Помощь студентам в учебе
Разработка мехатронной системы механизма перемещения каретки электрододержателя электро-шлакоплавильной печи ЭСПЦ-3 ПАО «Уральская Кузница»
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ 7
2 ОПИСАНИЕ ЭШП 16
2.1 Актуальность вопроса автоматизации печей ЭШП 16
2.2 Описание установки 17
2.3 Особенности технологического процесса 19
2.4 Этапы технологического процесса 24
2.5 Сравнительный анализ электрошлакового переплава с другими видами
переплавов 28
2.6 Состав системы автоматизации ЭШП 32
3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОГО УЗЛА 35
3.1 Кинематическая схема 35
3.2 Требования к объекту 38
3.3 Алгоритм работы мехатронной системы 40
3.4 Функциональная схема объекта 42
3.5 Тахограмма и нагрузочная диаграмма привода 45
3.6 Выбор элементной базы 51
4 САУ ПРИВОДА ЭЛЕКТРОДОДЕРЖАТЕЛЯ 61
4.1 Выбор типа САУ для привода 61
4.2 Математическая модель объекта управления 69
4.3 Расчет регуляторов САУ 72
4.4 Моделирование основных режимов работы 77
5 СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ 7
2 ОПИСАНИЕ ЭШП 16
2.1 Актуальность вопроса автоматизации печей ЭШП 16
2.2 Описание установки 17
2.3 Особенности технологического процесса 19
2.4 Этапы технологического процесса 24
2.5 Сравнительный анализ электрошлакового переплава с другими видами
переплавов 28
2.6 Состав системы автоматизации ЭШП 32
3 ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОГО УЗЛА 35
3.1 Кинематическая схема 35
3.2 Требования к объекту 38
3.3 Алгоритм работы мехатронной системы 40
3.4 Функциональная схема объекта 42
3.5 Тахограмма и нагрузочная диаграмма привода 45
3.6 Выбор элементной базы 51
4 САУ ПРИВОДА ЭЛЕКТРОДОДЕРЖАТЕЛЯ 61
4.1 Выбор типа САУ для привода 61
4.2 Математическая модель объекта управления 69
4.3 Расчет регуляторов САУ 72
4.4 Моделирование основных режимов работы 77
5 СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 89
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 91
Электрошлаковый переплав - это вид переплава стали, относящийся к разделу спецэлектрометаллургии, и осуществляющий очистку переплавляемого металла от различных примесей и неметаллических включений. Данные процессы происходят благодаря прохождению капель металла в процессе плавки через слой раскаленного шлака.
При создании таких печей важным критерием является наиболее высокая чистота выходного металла. Поэтому все современные печи данной области для достижения максимальных технологических параметров используют новейшие системы управления, которые имеют большое количество функций и возможностей. Но наряду с современными печами, в промышленности также еще широко используются и те, что были выпущены еще в СССР. Поэтому кроме создания новых установок, широко применяется модернизация старых. На базе старых конструкций, которые пока имеют еще большой ресурс, используя новые передачи и исполнительные механизмы, а также в совокупности и современное оборудование для управления, создаются печи, практически не уступающие по характеристикам.
Для поддержания технологических величин во всех печах происходит точное управление перемещением электрода. Благодаря его перемещению регулируется межэлектродное пространство, непосредственно влияющее на процесс плавки. Исходя из этого главной целью выпускной квалификационной работы является создание системы управления механизмом перемещения электрода.
Для создания системы автоматического управления приводом перемещения электрода необходимо в первую очередь проанализировать научную литературу по поставленной теме, изучить уже разработанные методы регулирования для данного привода. Получив все необходимые знания о технологии производства, нужно сформулировать технические требования, выполнение которых должна обеспечивать новая система регулирования.
Для дальнейшего анализа работы привода необходимо рассчитать и построить нагрузочную диаграмму электропривода, а также тахограмму его работы. По полученным графикам, а также произведенных расчетам, нужно подобрать все элементы привода, а также оборудования для системы автоматического управления. Оценку работы показателей качества работы привода по заданным графикам лучше всего производить, смоделировав его работу в программном обеспечении. Поэтому моделирование является еще одной обязательной задачей для правильного и полноценного анализа проектируемой системы управления приводом.
Кроме создания системы управления электроприводом перемещения электрода необходимо проработать программную часть, создать алгоритм управления, выстроить структуры системы автоматизации.
Для удобства работы персонала необходимо спроектировать и разработать систему визуализации, настроить необходимые анимации, системы аварийных оповещений, а также разделение доступа по уровням пользователей.
