МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО, НАУКАТА И

ТЕХНОЛОГИИТЕ

МИННО-ГЕОЛОЖКИ УНИВЕРСИТЕТ„Св. ИВАН РИЛСКИ”

град София –филиал град Кърджали специалноставтоматика,информационна и управляваща техника

Катедра: Автоматизация на минното производство

ДИПЛОМНА РАБОТА

на ГРИГОР КОСТОВ ДИМОВ, фак № 101043

специалност : АУИТ

ТЕМА: УПРАВЛЕНИЕ НА НАТЕГАТЕЛНА СТАНЦИЯ НАГУМЕНО ТРАНСПОРТНА ЛЕНТА

Дипломната работа може да се предаде за рецензия:

Научен ръководител:

(ст.ас.Р.Русинов)

Дипломната работа да се рецензира от:

Р-л катедра:

(доц. д-р З. Илиев)

Дипломната работа се допуска до защита:

Директор:

(доц. д-р М. Панайотова)

Кърджали - 2011

ЗАДАНИЕ

ЗА ДИПЛОМНА РАБОТАна

ГРИГОР КОСТОВ ДИМОВ

Тема: “ УПРАВЛЕНИЕ НА НАТЕГАТЕЛНА СТАНЦИЯ НАГУМЕНО ТРАНСПОРТНА ЛЕНТА”

ПЛАН-ПРОГРАМАI. ВАРИАНТИ И ИНЖЕНЕРНИ РЕШЕНИЯ ПРИ

ИЗГРАЖДАНЕ НА НАТЕГАТЕЛНА СТАНЦИЯ. ОБЩА СТРУКТУРНА СХЕМА НА СИСТЕМАТА.

II. ИЗБОР НА ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА ИЗГРАЖДАНЕ НA АВТОМАТИЗИРАНА СИСТЕМА ЗА УПРАВЛЕНИЕ.

III. ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА РЕАЛИЗИРАНЕ НА СИСТЕМАТА ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛИРАНЕ НА НАТЯГАНЕТО НА ГТЛ.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ИЗВОДИ.

Ръководител:………………(ст.ас. Русинов)

2

СъдържаниеГЛАВА ПЪРВА. ВАРИАНТИ И ИНЖЕНЕРНИ РЕШЕНИЯ ПРИ ИЗГРАЖДАНЕ

НА НАТЕГАТЕЛНА СТАНЦИЯ. ОБЩА СТРУКТУРНА СХЕМА НА СИСТЕМАТА.. 6

1. Нерегулируеми натегателни устройства.....................................................................6

2. Регулируеми натегателни станции..............................................................................9

2.1. Геомеханично управление на натегателна станция...................................................9

2.2. Електро-механично управление на натегателни станции....................................10

2.3. Обща структурна схема на системата за автоматично регулиране....................11

ГЛАВА ВТОРА. ИЗБОР НА ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА ИЗГРАЖДАНЕ НА АВТОМАТИЗИРАНАТА СИСТЕМА ЗА УПРАВЛЕНИЕ................................................17

1. Програмируем логически контролер (PLC)..............................................................17

1.1 Общи характеристики на програмируемите логически контролери...................17

1.2 Програмируем логически контролер SIEMENS SIMATIC S7-300......................20

1.3 Езици за програмиране на PLC...............................................................................22

1.4 Допълнителни данни и комуникация.....................................................................23

1.5 Общо описание на използвания програмен продукт - STEP7 :...........................27

2. Датчици за следене на натягането на лентовото платно на натегателната станция.27

2.1 Общи сведения..........................................................................................................27

2.2 Избор на тензодатчик и трансмитер.......................................................................29

3. Датчици за измерване на скорост на работния орган - лентовото платно.............31

3.1 Общи положения......................................................................................................31

3.2 Избор на фоторастерен ротационен преобразувател...........................................32

3.3 Технически характеристики....................................................................................34

ГЛАВА ТРЕТА. ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА РЕАЛИЗАЦИЯ НА СИСТЕМА ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛУРАНЕ НА НАТЯГАНЕТО НА ГТЛ.................................36

1. Закон за управление....................................................................................................36

1.1 Въведение в алгоритъма на ПИД закона за управление.......................................36

1.2 Теоретични основи...................................................................................................36

1.3 Приложение на ПИД закона в конкретната разработка.......................................41

2. Управление на натегателната количка......................................................................43

2.1. Съществуваща система за управление на натегателната количка – степенен реостатен пуск на асинхронен двигател...............................................................................43

2.2. Честотно управление на електрозадвижването.................................................46

3. Обработка на датчиците..............................................................................................50

4. Описание на програмата.............................................................................................51

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................53

ИЗПОЛЗВАНА ЛИТЕРАТУРА........................................................................................54

3

УВОД

Съвременното минно предприятие представлява сложен

взаимосвързан комплекс от различни производствени процеси,

функционирането на който налага използването на високопроизводителни

машини. Нарастването на потреблението на руда поставя проблеми,

свързани с увеличаване на производителността на минната техника,

анализиране на натоварването на отделни възли и на машините като цяло.

Правилното управление на системите спомага за решаването на тези

проблеми. Днес автоматизацията и контрола са обхванали всички основни

и спомагателни производствени процеси.

Лентовите транспортьори намират голямо приложение в

миннодобивната промишленост - при добив на полезни изкопаеми, в

обогатителни фабрики и други отрасли на тежката промишленост.

Структура на съоръжението с ГТЛ (гумена транспортна лента) с

минимална конфигурация има следните елементи: два барабана, от които

единият е задвижващ, а другият с определено устройство е предназначен

да изпълнява функцията на натегателен барабан, свързани с гъвкав

елемент (каучуково платно с метални или полимерни нишки), който

представлява основната част от гумено лентовия транспортьор.

Ето някои от качествата, обуславящи широкото приложение на ГТЛ:

− универсално приложение за почти всички видове насипни и

единични материали;

− големи транспортни дължини;

− безопасна и почти безшумна работа;

− възможност за пълна автоматизация;

− осигуряване на висока производителност;

− икономичност;

− проста конструкция;

4

− висока надеждност;

− пренос на материал по начупени трасета (само при затворен ЛТ).

Непрекъснатостта на процеса по пренос на насипен товар и

възможността за пълна автоматизация са най-големите аргументи при

внедряването на ГТЛ в откритите рудници на комплекса Марица-Изток.

При лентовите транспортьори задвижващите барабани могат да бъдат

монтирани в краищата или в средата на транспортната линия. Мястото им

се определя главно от удобството при експлоатация и от конструктивни

съображения.

Експлоатацията на лентовия транспортьор е свързана с

обстоятелството, че каучука, като основен материал, от който е направено

гуменото платно, е гъвкав и еластичен. Затова по време на експлоатация

се налага използването на натегателно съоръжение за реализиране на

нормална работа на ГТЛ.

Целта при проектирането на натегателна станция е да осигурява

приплъзване клонящо към нула при минимално натягане. Минималното

натягане осигурява механическото не нарушаване на вулканизираните

участъци на гумено-транспортната лента, а липсата на приплъзване

удължава живота на гуменото платно.

5

ГЛАВА ПЪРВА. ВАРИАНТИ И ИНЖЕНЕРНИ РЕШЕНИЯ ПРИ

ИЗГРАЖДАНЕ НА НАТЕГАТЕЛНА СТАНЦИЯ. ОБЩА

СТРУКТУРНА СХЕМА НА СИСТЕМАТА.

Инженерните решенията за натягане на ГТЛ са най-различни.

Техническите средства, които са резултат от тези инженерни решения се

разделят по критерий управляемост. В зависимост от това дали са

управляеми или неуправляеми по време на работния процес, те се делят

на:

− нерегулируеми (неуправляеми по време на работния процес);

− регулируеми (управляеми по време на работния процес).

