Научная статья на тему 'Моделирование автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона'

Моделирование автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
117
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — В. В. Зиновкин, Э. Мкулинич

Предложены математическая модель и структурно-логическая схема автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона с учетом параметров управляющих устройств, преобразователя частоты и исполнительных механизмов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — В. В. Зиновкин, Э. Мкулинич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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.

Текст научной работы на тему «Моделирование автоматизированного электропривода дозатора технологической линии приготовления газобетона»

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:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.