Algoritam za upravljanje sistemom elektromotornih pogona premotača

sa smanjenim brojem davača na bazi estimacije procesnih veličina

Odabrana poglavlja

iz elektromotornih pogna

Sadržaj

• Prikaz postrojenja premotača

• Prikaz algoritma upravljanja premotačem

• Mogućnosti za rad sa smanjenim brojem davača

• Prikaz rezultata snimljenih na realnom postrojenju

• Zaključak

• Diskusija

2 od 38

Tehnološki proces proizvodnje papira ili kartona

3 od 38

Kontinualno

kuvanje

Evaporatori Mlin za krec

Tretman

otpadnih

voda

Para za kogeneracijuIzbeljivanje

Precišcavanje

RefajnersBoiler

Proizvodnja

pare i

el. energije

Papir mašina

Premotac

Usitnjeno

drvoSkidanje kore

Skladište drveta

ili celuloze

Drvo

Premotač

Osnovni delovi premotača

• Odmotač

– Ima ulogu da zateže papir za pravilno sečenje

• Sekcija uzdužnog sečenja

– Formiraju se rolne potrebne širine i odsecaju se krajevi rolne

• Namotač

– Formiraju se rolne potrebnog prečnika i čvrstoće

– Slojevi moraju biti pravilno složeni

4 od 38

Tipovi premotača

• Odmotač, najčešće centralnog tipa

– sa mehaničkom kočnicom (pneumatskom, hidrauličkom … )

– sa električnim kočenjem

• Sekcija noževa

– Horizontalno ili vertikalno postavljena

• Namotač može biti centralnog ili tangentnog tipa

– Sa dva bubnja: sa dva čelična bubnja, sa vazdušnom potporom, potpora sa trakom, sa obloženim bubnjem…

– Sa jednim bubnjem, rolne na dve strane…

5 od 38

Tipovi premotača

6 od 38

Premotač sa dva čelična bubnja Namotač sa jednim bubnjem - Dve rolne

Namotač sa

vazdušnom potporom Namotač sa potporom sa trakom

Metso paper Voith

Voith Voith

Prednji

bubanj

Pritisni valjak

sa merenjem

pozicije

Odmotač

Namotana

rolna

Zadnji

bubanj

Rolna odmotača

Noževi

Merenje sile

zatezanja

Izbacivanje

namotanih

rolni

Namotač 2 Namotač 1

Mehanizam

za prihvatanje

namotanih

rolni

Struktura razmatranog premotača

Voith

7 od 38

Opšti tehnički podaci

Parametar Jedinice Vrednost Širina [mm] 3200 Maks radna brzina [m/min] 1200 Maks. prečnik nam. rolne [mm] 1800 Maks. prečnik rolne odm. [mm] 2800 Gramatura, min–max [g/m2] 230 – 500 Debljina kartona, min–max [m] 280 – 576 Maks. sila zatezanja N 15000 Snaga motora namotača [kW] 200 Snaga motora odmotača [kW] 315

8 od 38

Jednopolna šema glavnih pogona

M

Odmotač

M

Namotač 1

M

Namotač 2

Napajanje

Zajedničko jednosmerno međukolo

~=

~=

~=

~=

~=

Ispravljač Rekuperator

Invertor Invertor Invertor

E E E

9 od 38

M

Odmotač

M

Namotač 1

M

Namotač 2

Napajanje

Zajedničko jednosmerno međukolo

~=

~=

~=

~=

~=

Ispravljač Rekuperator

Invertor Invertor Invertor

E E E

Tokovi snage u normalnom radu

10 od 38

Snaga uzeta

iz mreže

Snaga pogona

odmotača

Snaga pogona

namotača 1 i 2

(prednjeg i

zadnjeg bubnja)

+ = +

Deo opreme regulisanih pogona

Frekventni pretvarači Rastavljači sa osiguračima

11 od 38

Oprema

Pult upravljanja Motori, enkoderi, reduktori, meh. kočnice

Davač sile zatezanja (presduktor)

Grafički upravljački panel

12 od 38

Upravljačka struktura

13 od 38

PLC

FP

odm.

FP

nam.

FP

nam.

E

Operatorski

panel Merenje

sile Pozicioni

enkoder

Dig. I/O

I/O

PROFIBUS

Bezbednosni

stop

Ethernet

SWSCADA

sa

arhivomVPN pristup

Namotač – blok dijagram

14 od 38

Tv

rdo

ća

nam

ota

van

ja

Dn [cm]

[%]

v* w*n2

w*n1

DM*

Mn2

Ref. brzina

Brzinski

regulator

(PI)

Algoritam

uprav.

motorom

+

wn1

+

Pogoni namotača

–

–

E

wn2

Fz

M2

FP n1

Mn1

M1

wo wn2

Reference u

panelu

Upravljački

sistem u PLC-u

Generator

referentne brzine

za motore

namotača

M1 i M2

wn2

wn1

E

E

S

Brzinski

regulator

(PI)

Algoritam

uprav.

motorom

S

FP n2

Dn

Prečnik namotane rolne

hpv

wn2

Izračunavanje

Estimacija

Estimator prečnika UKLJ

Pritisni

valjak sa

merenjem

poz.