Для выполнения этих задач нужно начать с работы над книгами и методическими пособиями, которые раскрывают затрагиваемые темы. Использовать информацию интернет ресурсов, работать с программным обеспечением для программирования, создания визуальных сред и моделирования.
Каждая печь электрошлакового переплава создается под определенные условия использования, с разными конструкциями, элементами приводов, системами управления, они ориентированы на работу с разным количеством электродов, разных длин и сечений. Учитывая все эти факты, можно сказать, что почти каждая печь электрошлакового переплава имеет отличительные от других технологические параметры, а значит и разные системы управления. Модернизация каждой такой печи является индивидуальным процессом, который учитывает массу влияющих факторов.
При создании таких печей важным критерием является наиболее высокая чистота выходного металла. Поэтому все современные печи данной области для достижения максимальных технологических параметров используют новейшие системы управления, которые имеют большое количество функций и возможностей. Но наряду с современными печами, в промышленности также еще широко используются и те, что были выпущены еще в СССР. Поэтому кроме создания новых установок, широко применяется модернизация старых. На базе старых конструкций, которые пока имеют еще большой ресурс, используя новые передачи и исполнительные механизмы, а также в совокупности и современное оборудование для управления, создаются печи, практически не уступающие по характеристикам.
Для поддержания технологических величин во всех печах происходит точное управление перемещением электрода. Благодаря его перемещению регулируется межэлектродное пространство, непосредственно влияющее на процесс плавки. Исходя из этого главной целью выпускной квалификационной работы является создание системы управления механизмом перемещения электрода.
Для создания системы автоматического управления приводом перемещения электрода необходимо в первую очередь проанализировать научную литературу по поставленной теме, изучить уже разработанные методы регулирования для данного привода. Получив все необходимые знания о технологии производства, нужно сформулировать технические требования, выполнение которых должна обеспечивать новая система регулирования.
Для дальнейшего анализа работы привода необходимо рассчитать и построить нагрузочную диаграмму электропривода, а также тахограмму его работы. По полученным графикам, а также произведенных расчетам, нужно подобрать все элементы привода, а также оборудования для системы автоматического управления. Оценку работы показателей качества работы привода по заданным графикам лучше всего производить, смоделировав его работу в программном обеспечении. Поэтому моделирование является еще одной обязательной задачей для правильного и полноценного анализа проектируемой системы управления приводом.
Кроме создания системы управления электроприводом перемещения электрода необходимо проработать программную часть, создать алгоритм управления, выстроить структуры системы автоматизации.
Для удобства работы персонала необходимо спроектировать и разработать систему визуализации, настроить необходимые анимации, системы аварийных оповещений, а также разделение доступа по уровням пользователей.
Для выполнения этих задач нужно начать с работы над книгами и методическими пособиями, которые раскрывают затрагиваемые темы. Использовать информацию интернет ресурсов, работать с программным обеспечением для программирования, создания визуальных сред и моделирования.
Каждая печь электрошлакового переплава создается под определенные условия использования, с разными конструкциями, элементами приводов, системами управления, они ориентированы на работу с разным количеством электродов, разных длин и сечений. Учитывая все эти факты, можно сказать, что почти каждая печь электрошлакового переплава имеет отличительные от других технологические параметры, а значит и разные системы управления. Модернизация каждой такой печи является индивидуальным процессом, который учитывает массу влияющих факторов.
Применение систем автоматизированного управления актуально при реализации всех разновидностей электрошлаковой технологии, при этом одна из наиболее существенных задач, которую приходится решать разработчикам САУ: выбор внешних устройств сбора и передачи информации о контролируемых параметрах процесса, а также правильное управления этими параметрами. Одной из наиболее сложных задач, возникающих при создании САУ для ЭШП, реализующих технологию с перемещением электрода относительно кристаллизатора, является контроль тока и напряжения плавки, а вследствие этого и положения каретки электрододержателя.
Для осуществления полноценного анализа работы системы была проработана литература, касающаяся данной темы. Также в дополнении к книгам и пособиям использовалась информация Интернет-ресурсов. Были изучены уже разработанные методы регулирования привода электрододержателя.
Создание системы управления положением электрода начиналось с выбора структуры системы, общих принципов управления, алгоритмов. Следующим этапом являлось выполнение всех необходимых расчетов для подбора оборудования, его проверки. После выполнения расчетов была построена нагрузочная диаграмма и тахограмма. Они отражают изменение прикладываемых к приводу нагрузок в течение рабочего цикла, а также изменение скоростей движения.