Силата на натягане зависи най-много от вида на гумената транспортна

лента, за която е проектирана задвижващата станция. Лентите се

изработват от естествен каучук, набразден с текстилни или стоманени

нишки, като линейното удължение на гуменото платно по време на

процеса на работа при лентите със стоманен корд е минимално и е най-

голямо при гумено-транспортни ленти с изкуствено влакно.

1. Нерегулируеми натегателни устройства.

Нерегулируемите натегателни устройства ограничават редица

параметри при експлоатацията на ГТЛ, например: дължина на лентовото

платно и нисък коефициент на КПД (Фигура 1), защото тези параметри не

се регулират по време на работа.

Фигура 1. Кинематична схема на нерегулируемо (статично) натегателно устройство

6

Не може да се каже, че нерегулируемите натегателни станции са

неефективни и да се отхвърлят като реализация. При този вид натягане

имаме максимална дължина на платното, зависещо от специфичните

физико-механически свойства на транспортната лента:

− за платно с текстилни (полимерни) нишки до 500 м.;

− за платно с метален корд 750 м.

Това е и единственото решение за ленти с дължина от 3 до 25м., те се

прилагат в повечето случаи, когато са част от сложни добивни машини и

насипообразуватели. Именно там са необходими къси ленти и възможност

от механизми с минимални габарити и минимална тежест. При този вид

системи натягането обикновено се извършва ръчно или със система

редуктор-двигател. Характерна особеност на този вид натягане е това, че

натягането се осъществява до определена стойност, след което системата е

готова за работа. Недостатъкът става неприемлив при увеличаване на

линейните размери на ГТЛ от порядъка на 400 до 900м. При тези размери

се износва бързо покритието на ГТЛ.

Специфични особености на нерегулируемите натегателни устройства

са:

- начинът на натягане, който се състои от два етапа.

- първоначално натягане до определена максимална стойност, определена

от дължината на лентовото платно;

- окончателно натягане. След неколкократно преминаване на гуменото

платно през задвижващите барабани се извършва корекция в стойността на

натягането. В повечето сучаи тази корекция е свързана с допълнително

донатягане, което е резултат от нелинейното натягане на платното по

време на първият етап.

Нерегулируемата система при този вид натегателни устройства може

да бъде изследвана само по време на работа от сензори за моментните

стойности на силата на натягане и приплъзване в реално време и при

7

необходимост да се коригира. За извършване на корекция трябва да се

спре процеса на работа, което е нецелесъобразно при участие на

транспортни ленти в последователна структура, което означава, че

спирането на една лента спира и цялата система по извозването на

насипните товари.

В системата на открития добив в Източно-Маришкият басейн

нерегулируемите ГТЛ са 100%, което ограничава дължината на една

задвижваща станция достига максимално до 750м .Всички ГТЛ над 750м. с

нерегулируеми натегателни станции са доказали неефективността си във

връзка с критерия продължителност на използваното платно - при

натоварено състояние, като критерият представлява отношението на

иззетата и транспортирана минна маса - за определено време към

общите им разходи . Като смущаващо въздействие за

анализа на този коефициент, трябва да се вземе под внимание и

механическите качества на минната маса, като зърнометричност и

абразивност , така също и техническото състояние на лентовото платно, а

имено то да е подравнено и да не липсват носещи ролки.

При заложени тенденции за увеличаване на разстоянията за пренос на

насипни товари и премахване на железопътният транспорт за извозване на

лигнитни въглища от мястото на добиване до топлоелектрическите

централи чрез ГТЛ, е необходимо проектиране на мощни ГТЛ, като

единичната дължина на такова съоръжение да достигне максимална

дължина около 1700м. при реализирането му чрез стандартните

задвижващи станции (ЗС) 1800. Тези проекти по удължаване на платното

водят със себе си и редица допълнителни условия, като допълнителна

система за автоматично натягане и самоцентриране на платното.

2. Регулируеми натегателни станции.

8

Регулируемите натегателни станции увеличават неколкократно

продължителността на експлоатация на ГТЛ и нейната дължина. Такива

съоръжения натягат и поддържат по време на работния процес лентата в

оптимално обтегнато състояние, като компенсират смущаващите

въздействия.

Чрез въздействието си тези системи увеличават до 35%, като за

целта се изследва една задвижваща станция при двете различни системи с

регулируема и нерегулируема натегателна станция. Едни от най-

мащабните и често срещани смущаващи въздействия, определящи

основната причина за реализиране на автоматизирана натегателна станция

са:

− промяна на количеството материал по трасето на ГТЛ;

− приплъзване;

− промяна в околната температура;

− попадане на вода върху ГТЛ по време на дъждове, в следствие на

което сцеплението на гуменото платно със задвижващите барабани

се променя;

− преминавене от установен режим на покой в работен режим на ГТЛ;

− аварийно спиране;

− спиране за повече от 1 час.

Управлението на натегателното устройство осигурява необходимата

теглителна сила за предаването на въртящия момент, като това трябва да

стане без прибоксуване, а също така и за ограничаване на провисването на

лентата между поддържащите ролки.

2.1. Геомеханично управление на натегателна станция.

Една от най-лесните за реализация управляема натегателна станция е

чрез тежести, които под действието на земното притегляне осигуряват

постояна сила на опън дори и при нужда от преместване на натегателната

количка с десетки сантиметри в двете посоки. Това елиминира само част

9

от междините смущения и остава без решение проблема с приплъзването при

увеличаване на товара върху платното.

Фигура 2. Кинематична схема на натегателна станция с геомеханично натягане

Като коригиращ фактор за оптималната сила, която действа на

натегателният барабан при гео-механичните управляеми съоръжения, е

количеството на тежестите, монтирани в края на механизма, като

определянето им става съобразно дължината на ГТЛ и товара в тонове,

който ще преминава през нея. Елиминирането на приплъзването при тази

система е решено, като се поставят повече тежести и така да се увели

силата на опъване. Това от своя страна е неудачно, защото води до

скасяване на периода на годност при използване на платното и

вероятността от механичното разтегляне на лентата (отлепяне на

вулканизирани участъци).

Реализирането на този вид натегателна станция е икономически

обосновано при маломощни и къси ГТЛ.

Този метод е приложим както за лентите с изкуствени нишки, така и

за ленти с метален корд.

2.2. Електро-механично управление на натегателни станции.

Електро-меманичната натегателна станция се състои от две взаимно

свързани части.

10

Едната част представлява електо-механично съоръжение, необходимо за

механично преместване на натегателната количка, а другата част

представлява техниеско средство за реализиране на закона за управление на

електро-механичната част.

Целта на тази система е предварително отстраняване на

приплъзването преди да е започнало при минимално за тази цел натягане,

непревишаващо зададена стойност.(Фигура 3).

В зависимост от вида на изпълнителното устройство този вид системи

се делят на електро-механични, електро-хидравлични, електро-

пневматични, магнито-механични и др.

В зависимост от начина на управление на логическия оптимизатор, те

се делят на такива с: релейно-контакторно управление и управление с

промишлен контролер.

От посочените видове за реализация в откритите рудници най-

целесъобразно е да се избере управление на електро-механична

натегателна станция чрез промишлен контролер (PLC).

2.3. Обща структурна схема на системата за автоматично

регулиране.

За да се опише и реализира процеса при натялането на мощна ГТЛ,

трябва да се знае какво ще цели управлението, какви резултати трябва да

бъдат получени, каква е предавателната функция на обекта на управление

(ОУ). Какви ще са смущаващите въздействия, които влияят върху ОУ,

какви датчици (сензори) ще се използват, техните изходни величини и

програмата, с която да бъде реализиран алгоритъма на действие на цялата

автоматизирана система, реализираща технологичния закон за управление.

При разработването и синтеза на основните компоненти по

поставената задача ясно се разграничават два основни елемента, които при

прилагането им в система със съответните връзки образуват целостта

системата за автоматично регулиране (САР) (Фигура 4).