Odmotač – blok dijagram

15 od 38

MHlim.

wo

Sm

anje

nje

za

teza

nja

[%

]

Dn [cm]

MLlim.

Jo(Do)

F*z Regulator

zatezanja (PI)

+

wo

Pogon odmotača

–

Merenje sile

zatezanjaM

Mer. ćel.

Generator

ref.

brzine

odmotača

Fz

Referentna sila zatezanja

Fz kor.

S´

Prekid

trake

+

–

FP uBrzinski

regulator

(PI)

Algoritam

uprav.

motorom S

E

w*o

Fz

MLlim.

Fotoćelija

Estimator sile

zatezanja

Fz^

Estimator sile zat. UKLJ.

Meo

wo

wn2

Reference u

panelu

Upravljački

sistem u PLC-u

Opšti model premotača

16 od 38

Odmotač Namotana

rolna

Namotač

zadnji bubanjNamotač

prednji bubanj

Jo (Do)

Fz

Fz

Jn (Dn)

Mn1,

wn1

Mn2,

wn2

vtrake

Mo, wo

Mmo

DnDo

Mz

Σ 2

1( )o o mo go j o o

o

J D J J J J Di

1 1 1 12

1

1n m g b

n

J J J Ji

2

22 2 2 22 2

2 2

1 1( )bn

n n m g b n nnn n

DJ D J J J J D

Di i

Njutnove (mehaničke) jednačine

17 od 38

11 1 1 1

12b

n n n m inn

DdJ M M F

dt iw

22 2 2 2

2

( )2

bn n n n m z in

n

DdJ D M M F F

dt iw

Σ

( )( )

2oz

o o o o moo

D td FJ D M M

dt iw

Odmotač

Namotač sa dva bubnja

Moment opterećenja odmotača

18 od 38

Mm = 0,0582∙no

0

20

40

60

80

100

120

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Mo

men

at

tren

ja [

Nm

]

Brzina motora odmotača [o/min]

Smanjenje broja davača

• U regulisanom pogonu postoji merenje struja, napona i brzine, na osnovu toga pogon (frekventni pretvarač) izračunava moment motora.

• Ukoliko poznajemo prenosne odnose reduktora i prečnike valjaka, možemo da izračunamo silu zatezanja trake (kartona).

• Integracijom merene brzine motora namotača možemo da izračunamo dužinu premotane trake.

• Iz tog podatka možemo da izračunamo prečnik namotane rolne.

19 od 38

Estimacija sile zatezanja

Iz Njutnove jednačine odmotača

20 od 38

Σ ( )o o o o mo z

dJ D M M M

dtw

( )

2

ozz

o

D tFM

i

Σ Σz o o o o o o o mo

d dM J D J D M M

dt dtw w

Promena momenta

inercije odmotača

Moment

opterećenja

pogona

odmotača

Diferenciranje

brzine

Moment

motora iz

pretvarača

preko

PROFIBUS-a

Estimacija prečnika odmotača

Diferenciranje brzine primenom “praktičnog diferencijatora”

21 od 38

2ˆ o no bn

n o

iD

iD

w

w

Promena momenta inercije odmotača

1 111 1 s

o o ofilt filt

Td dz z

dt T T dtw w w

2Σ 2

ˆ 1 1 ˆ4

o tr tr o o

o

o

dJ W d D v

dt iD

Estimacija momenta opterećenja

Sada su svi članovi izraza poznati, možemo da izračunamo moment od sile zatezanja

22 od 38

0ˆ

m m tr oMM k w

Σˆ ˆ ( )ˆ

z m o o o o

dM M J

dtM D w

2 ˆˆˆ

oz z

o

MFD

i

Silu zatezanja u traci dobijamo deljenjem sa prečnikom rolne odmotača

Estimator sile zatezanja

23 od 38

ˆmM

on

ˆoD

Σˆ

oo

dJ

dtD

Σˆ

ooJ D

ˆzM

Σˆ( )o o oD

dJ

dtw

ˆmM

oM

ˆzF

ˆoD

2nn

Rezultati merenja: Povratna veza po estimiranoj sili zatezanja

24 od 38

0 100 200 300 400 500 600

0

2000

4000

Sile

za

teza

nja

[N]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 6000

500

1000

1500

Brz

ine

[o

/min

]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 600-200

0

200

400

600

800

Mo

me

nti [N

m]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 600

-100

0

100

200

300

,(

)/

[Nm

]m

oo

oM

dJ

dt

wS

Vreme [s]