Для полноценного исследования работы привода производилось моделирование с помощью программного пакета Matlab Simulink. В нем была построена система автоматического управления электроприводом. Данная система подчиненного регулирования имеет в своем составе три замкнутых контура, каждый из которых имеет регулятор и настроен на оптимальные настройки. Самым внутренним контуром системы является оптимизированные контур момента. Он имеет настройку на модульный оптимум. В структуре он показывается упрощенно и описывается одним апериодическим звеном первого порядка. Следующий контур скорости имеет настройку на симметричный оптимум, его регулятор состоит и двух частей: пропорциональной и интегральной. На входе в контур будет включено компенсирующее апериодическое звено, другими словами фильтр, с помощью которого улучшается качество отработки сигналов задания скорости.
Внешним контуром регулирования является контур положения, который в свою очередь настроен на технический оптимум и имеет пропорциональный вид передаточной функции регулятора. Для осуществления обратной связи по положения будет использован сигнал, передаваемый лазерным дальномером, установленным в систему.
После настройки всех контуров системы при моделировании были получены переходные процессы, с помощью которых было оценено их качество. Таким образом, была получена система с перерегулированием по скорости примерно 7,6 %, и время регулирования 0,346 секунды, что вполне удовлетворяется заданным требованиям. Для контура положения важным параметром было отсутствие перерегулирования. Выполнение данного условия можно увидеть на графике переходного процесса. Таким образом, система управления приводом механизма перемещения электрода является настроенной в соответствии с техническими требованиями.
Также для удобной работы была создана система визуализации на панели оператора. Система визуализации показывает фактическое состояние сразу трех аналогичных печей. На ней отображаются все основные параметры плавки текущие и заданные. Имеется окно управления рецептами с архивированием текущих значений за весь цикл плавки. С панели оператора может осуществляться управление режимами работы. В системе предусмотрены оповещения об авариях системы, их архивирование и передача на более высокий уровень автоматизации.
Учитывая все выполнение всех вышеперечисленных задач, можно сделать вывод, что данная система управления разработана в полном объеме и соответствует всем предъявляемым техническим требованиям.
Для осуществления полноценного анализа работы системы была проработана литература, касающаяся данной темы. Также в дополнении к книгам и пособиям использовалась информация Интернет-ресурсов. Были изучены уже разработанные методы регулирования привода электрододержателя.
Создание системы управления положением электрода начиналось с выбора структуры системы, общих принципов управления, алгоритмов. Следующим этапом являлось выполнение всех необходимых расчетов для подбора оборудования, его проверки. После выполнения расчетов была построена нагрузочная диаграмма и тахограмма. Они отражают изменение прикладываемых к приводу нагрузок в течение рабочего цикла, а также изменение скоростей движения.
Для полноценного исследования работы привода производилось моделирование с помощью программного пакета Matlab Simulink. В нем была построена система автоматического управления электроприводом. Данная система подчиненного регулирования имеет в своем составе три замкнутых контура, каждый из которых имеет регулятор и настроен на оптимальные настройки. Самым внутренним контуром системы является оптимизированные контур момента. Он имеет настройку на модульный оптимум. В структуре он показывается упрощенно и описывается одним апериодическим звеном первого порядка. Следующий контур скорости имеет настройку на симметричный оптимум, его регулятор состоит и двух частей: пропорциональной и интегральной. На входе в контур будет включено компенсирующее апериодическое звено, другими словами фильтр, с помощью которого улучшается качество отработки сигналов задания скорости.
Внешним контуром регулирования является контур положения, который в свою очередь настроен на технический оптимум и имеет пропорциональный вид передаточной функции регулятора. Для осуществления обратной связи по положения будет использован сигнал, передаваемый лазерным дальномером, установленным в систему.
После настройки всех контуров системы при моделировании были получены переходные процессы, с помощью которых было оценено их качество. Таким образом, была получена система с перерегулированием по скорости примерно 7,6 %, и время регулирования 0,346 секунды, что вполне удовлетворяется заданным требованиям. Для контура положения важным параметром было отсутствие перерегулирования. Выполнение данного условия можно увидеть на графике переходного процесса. Таким образом, система управления приводом механизма перемещения электрода является настроенной в соответствии с техническими требованиями.
Также для удобной работы была создана система визуализации на панели оператора. Система визуализации показывает фактическое состояние сразу трех аналогичных печей. На ней отображаются все основные параметры плавки текущие и заданные. Имеется окно управления рецептами с архивированием текущих значений за весь цикл плавки. С панели оператора может осуществляться управление режимами работы. В системе предусмотрены оповещения об авариях системы, их архивирование и передача на более высокий уровень автоматизации.
Учитывая все выполнение всех вышеперечисленных задач, можно сделать вывод, что данная система управления разработана в полном объеме и соответствует всем предъявляемым техническим требованиям.