11

Фигура 3. Схема на натегателна станция с електро-механично натягане

12

Фигура 4. Структурна схема на автоматизираната система за управление (САУ) на натягането на лентовото платно (ЛП)

1 – Управляващо устройство (УУ); 2 – Датчик за степента на натягане (тензодатчик) (Д1); 3 –Натегателен барабан с

фоторастерен ротационен преобразувател-(Д2); 4 –Задвижващ барабан с фоторастерен ротационен преобразувател-

(Д3); 5 – Суматор на сигналите от Д2 и Д3 (отчитане на разликата между скороистите на въртене на двата

барабана); 6 – Логически оптимизатор.

13

Основната част на системата за управление се базира на

предавателната функция на ОУ -лентовото платно (ЛП) или тягов орган

(ТО) :

, където - е скоростта на ЛП в мястото

на натоварването му m/s

- е скорост на платното до задвижващият барабан m/s

- транспортно закъснение

Стойностите на , и зависят от типа на

конвейра, неговата дължина и материала, от който е изработено ЛП.

Транспортното закъснение се определя с израза:

, където е дължината на ГТЛ, като

натоварваннето му се изменя по дължината, т.е. ;

Е е модул на еластичност на ЛП;

- линейно натоварване на ЛП.

Вторият елемент: УУ – управляващо устройство. На входа на това

устройство , постъпва задание – за натягане или отпускане на лентата, а на

изхода му се получава необходимото за дадената ситуация управляващо

въздействие.

Целта е да се постигне постоянно по сила натягане и при нужда да

бъде увеличено или намалено в зависимост от смущаващите параметрични

или адитивни въздействия, които оказват влияние на изхода на ОУ или

лентовото платно. При тази структура за подобряване на качествените

показатели на системата е необходимо използването на обратна връзка,

реализирана с датчик за натягане (Д1), който определя силата на

натягането на гуменото платно.

За неутрализиране на смущения, въздействащи върху ОУ е

необходимо да се извърши идентификация на ОУ - чрез експериментални

14

изследвания. ОУ е нелинен нестационарен обект. Нелинейноста се дължи

еластичноста на материала от който е изработен, а нестазионарен , защото

се променя във времето затова пълното описание на ОУ усложнява

теоретически реализацията на зададената САР. За намиране на

минималната сила на натягане първоначално се правят няколко

практически опита, при който се следи преплъзването и от получените

резултати се намира оптималната стойност .

Входният сигнал на УУ (Фигура 5) се изработва от блока за

сравнение, като изхода му реализира оптималната сила на натягане, този

сигнал означава, че при тази стойност гуменото платно работи безотказно–

не приплъзва и не се разрушава механически.

УУ - управляващо устройство е съставено от блок за управление и

изпълнителен механизъм.

ОУ - обект за управление – лентово платно (ГТЛ).

На системата допълнително могат окажат влияние и външни

въздеиствия като температурата и товара върху гуменото платно, но тези

въздеиствия ще бъдат регистрирни от датчика за натягане.

Д1 – датчик, отчитащ степента на натягане на ГТЛ, която се променя

от смущаващите въздействия върху ОУ.

Д2, Д3 – Датчици за отчитане на скоростта на въртене на

натегателния и задвижващия барабан. При наличие на разлика в двете

скорости се регистрира приплъзване.

Прилагането им в система със съответните връзки образуват целостта

на дадената система за автоматично регулиране (САР).

15

ГЛАВА ВТОРА. ИЗБОР НА ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА

ИЗГРАЖДАНЕ НА АВТОМАТИЗИРАНАТА СИСТЕМА ЗА

УПРАВЛЕНИЕ

1. Програмируем логически контролер (PLC).

1.1 Общи характеристики на програмируемите логически контролери.

Приложеният закон за управление се осъществява от управляващото

устройство, реализирано посредством програмируем логически контролер

(PLC).

Предимствата на промишлените контролери се състои в това, че те са

гъвкави (универсални) устройства, които могат да обхванат едновременно

няколко технологични процеса, като без проблем едновременно с това

могат да управляват машините и двигателите, реализиращи тези процеси.

Базирани са върху стандартна микропроцесорна архитектура, те

позволяват лесно обслужване и програмиране. Програмата извършва

управлението на контролера, в смисъл, че при активирането на входен

сигнал от логически (0 и 1) или аналогово входно устройство, се изработва

изходен сигнал – активиране на изход (цифрово или аналогово) в

зависимост от съществуващите логически програмни връзки между

отделните устройства.

За разлика от хардуерното изпълнение на управление на натягането, а

именно това са релейно-контакторни схеми, промишлените контролери

имат изградени логически връзки между отделните елементи, като по

програмен начин те могат да се променят. Това е от голямо значение за

проектирането на системата за автоматизирано управление на натегателна

станция. Като пример може да се посочи настройването на таймерите. Те

се настройват програмно без да е необходимо закупуване на нови релета за

16

време, а само чрез задаване на нови стойности. Това са само част от

предимствата на промишлените контролери. Други предимства са:

− по-висока надежност;

− по-малки размери;

− по-лесно обслужване, дължащо се на липса на движещи се

части;

− по-ниска цена.

Хардуерните системи за управление не притежават голяма част от

допълнителните възможности на съвременните PLC, като:

− реализация на закони за регулиране;

− комуникация с компютърни системи за управление от по-

високо ниво;

− изграждане на разпределени системи за управление (на базата

на високо скоростни локални мрежи).

Въпреки безспорните предимства, PLC системите притежават и

редица характерни недостатъци:

− по-трудно локализиране на отказите, тъй като в общият случай

PLC системата е значително по-сложна (в смисъл извършва комплексно

управление на значително по-големи обекти) от релейно-контакторна

система:

− грешка (авария) в PLC може да доведе до пълно спиране на

управляваният процес (обект);

− външни електромагнитни смущения или аварийни ситуации в

захранващата мрежа могат да изтрият паметта на системата.

Като структура PLC се състоят от :

захранващо устройство, процесорен модул (CPU), входове, които се

свързват към входните устройства, като бутони, сензори, крайни

изключватели и др.) и изходи, които се свързват към изходни устройства

17

(като контактори за управление на електродвигатели, индикаторни лампи,

електронни релета, хидравлични спирачки и др.

Допълнително към контролера могат да се свързват, програмиращо

устройство, устройство за човеко машинен интерфейс (оперторски панел

или текстов дисплей, принер, видео монитор и др.), устройства за

комуникация с други системи за управление .

Паметта в PLC системите се разделя на програмна памет (обикновено

от ROM или EPROM/EEPROM тип) и оперативна памет RAM. RAM

паметта за работа на програмата и временно запомняне състоянията на

входовете и изходите.

Мястото, от което входния сигнал постъпва в PLC, се нарича входна

точка – input point. За тази точка в памета на PLC се определят отделна

позиция (бит от съответната информационна област), която отразява

нейния статус, т.е. включена (ON) или изключена (OFF). Тази позиция

(адрес от информационната област) от паметта на PLC се нарича входен

бит (input bit). Сензорите за определяне на това дали приплъзва гуменото

платно или с колко е натегнато, се свързват във входните точки.

В паметта на PLC системите е отделена друга специална област,

съдържаща изходните (output bit) битове, които съответстват на така

наречените изходни точки (Output point) на PLC, през които контролерът

изпраща сигнали на изходните устройства (output device), т.е. произволен

изход се включва, за да изпрати сигнал към изходното устройство през

съответната изходна точка. В системата на натягане това е контактор,

който включва електрическия двигател за натягане и изключва

хидравличните спирачки за определен период.

