCI-2009», (Gвпаторiя, 19-22 травня). -2009. - Т. 2. - С. 608-611.
8. Зиновкин В. В. Многопараметрическая система автоматизированного управления технологическим процессом приготовления газобетона / Зи-новкин В. В., Кулинич Э. М. // Схщно-Свропейсь-кий журнал передових технолопй. - 2009. - №3/ 3(39). - С. 38-43.
Поступила в редакцию 02.02.09 г.
Запропоновано математичну модель та структурно-лог'чну схему автоматизованого елект-роприводу технологiчноí лш приготування газобетону з урахуванням параметрiв керуючих пристроив, перетворювача частоти та виконуючих механiзмiв.
Mathematical model and structurally-logical scheme of the automated electric drive of technological process of aerocrete preparation taken into account the actuation devices parameters, the frequency converter and executive mechanisms are offered.