ˆzF

zF

2nn

on

ˆzM

oM

( ) /o od J dtwS

moM

Estimator bez povratne sprege

25 od 38

Greška estimacije je definisana kao

ˆ( ) ( ) ( )x t x t x t

Dinamički sistem

A, B C( )x t( )u t ( )y t

A, Bˆ( )x t

Opserver Estimator sa povratnom spregom

26 od 38

Opserver

Dinamički sistem

A, B C( )x t( )u t ( )y t

A, B, Lˆ( )x t

Cˆ( )y t

David G.

Luenberger

27 od 38

ΣΣ 1 1 2 2ˆ

ˆˆo o

o o tr o o

d dJJ M k K e K e

dt dtw

ww

1 ˆo oe w w

ow

ˆow

2 1

de e

dt

oM Σ

( )( )

2

ozo o o o mo

o

D tFdJ D M M

dt iw

1 1 2 2

2ˆˆ

oz

o

FD

iK e K e

ˆzF

Dinamički sistem

Opserver

Rezultati merenja: Povratna veza po opserviranoj sili zatezanja

28 od 38

0 100 200 300 400 500 600

0

1000

2000

3000

4000

5000

Sile

za

teza

nja

[N]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 6000

500

1000

1500

Brz

ine

[o

/min

]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 600-200

0

200

400

600

800

Mo

me

nti [N

m]

Vreme [s]

0 100 200 300 400 500 600

-100

0

100

200

300

Vreme [s]

ˆzF

zF

2nn

on

ˆzM

oM

( ) /o od J dtwS

moM

,(

)/

[Nm

]m

oo

oM

dJ

dt

wS

Rezultati merenja: Povratna veza po opserviranoj sili zatezanja

29 od 38

Komentar rezultata merenja

• Postoji izražen šum u estimiranom i u opserviranom signalu sile zatezanja.

• Šum potiče od nesavršenosti mehaničkog sistema - davača brzine (enkodera na pogonima). Pravilna montaža enkodera umanjuje šum.

• Rad bez enkodera nije moguć.

• Visoka učestanost šuma ne dovodi do problema u regulaciji sile zatezanja.

30 od 38

Poređenje algoritama estimacije sile zatezanja

31 od 38

0 100 200 300 400 500 600-5

0

5

Vreme [s]

Gre

ska

estim

ato

ra [%

]

maxˆ( ) /z z zF F F

0 100 200 300 400 500 600

-5

0

5

Vreme [s]

Gre

ska

op

se

rve

ra [%

]

maxˆ( ) /z z zF F F

Estimator

Opserver

Visina pritisnog valjka

32 od 38

Dbn

Lbn

hpv

hpv = 0

Dn(hpv)

Pritisni

valjak

Bubnjevi namotača

Namotana

rolna

hpv Dn(hpv)

hpv min

hpv max

Dn0

2 22

4 4

2

bn bnpv

n pvbn

pv

L Dh

D hD

h

Estimacija prečnika namotane rolne

33 od 38

24ˆ ( ) ( ) ( 0)n tr n nD t d L t D t

2 2( ) ( 0)

( )2 2 n n

tr n

D t D td L t

202

1( ) ( 0)

60

tbn

n n nn

DL t L t n dt

i

Dužina trake u rolni:

Jednakost površina:

Estimirani prečnik:

Rezultati estimacije prečnika

34 od 38

Zaključak

• Pravilnim održavanjem, životni vek premotača se može značajno produžiti.

• Periodične rekonstrukcije su neophodne da bi se elektro oprema usaglasila sa trenutnim tehničkim mogućnostima.

• Performanse postrojenja se mogu značajno popraviti uvođenjem savremene opreme.

• Dijagnostika kvarova je lakša, čime se skraćuju zastoji u radu.

• Mogu se ostvariti značajne uštede energije primenom električnog kočenja sa rekuperacijom.

35 od 38

Zaključak

• Primenom algoritama estimacije mogu se zameniti signali sa osetljivih ili skupih davača, bez degradacije performansi ili smanjenja tačnosti.

• Pouzdanost postrojenja se tako povećava.

36 od 38

Predlog daljeg rada

• Implementacija upravljanja sa smanjenim brojem davača na drugim postrojenjima kod nas, a nadam se i u svetu.

• Određivanje mehaničkih gubitaka na bazi merenja električne snage uzete iz mreže.

37 od 38

Hvala na pažnji.

38 od 38