Други предимства биват:

− PLC са специално проектирани за използване в промишлени

условия, като са взети специални мерки за екраниране и подобряване на

защитата от електромагнитни смущения ;

18

− В общият случай PLC са модулни устройства, които

позволяват лесна замяна (или добавяне на допълнителни модули). Така

например промишленият контролер, който ще използваме може

безпроблемно да замени релейно-контакторното управление на

задвижващата станция;

− поддържат стандартизирани входно/изходни връзки и нива на

сигналите;

− програмират се сравнително лесно;

Принципа на работа на PLC осигурява на неговата операционна

система да работи в реално време, това позволява циклично изпълнение на

логическата програма, при поставен в работен режим (run mode)

контролер.

За тази цел контролерите са проектирани така, че да наблюдават в

реално време и анализират сигналите това се нарича оперативен цикъл. В

рамките на оперативният цикъл, процесорното устройство на контролера,

чрез операционната система наблюдава (сканира) състоянието на входни

точки и тaка в следствие на програмираният закон включва и изключва

съответните изходи.

1.2 Програмируем логически контролер SIEMENS SIMATIC S7-300.

За реализация на системата електро-механично управление на

натегателна станция с PLC трябва обстойно да се разгледат кави сензори и

колко на брой ще са входовете и изходите за да се направи необходимата

конфигурация от модулни устойства който не са стандарни, а

допълнително се прикрепят към промишленият контролер. Тези модули са

най-различни и се подбират в зависимост от изикващата сигналн среда.

За решаване на поставената задача в текущата разработка се използва

SIEMENS SIMATIC S7-300, който e универсален контролер, специално

проектиран за реализация на иновативни системни решения в

19

производството. Този модулен контролер служи като идеална универсална

система за автоматизация на централизирани и децентрализирани

конфигурации (фиг.6).

Фигура 6. Снимка на основна конфигурация на S7-3001 - Захранващ модул; 2 – Батерия; 3 - 24VDC връзка; 4 - Режимен ключ; 5 - Индикатор на състоянието; 6 - Карта памет; 7 - MPI интерфейс; 8 - Преден конектор; 9 - Преден капак

Контролерът е разработен на модулен принцип, което позволява

много гъвкава работа . Той предлага следните характеристики:

Модулната мини PLC система от нисък и среден клас.

Притежава пълен набор от модули за оптимално добра адаптация за

автоматизация към конкретна задача.

Гъвкава употреба чрез лесно изпълнение на разпределени структури

и разнообразни мрежови възможности.

Лесен за работа и без усложнения, безвентилаторен дизайн.

Безпроблемно разширяване на модулите, в случай, че решаваната

задача расте.

Мощен благодарение на голям брой интегрирани функции

Техническите характеристики на Simatic S7-300 са представени в Таблица 1.Таблица 1Степен на защита IP 20 Околна температура

20

• При хоризонтално инсталиране• При вертикално инсталиране

0 до 60 °C0 до 40 °C

Относителна влажност 5 до 95%, без конденз Атмосферно налягане 795 до 1080 hPaИзолация• 24 V DC• 230 V AC

500 V DC тестово напрежение1460 V AC тестово напрежение

Електромагнитна съвместимост Съвместимост с изискванията за ЕМС;Шумоподтискане EN 50082-2, тествано: IEC 801-2, ENV 50140, IEC 801-4, ENV 50141, IEC 801-5; Шумоотделяне EN 50081-2, тествано EN 55011, Class A, Group 1

Механично натоварване• Вибрации, изпитания ускорение

• Удар, изпитания ускорение

IEC 68, Част 2-6/10 до 58 Hz; константна амплитуда 0.075 mm; 58 до 150 Hz; константно ускорение 1 g; Период на вибрациите: 10 честотни изкривявания на ос на всяка една от взаимноперпендуикулярните осиIEC 68, Част 2-27/полусинусоида: Сила на удар: 15 g (пикова стойност), продължителност 11 ms

1.3 Езици за програмиране на PLC.

Основните и най-често използвани езици за програмиране на PLC са

Ladder и Function Block Diagram: Ладер диаграмите са графичен eзик за

програмиране на PLC, базирана електрически релейно контактни схеми.

"Ладер програмата" се състои от определена последователност на

логически ("контактни") инструкции, чрез които се идентифицира

състоянието на всеки един от елементите (контактите) на

електромеханичната (релейно-контактна) система използвани за

управлението на машината. Действителното състояние на контактите от

електромеханичната система се замества с логическо. В качеството на

21

отделен елемент ("контакт") от системата за управление могат да се

използват всички битове от адресируеми те даннови области на

конкретния PLC, в съответствие с използваната система за адресация.

FDB – Езикът на функционалните блокови схеми е графичен език за

програмиране на PLC, използуващ логически елементи (Logie boxes) от

Булевата алгебра за представяне на управляващи те функции.

Езикът се базира на възможността за описване работата на конкретен

обект за управление, a от там и функцията на управляващото устройство,

посредством система от логически уравнения. Всяко логическо уравнение

се кодира самостоятелно и се оформя като отделен логически стринг

(Logical Network/Logical Segment).

1.4 Допълнителни данни и комуникация.SIMATIC S7-300 е предназначен за иновативни решения, и системи с

акцент върху производствения инженеринг и като универсална система за

автоматизация. Тя представлява оптимално решение за приложения в

централизирани и разпределени конфигурации.

Способността да се интегрират мощни процесори с индустриални

Ethernet / PROFINET интерфейси, дава решение за реализация на сложни

разпределени системи без значително увеличаване на инвестициите.

С S7-300 може да бъде създадена модулна конфигурация, тъй като е

на лице широк набор от модули, достъпни както за централизирани, така и

за разпределени конфигурации (например комуникационния модул ET

200).

Контролерът позволява използването на външна карта за данни, което

прави излишна резервната батерия, и по този начин и част от разходите за

поддръжка. Голямо предимство е възможността на картата да се

съхраняват включително символи и коментари, което улеснява процеса на

поддръжка и проследяване на действиетона програмата. Карта памет дава

22

възможност за лесна актуализация.Картта памет може да се използва по

време на операция за съхраняване и достъп до данни, например за

архивиране или преработка на програмата.

SIPLUS е версия на контролера за външни условия на околната среда,

например разширен температурен диапазон (от -25°С до 60°С), за употреба

при агресивна атмосфера /конденз/.

Фигура 7. Примерна структурна схема на система, изградена с контролер S7-300

В S7-300 дава възможност за спестяване на пространство и модулни

конфигурации.

За допълнение на модули е необходима само DIN шина за

закрепванена модулите.

При единична конфигурация на разположение са 256 входове/изходи,

в „multi-tread” разполага с 1024 входове/изходи и при използване на

„PROFIBUS” съчетан с ET200M може да се достигне до 65536

входове/изходи.

Multi-Point Interface (MPI) /DP интерфейс.

23

Фигура8. Примерна мрежа, изградена с MPI.

Възможно е следващите устройства да се свържат към MPI на CPU,

пример:

Програмиращи устройства

Операционни и визуализиращи устройства

Допълнителни контролери S7-400 или S7-300

Използва се конектор с усукан изходящ кабел.

MPI интерфейс може да се конфигурира като DP master(главен) и да

се използва като PROFIBUS DP интерфейс с до 32 DP slaves(подчинени).

PROFIBUS DP интерфейс

Към PROFIBUS DP интерфейс могат да се свържат разпредилител I/O,

програмиращи устройства и да се добави DP master устройства.

С помощта на този тип свързаност може да се осъществи свързване на

системата към автоматизирана система от по-високо ниво.

24

Фигура 9. Схема компоненти CPU 31xC

1. Статус индикатор; 2. Слот за „SIMATIC Micro Memory Card”; 3. Конектори за

вградените вх./изх.; 4. Конектор захранване; 5. Интерфейс Х2 (PtP или DP); 6.

Интерфейс Х1 (MPI); 7. Превкл. За избор на режим

Фигура10. Извадка от таблица за избор на разлини конфигурации на основния процесорен модул

25

1.5 Общо описание на използвания програмен продукт - STEP7 :

За съставянето на програмите, под управлението на които

контролерът взаимодейства с обекта, потребителя използва

специализирания език за програмиране STEP7.

Софтуерът, който се използва за програмирането на PLC е STEP7

Micro/WIN32 V3.1 Pro представлява развойна среда за програмиране на

езика STEP 7. Има удобен за ползване графичен интерфейс и предлага

много възможности за настройка. Работи под операционните системи

Windows 95, Windows 98 и Windows NT 4.0, а изискванията му към

хардуера са минимални. Някои от основните възможности на STEP7

Micro/WIN32 V3.1 Pro са:

Съставянето на програми и редактирането им;

Изпращането на готовия код към PLC -процесора;

Прочитането на съществуващите програми от паметта на PLC-

процесора;

Постъпковото изпълнение на програмите в PLC и визуализирането на

текущото им състояние.

При реализиране на управлението на натегателна станция се поставят

и различни видове сензори и датчици, с която помощ се следи процеса за

натягането на лентовото платно. Такива датчици могат да констатират

приплъзване на задвижващите барабани, също така моментната стойност

на натягането, страничното изместване на ГТЛ и др.

2. Датчици за следене на натягането на лентовото платно на

натегателната станция.

2.1 Общи сведения.Датчиците за измерване на силата на опън могат да бъдат механични,

електрически, хидравлични и електромеханични. Приложението на

26

електомеханичните датчици за отчитане на натягането е голямо тъй като

електрическия сигнал може да бъде използван в по-сложни системи.

Пример за такива датчици са тензорезистивните и пиезорезистивни

преобразуватели.Те променят специфичното си съпротивление в

зависимост от степента на механична деформация на материала от който

са изработени. Тензорезистивния ефект аналитично се изразява така:

,където - е специфичното съпротивление на материала , - неговото

изменение в резултат на деформацията; – дължина на материала ; -

изменението на дължината в резултат на деформацията; К-коефицент на

пропорционалност.

Тензопреобразувателите се изработват от проводникови и

полупроводникови материали. Проводниковите преобразуватели биват:

метални и електролитни. Металните в зависимост от технологията на

изработване се делят на жични и фолиеви . При проектирането на

тензорезистивен датчик, който може най–добре да превърне механичната

деформация в елетричен сигнал за натегателната станция, ще използваме

жични тензопреобразуватели.

Жичните тензопреобразуватели се изпълняват във вид на решетка от

тънък (0,01 до 0,05mm) съпротивителен проводник поставена между две

изолационни подложки и залепена за тях.

Материалите, от които се изготвят металните тензорезистори трябва

да имат голямо специфично съпротивление, малък коефициент на

изменение на съпротивлението от температурата и високи якостни

характеристики. На тези условия отговарят някои сплави и метали като

константан, нихром, манганин, сребро-манган, платино-волфрам и др.

Коефицентът на тензочуствителност на металните тензо-

преобразуватели се движи в границите на от 1,6 до 4,1.

27

За закрепване на тензопреобразувателите към обекта на измерване се

използват лепила и цименти. Разнообразието от условията на работа е

наложило и голямо разнообразие от лепила .

Съпротивлението на тензорезисторите се измерва по класическите

методи, чрез свързване в мостови и потенциометрични схеми. Трудностите

при измерване произтичат от влиянието на температурата и нелинеиността

на преобразувателната характеристика . За компенсиране влиянието на

температурата на две съседни рамена на моста се включват еднакви

тензорезистори. При работа вследствие нееднаквото изменение на

съпротивленията на тензорезисторите, влиянието на температурата не

може напълно да се компенсира. Един от начините за линеализирането на

нелинейните величини е чрез използване постоянната памет. В този случай

на всяка стойност на сигнала използвана като адрес на паметта съответства

линиаризираната стойност на изходния сигнал. Този начин на

линеализиране е прост и обработката на сигнала става много бързо, но

точността при него е директно свързана с капацитета на паметта.

2.2 Избор на тензодатчик и трансмитер.Необходимият датчик за измерване на натягането на натегателна

станция за текущата разработка на принципа на тензометричният ефект е

успешно разработен от българската фирма ”КОМЕКО” с наименованието

TRW – трансмитер за тегловни клетки(фиг11.).

Трансмитерът за тегловни клетки TRW е сравнително евтино решение

при изграждането на системи за измерване и контрол на тегло и натиск в

индустрията. Този модел приема 1,2 или 3 mV входен сигнал от единична

120÷350 тегловна клетка, генерира изходен токов сигнал от 4 до 20 mA

по трипроводна линия до отдалечени контролни уреди и захранва

тегловната клетка с 10VDC. Поместен в алуминиева кутия със степен на

защита IP 67, TRW трансмитера е особено подходящ за работа в тежки

28

индустриални условия. Тензорезистивният елемент е свързан към

трансмитера, а трасмитера към контролера в букса за токов сигнал

4÷20mA.

Фигура 5. Принципна схема на свързване на тензопреобразувател на фирма „Комеко”

Трансмитерът е отделен модул в системата, който по своята същност

представлява устройство, което приема и предава информация. Както вече

е известно тензорезисторите са много чуствителни към температурни

промени, за това се налага и калибровка на сензора. Това става по

следният начин:

− Трансмитерът се поставя при температура максимално близка до

реалната работна температура;

− Трансмитерът се свързва към тегловната клетка и към захранващ

източник (в конкретния случай 24VDC);

− Изчаква се определено време (15min);

29

− При отсъствие на работна тежест върху клетката /тара/, чрез

тримера ZERO се настройва изходния сигнал сигнал на 4mА. Тази

стойност съответства нулева стойност на натегателната сила;

− С помощта на тримера SPAN се настройва изходния ток на 20 mA

при максимално натоварване;

3. Датчици за измерване на скорост на работния орган -

лентовото платно.

3.1 Общи положения.При изграждането на системата за автоматично регулиране на

натягането на натегателна станция ще бъде използвани фоторастерени

преобразуватели, които в конкретния случай са предназначени за

имерване на скоростта на въртене на задвижващия барабан и скоростта на

въртене на натегателния барабан.

Фотоелектричните растерови преобразуватели (ФРП) са

предназначени за преобразуване на относителни ъглови премествания в

правоъгълни електрически импулси. Наличието на две дефазирани на 90o

ел. импулсни поредици A , B и реперен единичен сигнал C дават

възможност за абсолютно измерване на преместването спрямо реперния

сигнал в условията на реверс. Намират приложение в машините с СNС

управление, робототехниката, автоматизирани дозиращи и контролни

системи, системите за автоматизирано проектиране, както и при

управлението на производствени процеси, радионавигационни системи и

други.

Всеки датчик може да има заложени константен брой на импулсите от

порядъка 100, 200, 250, 256, 360, 500, 512, 1000, 1024, 1250 – стандартни

стойности и по заявка като броят Х трябва да е кратен на 2.

30

Принципът на действие е базиран на генериране на импулси

посредством фото-оптични двойки (оптрони) с въздушна междина. През

въздушната междина се движи кодиращ диск с прозрачни и непрозрачни

зони, които на изходния елемент предизвикват появата на логически

сигнал 0 или 1.

Този принцип на действие е илюстриран на Фигура 12.

Фигура 6. Принципна схема на фоторастерен преобразувател.

Фоторастерните преобразуватели се куплират към вала, на който ще

бъде измервана скоростта. На изхода се плучават сигнали с различна

честота, като се подбира, такава, която е най-подходяща за решение на

поставената задача. Тези датчици позволяват и детекция на посоката на

въртене.

3.2 Избор на фоторастерен ротационен преобразувател.След внимателно проучване на предлаганите на пазара фоторастерни

ротационни преобразуватели и преценка на нуждите за решаване на

31

поставената задача, беше избран енкодер на българския производител

“SM plus”, и по-конкретно модела SM201 (Фигура 13).

Инкременталните енкодери от серията SM201 са предназначени за

преобразуване на кръгови премествания в стандартни изходни поредици

A, B и Z. В настоящата работа ще бъде използвана поредицата A.

Поредицата B е дефазирана спрямо поредицата А на 90°, а импулс Z е

реперен (нулев). Импулс Z може да бъде използван за разпознаване на

посоката на въртене, както беше споменато по-горе.

Фигура 7. Фоторастерен ротационен преобразувател (инкрементален енкодер) SM201

32

3.3 Технически характеристики

Фигура 8. Технически параметри на ФРП SM201.

Фигура 9. Изходни поредици на ФРП SM201

33

Фигура 10. Схема на свързване на SM201

34

ГЛАВА ТРЕТА. ТЕХНИЧЕСКИ СРЕДСТВА ЗА РЕАЛИЗАЦИЯ

НА СИСТЕМА ЗА АВТОМАТИЧНО РЕГУЛУРАНЕ НА

НАТЯГАНЕТО НА ГТЛ.

1. Закон за управление.

1.1 Въведение в алгоритъма на ПИД закона за управление.

ПИД регулаторът е най-често срещаният регулатор в практиката.

ПИД регулаторите са важен компонент от инструментариума на всеки

инженер по автоматично регулиране, той е наджививял много промени

на технологията – от механиката и пневматиката до микропроцесорите

през електронните лампи, транзисторите и интегралните схеми.

1.2 Теоретични основи.Нека да бъде разгледана системата за автоматично регулиране

(Фигура 17), състояща се от обект (Wo(p) нелинеен нестационарен) и

регулатор (Wр(p)). Означенията на сигналите в системата са: у –

изходна величина на обекта, ysp –задание, е – грешка (е = ysp – у), u –

управляващ сигнал.

Фигура 11

Изменението на изходната величина на ПИД регулатора във

времето се описва с уравнението:

(1)

35

или в Лапласовото пространство:

(2)

Уравнението (1) представлява идеалният ПИД закон на

регулиране. Управляващият сигнал u(t) е сума от три съставки: П

(пропорционална на грешката), И (пропорционална на интеграла на

грешката) и Д (пропорционална на производната на грешката).

Параметрите на регулатора са коефициента на усилване K,

времеконстантата на интегриране и времеконстантата на

диференциране . Действието на отделните съставки може да бъде

илюстрирано чрез следващите фигури, които показват преходните

процеси в системата при единично стъпално изменение на заданието.

Обектът при всички симулации има предавателна функция:

(3)

Регулирането с пропорционален регулатор е показано на Фиг.12.

регулаторът се получава от уравнението (1) чрез =∞ и =0.

Фигурата показва, че при пропорционалното регулиране винаги

има статична грешка. С увеличаването на коефициента K грешката

намалява, но пък нарастват колебания в процесите. При обекти от

трети и по-висок ред затворената система може да стане

неустойчива.

36

Фигура 12. Симулация на преходните процеси в затворена система спропорционален регулатор (= ∞, = 0)

Статичната грешка може да бъде премахната чрез използването на

интегрална съставка. От уравнение (1) се вижда, че интегралната съставка

се описва с

(4)

След диференциране на уравнението се получава:

(5)

Ако в системата има установен режим, в който управляващото

въздействие и грешката са константи (u(t) = и e(t) = ), то

(6)

Тогава от уравнение (5) следва, че и e0 = 0. Следователно в система с

регулатор, който съдържа интегрална съставка, няма да има статична

грешка. В това се състои “магията” на интегралния регулатор, едно от

качествата, заради които ПИД регулаторът има такова широко

приложение. Уловката, обаче, тук е, че може и да няма установен режим,

тъй като в системата може да има незатихващи колебания. На Фигура 13

са показани преходните процеси в система с ПИ регулатор и обект с

37

предавателна функция - уравнение (3). ПИ регулатора е реализиран от

уравнение (1), като K= 1, Td = 0.

Фигура 13. Симулация на преходните процеси в затворена система с пропорционално-интегрален регулатор (K= 1, Td = 0).

При големи стойности на Ti способността на интегралната съставка

да нулира статичната грешка намалява, а също така се увеличава

времето за регулиране. С намаляването на Ti амплитудата и честотата на

колебанията в системата се увеличават и от определен момент нататък

отново нараства времето за регулиране.

Диференциалното действие може да бъде интерпретирано и като

предсказване чрез линейна екстраполация за време равно на Td.

Ако се знае стойността на сигнала на грешката в даден момент, по

производната (т.е. скоростта на изменение) на този сигнал може да се

предскаже каква ще бъде стойността му в следващ момент от

времето:

(7)

Това е демонстрирано на Фигура.14. за две стойности на

времемеконстантата на диференциране Td1 < Td2.

38

Фигура 14

Фигурата показва, че при много големи стойности на Td грешката

при предсказване може да бъде значителна и тогава диференциалната

съставка не помага, а даже може и да пречи. Това се потвърждава и от

симулациите с ПИД регулатор на Фигура.21. Коефициентът K и

времеконстантата на интегриране Ti са одбрани така, че затворената

система да бъде колебателна.

Затихването на колебанията се увеличава при нарастване на

времеконстантата на диференциране, но при много големи стойности на

Td намалява отново. От фигурата се вижда че и периодът на колебанията

нараства при увеличаване на времеконстантата на диференциране.

39

Фигура 15. Симулация на преходните процеси в затворена система с пропорционално-интегрално-диференциален регулатор при K=3, Ti =2

От илюстрираните примери се вижда, че управляващият сигнал не

е просто сума от три независими съставки. Поведението на системата

зависи и от отношението между параметрите на регулатора.

1.3 Приложение на ПИД закона в конкретната разработка.

Огромното приложение на ПИД регулирането във всички сфери на

индустрията е предпоставка и за сериозното му развитие. Образно казано,

ПИД регулирането направи страхотна кариера сред технологиите за

управление. Но класическите представи за пропорционално-интегрално-

диференциалното управление претърпяха сериозно развитие през

последните години. Съвременният ПИД не е това, което беше преди

десетилетие. Оптималното използване на съвременния ПИД днес изисква

механизмът и развитието му да се познават в дълбочина.

Използването на много по-сложен алгоритъм за определяне на

неговия изход, го прави изключително прецизен и подходящ за коректното

решение на поставения проблем за оптимално натягане на ОУ, а именно

гуменото лентово платно. ПИД регулаторът следи текущата стойност на

грешката, интеграла на грешката за последния интервал от време и

производната на сигнала за грешка и на тяхната база определя не само

колко голямо коригиращо въздействие да бъде предприето, но и за колко

дълго време. Всяка от изброените три математически величини се

40

умножава с настройваема (теглова) константа. Сумата от математическите

величини определя изхода на регулатора CO(t) (Сontroller Оutput).

Избраният контролер S7-300, има вградени функции за реализиране на

ПИД закон за управление. В математическото уравнение участват

пропорционалната константа за настройка, интегралната константа за

настройка, диференциалната константа за настройка, като грешката се

дефинира като разлика между зададената стойност SP(t) (set point -

задание) и процесната променлива PV(t) във времето t. Съвсем логично,

ако текущата грешка е голяма или постоянна за определено време, както и

ако грешката се изменя бързо, регулаторът ще предизвика голямо

коригиращо въздействие, генерирайки голям изходен сигнал. Обратно, ако

процесната променлива е близка по-стойност до заданието за определено

време, изходният сигнал на регулатора ще остане почти без промяна.

При системата ГТЛ видовете смущения могат да се оценят по следния

начин:

- Външни въздействия, които са с постоянна стойност и постоянни във

времето, като изкривяване на ос на някой от барабаните, затормозяване

на лагерите на задвижващите механизми и др. Грешката предизвикана

от тези въздействия бива намалена и премахната от пропорционалната

систавна;

- Външни въздействия, които се изменят относително бавно във времето

по определен закон, като разтягането на лентовото платно с течение на

времето под влиянието на различни фактори – слунчева топлина,

стареене на материала, изтъняване на каучуковия слой и др. Грешката

предизвикана от тези въздействия бива намалена и премахната от

интегралната съставна;

- Външни въздействия, които се изменят относително бързо във времето

по определен закон, като различното динамично натоварване на

лентовото платно с различно количество материал, чието тегло на

41

единица дължина се изменя бързо във времето. Грешката предизвикана

от тези въздействия бива намалена и премахната от диференциалната

систавна;

Програмируемият контролер Simatic S7-300 разполага с функции за

авторегулиране на коефициентите на ПИД регулатора, което поставя по

степен на надежност управляващият процес с PLC на челно място.

2. Управление на натегателната количка.

Натегателната количка е работния орган от натегателната станция,

който отработва заданието, изчислено от PLC, въз основа на сигналите от

фоторастерните преобразуватели, и датчика за силата на натягане.

2.1. Съществуваща система за управление на натегателната количка – степенно реостатено пускане на асинхронен двигател.

Силата на натегателната количка, която е необходима за

преместването ú се получава от асинхроният двигател с навит ротор. При

директно пускане на двигателят началният пусков ток (ток на късо

съединение е ограничен от вътрешното съпротивление на котвата, което е

много малко. Пусковият ток, който е от 5 до 8 пъти по-голям от

номиналния е опасен както за двигателя, така и за захранващата мрежа.

Ето защо директното пускане на двигателите има ограничено приложение.

Широко разпространение особено при асинхроните двигатели с навит

ротор има реостатното стартиране. То се състои във въвеждане на активно

съпротивление с голяма стойност в котвената верига на двигателя,

ограничаващо пусковия ток и пусковия момент. Изключването на част от

допълнителното съпротивление води до увеличаване на тока, момента и

честотата на въртене на двигателя. Пускането е толкова по-плавно,

колкото повече степени има пусковия реостат (допълнително

42

съпротивление). Стойността на съпротивлението се

избира така, че пусковият момент на двигателя да се движи в

границите от 2 до 2,5 от . Максималната стойност на

се определя от изискването за нормална комутация. Моментът на

превключване , които се изключват степените на реостата , се приема не

по –малък от ( 1,1 до 1,2) от . Стойността му зависи от необходимото

ускорение на електрозадвижването и от броя на пусковите степени.

Съпротивлението на реостата и вътрешното съпротивление на котвата

определят първата пускова (реостатна) характеристика, по която започва

развъртането след включването на двигателя . С увеличаване на ъгловата

скорост двигателния момент намалява. Заедно с това намаляват

динамичният момент и ускорението на електрозадвижването. Чрез

пусковата диаграма се определят броя и стойностите на съпротивленията

на степените на пусковия реостат. За тази цел през точката на идеален

празен ход се прекарва идеалната механична характеристика на двигателя

за съпротивление =0. За произволен момент М=const отсечката,

заключена между естествената и идеалната характеристика е

пропорционална на съпротвлението . Това позволява да се определи

мащаба на съпротивленията .За момента той е , /mm.

Последното изключване на пусковата степен трябва да ства при

определени стойности на ъгловата скорост на момента и през

определен интервал от време . Тези величини са еднозначно свързани

което позволява пускане чрез автоматично контролиране на една от тях.

Това определя три основни принципа за автоматично управление на

пускането на асинхронен двигател с навит ротор .

− Управление във функция от скоростта .

− Управление във функция от тока .

− Управление във функция от времето.

43

Най-надеждно управление на пускане на асинхронен двигател с навит

ротор e управлениеto на пускането във функция на времето. При него

пусковите резисторни степени в роторната намотка се изключват през

определени интервали от време, независещи от натоварването на

двигателя. За това се използват релета за време от различен тип. При

използването на промишлен контролер е удачно тези релета за време да се

заложат в програмата за управление на натегателната станция, като е

задължителна и обратната връзка за отчитане на това дали са се

задействали превключвателите на съпротивленията. При настройка на

релетата за време, трябва да се отчита времето на сработване на

котакторите. За контакторите на променлив ток то е от 0,05 до 0,07 s . В

сравнение с управлението по скорост и управлението по ток, принципът на

управление във функция от времето има следните предимства: за голям

диапазон от управлявани мощности се използват едни и същи релета; не

съществува опастност от прегряване и изгаряне на пусковите резистори

тъй като те се изключват след точно определено време, независещо от

съпротивителния момент.

Натегателната количка е оборудвана с асинхронен двигател с навит

ротор, с петстепенна резисторна матрица за осъществяване на пуска на

мотора:

Мощност: =48kW,

Номинален ток: =70.17A

Фактор на мощността: cosφ = 0,87;

Работно напрежение: =500V

Свремеви характеристики за степените на реостатното пускане Таблица 2.

Степен: Резистор: Стоойност: Време:

44

Степен 1 R1 0,65 2,1s

Степен 2 R2 0,26 1,3s

Степен 3 R3 0,11 0,8s

Степен 4 R4 0,065 0,4s

Степен 5 R5 0,032 0,2s

Таблица 2

В зависимост от технологичният закон заложен като програма в

контолера, то той изпраща сигнали от изходите си към два броя релета,

които задействат съответно асинхроният двигател в оределена посока.

2.2. Честотно управление на електрозадвижването.

В съвремието все повече се налага управление на асинхронните

двигатели чрез промяна на честотата. Това се е наложило, поради

широкото разпространение на асинхронните двигатели в практиката (над

90% от всички задвижвания), ниска цена, лесно обслужване.

Честотното управление на асинхронен двигател се осъществява чрез

промяна на честотата на захранващото напрежение (честотно регулиране).

В същото време, обаче, се налага изменение и на амплитудата на

захранващото напрежение, обусловено от насищането на магнитопровода.

Пренебрегвайки относително малкия пад на напрежение във веригата на

статора може да се напише:

U1 ~ E1 = 4,44.w1.kw1.Ф.f1 = c1.Ф.f1 (1)

където: U1 – захранващо напрежение; Е1 – електродвижещо напрежение на

статорната намотка; w1 – брой на навивките на статорната намотка; kw1 –

коефициент на статорната намотка; Ф – магнитен поток; f1 – честота на

захранващо напрежение; c1 = 4,44.w1.kw1.

45

От формула (1) е видно, че при намаляване на честотата е

необходимо да се намали и стойността на подаваното захранващо

напрежение, за да се изпълни условието Ф = const. Това изискване се

въвежда, тъй като увеличаването на магнитния поток води до насищане на

магнитната верига, значително увеличение на намагнитващия ток и

снижаване коефициента на мощност на машината. Намаляването на

потока, от друга страна, води към недоизползване на двигателя,

намаляване на претоварващата способност и увеличаване на роторния ток

при постоянна стойност на момента на вала.

Такова управление на двигателя, при което се запазва

съотношението U/f = const, се нарича пропорционално управление. То е

реализирано и се прилага, когато оборотите и товарният момент, приложен

на вала на двигателя, се изменят в по-тесни граници. Пропорционалното

управление не може да задоволи високите изисквания, предявявани към

тяговите електрозадвижвания. При тях товарният момент се изменя

чувствително, а оборотите трябва да се регулират плавно от нула до

максимално допустимата стойност. С промяната на товарния момент,

обаче, падът на напрежение във веригата на статора също се променя в

широки граници и не може да бъде пренебрегван. Ето защо се налага да се

променя стойността на захранващото напрежение в зависимост от

изменението на товарния момент. В този случай се прилага основният

закон за честотно управление, установен от М. П. Костенко през 1925 г.

[1]:

или , (2)

където: е относителната стойност на захранващото напрежение;

е относителната честота на захранващото напрежение;

46

е относителният момент.

Зависимостта (2) обезпечава оптимални условия на работа на

асинхронния двигател. Ако при честота f1 и момент М1 се изменя

напрежението U1 по такъв начин, че да е изпълнено винаги съотношението

(2), то двигателят ще работи при практически неизменни коефициент на

устойчивост и cosφ, постоянно абсолютно хлъзгане и КПД, зависещ само

от изменението на честотата и независещ от изменението на момента на

вала, ако насищането на магнитната система на двигателя не е много

голямо. Коефициент на устойчивост λ е отношението на критичния към

номиналния момент при различни честоти на тока:

(3)

При честотно управление относителното хлъзгане s не може да

определи еднозначно характеристиките на асинхронния двигател, понеже

f1=var., а s = f2/f1 и зависи от честотата на захранващото напрежение. Затова

при честотното управление се работи с абсолютното хлъзгане и то се

дефинира и играе същата роля, както относителното хлъзгане при

постоянна честота:

(4)

Тук ω и ω* са абсолютната и относителна честота на въртене на

двигателя, β е параметър на абсолютното хлъзгане.

Реализацията на основния закон на честотно управление изисква

като правило наличието на два независими канала за управление – по

амплитуда и по честота на захранващото напрежение. Към механичните

характеристики се предявяват следните основни изисквания:

1) обезпечаване на зададения коефициент на устойчивост λ в целия

диапазон на изменение на честотата и товара;

47

2) обезпечаване на изискваната твърдост на механичните

характеристики.

Могат да бъдат въведени и допълнителни изисквания, като например

реализиране на оптимално управление в статичен режим - обезпечаване на

необходимия момент и честота на въртене при минимален ток на статора,

активна (пълна) мощност или при максимален КПД, коефициент на

мощност и т.н.

Съвкупността от основните изисквания може да се изпълни само в

затворени системи за автоматично честотно управление (фиг. 16).

U мрРЧ

U у СУ

РНХ

ПЧ

fмр

K

MKИБ

АД

M

Фигура 16. Система за честотно управление с обратна връзка по момент

Системата за управление СУ осъществява реализацията на основния

закон (2)- по двата независими канала за управление на

преобразувателя на честота ПЧ – по амплитуда (чрез регулатора на

напрежение РН) и по честота (чрез регулатора на честота РЧ). Въведени са

обратни връзки по стойност на захранващото напрежение и по момент,

които постъпват в изчислителния блок ИБ. Чрез сумирането им и

последващото им преобразуване и подаване на входа на РН, системата за

честотно управление се затваря и се съществява корекция по момент на

вала на двигателя.

Сложността на тази схема следва от необходимостта от

непосредствено измерване на момента на товара. Необходимо е за тази цел

48

да се закрепят на вала на двигателя сензори (датчици) на момент

(например тензодатчици).

За реализиране на управлението на споменатата по-горе система с

програмируем логически контролер, може вместо управление на

пусковите резистори на роторната намотка на асинхронния двигател да се

използва честотно задвижване с изришната препоръка да бъде подменен и

управлявания двигател с подходящ за целта. За плавно регулиране на

пуска, стопа и инверса на двигателя се използват аналогови изходи, които

се свързват с аналоговите входове на честотното задвижване и по този

начин се управлява точно и прецизно отработеното натягане. Във връзка с

вече представените фоторастерни преобразуватели, тук е мястото да се

спомене, че обратната връзка на честотното задвижване може да бъде

осъществена с такъв импулсен енкодер за точно позициониране на вала на

двигателя.

Друг фактор, който указва влияние на плавното регулиране на

двигателя е избора на редуктор, като традиционният зъбен редуктор се

замени с винтов. По този начин хидавлични спирачки не са неонходими,

тъй като този вид редуктори предават момента само в посока от двигателя

към натегателната количка.

3. Обработка на датчиците.

Както беше споменато по-горе за следене на параметрите на обекта на

управление (ОУ) – се използват два вида датчици. Фоторастерен

преобразувател и тензодатчик за силата на натягане на лентовото платно.

Информацията от двата ФРП влиза в контролера в предаварително

избрани модули с бързи входове, като се определя като константа

разликата (пропорционален коефициент) между скоростите на въртене на

задвижващия и натегателния барабан, за да може в последвтие да се

работи в относителни единици. Залага се и граници в които трябва да бъде

49

регистрирана разликата в скоростите на двата барабана. Тази разлика

физически е еквивалентна на приплъзване на лентовото платно към

задвижващия барабан. Ако разликата в скоростите надвишава 0,2%, то

автоматизираната система се задейства и по обратна връзка от

тензодатчика отработва преместване на натегателната количка..

Входната величина за контролера, за отчитане на фоторастерни

датчици е честота, като при инсталиране на системата се осъществява

задължителна калибрация, за правилно съотнасяне на двете скорости на

въртене на валовете

Входната величина за контролера, за отчитане на силата на натягане

на натегателната количка – тензодатчика е аналогова величина а именно

токов интерфейс 4..20mA, които се отчитат от аналогов вход на

контролера.

4. Описание на програмата.

Програмата, реализираща закона за управление на натегателната

станция се пише на езика FBD (Function Block Diagram) за PLC Siemens S7

300, поради интуитивното и гъвкаво използване на функционалните

блокове. Тази програма изпълнява по-горе описаните сравнения и

математически пресмятания, като обработва входните величини от

различните датчици, пресмята коефициентите на ПИД регулатора и

отработва линейно преместване на количката като задвижва електрическия

двигател.

По-долу е показана структурна блок-схема на програмата за

реализация на управляващия алгоритъм.

50

51

НАЧАЛО

Въвеждане на дължината на ГТЛ

Изчислява на оптималната силата на натягане

Подържане на оптимална сила на натягане

Прочитане на скоростта на натегателният барабан Д3

Прочитане на скоростта на задвижващия барабан Д2

Сравнение на двете скорости

Д2 > Д3

да

не

Измерване на стойността на натегателната сила

Математическа имплементация на ПИД регулатор

Приместване на натегателната количка

Натегателната сила в

границите ли е?

да

не

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Разглежданата система за управление на натегателна станция с

промишлен контролер, сравнявана със съществуващите системи с

автоматично управление има съществени предимства:

- голямо бързодействие;

- значителна точност при регулиране на натягането;

- по-висока надежност;

- по-малки размери;

- по-лесно обслужване, дължащо се на липса на движещи се части;

- по-ниска цена.

Хардуерните системи за управление не притежават голяма част от

допълнителните възможности на съвременните PLC, като:

- реализация на закони за регулиране;

- възможност за визоализиране на процеса;

- свързване на PLC в локална мрежа за централизирано управление.

Системата за управление на натегателна станция е разработена до

структурна блок-схема на програмата за реализация на управляващият

алгоритъм, която има възможност от по-нататъшно усъвършенстване.

52

ИЗПОЛЗВАНА ЛИТЕРАТУРА

[1] Гегов, Е., Теория на автоматичното управление, София, 2008г.[2] Джиев, Ст. Индустриални мрежи за комуникация и управление.

София, 2002[3] Димов, Д., M. Христова, Електрозадвижване, Печатна база при

Русенски университет „Ангел Кънчев, 2009г.

[4] Дончев Г. Б. и др., Справочник по експлоатация и ремонт на електрически двигатели, София, 1981.

[5] Илиев, Здр.,Ръководство за упражнениея по Системи за управление на електрозадвижванията, София 2001г.

[6] Лалов, Ив., Управление на мощен конвейр, използван в откритите рудници, София, 1996г.

[7] Радулов, Г. , Методи и средства за измерване и контрол, София, 1995г.

[8] Христов, Л., Робев, Б., Стоянов, С., Справочник на енергетика, София, 1981 г.

[9] Цеков.Цв. Управление на добивно-транспортни мащини и системи, София, 1990г.

[10] Цеков, Цв., Саравски, Н., Електро-задвижване ,ТАР и управление, София, 1978г.

53