автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов

005004507

Михайлов Игорь Николаевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТЬЮ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

-1 ДЕК 2011

Москва 2011

005004507

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Султан-заде Назим Музаффарович

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу 127994, Москва, Вадковский пер., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «19»ноября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор Пушенко Сергей Леонардович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный

университет»

к.т.н., доц.

Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В соответствии с указом Президента №899 от 07 июля 2011 года «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» энергосбережение является одним из приоритетных направлений развития науки, технологии и техники. На долю промышленности в Российской Федерации приходится порядка 45% от всего энергопотребления в стране. Из них второе место по значениям потребляемой электроэнергии после топливной отрасли занимает машиностроение и металлообработка.

Важнейшей составляющей энергосбережения является энергоемкость машиностроительных технологических процессов обработки резанием. В настоящее время энергоемкость технологических процессов в России существенно превышает энергоемкость аналогичных процессов в промышленно развитых странах. Это особенно важно и по той причине, что высокая энергоемкость технологических процессов приводит к энергопотреблению при их реализации, достигающему до 70% от общего потребления энергии машиностроительным предприятием.

Одним из методов снижения энергоемкости при реализации машиностроительных технологических процессов является метод компенсации реактивной составляющей потребляемой при их реализации мощности. Этот метод целесообразно реализовывать средствами автоматизации, что позволяет не только учитывать реальные параметры технологического процесса и оборудования, но и повысить эффективность компенсации и, как следствие этого, снизить энергоемкость технологических процессов и повысить конкурентоспособность изготавливаемой продукции.

В этой связи работа, направленная на повышение энергоэффективности машиностроительных технологических процессов, посредством снижения их энергоемкости методами автоматизации является актуальной.

Целью работы является снижение энергоемкости машиностроительных технологических процессов посредством автоматизированной системы компенсационной минимизации потребления энергии при их реализации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить взаимосвязи между параметрами машиностроительных технологических процессов обработки резанием, номинальной мощностью электрооборудования станка и потребляемой при реализации этих процессов электрической энергией.

2. Разработать на основе установленных взаимосвязей алгоритмы для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

3. Исследовать возможность реализации разработанных алгоритмов для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов при разных параметрах технологических переходов и разных видах обработки.

4. На основе алгоритмов разработать методику реализации автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теоретических основ электротехники, теории эксперимента. При обработке результатов экспериментальных исследований применялись современные информационные технологии.

Научная новизна работы заключается в:

• установлении количественной и качественной взаимосвязи между параметрами машиностроительных технологических процессов, номинальной мощностью электрооборудования станка и

потребляемой при реализации этих процессов электрической энергией;

• моделях автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов при разных параметрах технологических переходов и разных видах обработки, адаптированных к конкретным параметрам технологического процесса и характеристикам оборудования;

• алгоритмах автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов посредством автоматической компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности;

• методике создания автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов без изменения других показателей качества эти процессов.

Практическая значимость работы заключается в методике адаптации автоматизированных систем управления энергоемкостью к реальным машиностроительным технологическим процессам и оборудованию; создании автоматизированной системы управления энергоемкостью

машиностроительных технологических процессов посредством компенсационной минимизации потребляемой энергии при их реализации.

Реализация работы

Результаты работы были использованы при выполнении шести научно-исследовательских работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплин «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств» и «Автоматизация обеспечения безопасности машиностроительных производств».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях «Производство. Технология. Экология -ПРОТЭК», ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2008,2009 г.

2. Научно-методической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2009 г.

3. Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2010,2011 г.

4. Международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах», Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Великий Новгород, 2011 г.

5. Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2011 г.

6. Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, Роспатент принял решение о выдаче патента на полезную модель

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы: (74 наименования), изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет и объекты исследований, дана общая характеристика диссертационной работы

6

В первой главе приведены результаты анализа существующих методов и средств снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов, проанализированы возможности их автоматизации и обоснована задача исследований.

Проанализированы работы ученых: В.А. Веникова, О.В. Веселова, A.C. Верещаки, А.И. Вольдека, С.Н. Григорьева, И.В Жежеленко, М.Г. Косова, В.И, Кочкина, В.Г. Митрофанова, О.П. Михайлова, О.П. Нечаева, Ю.М. Соломенцева, В.К. Старкова, И.В. Харизоменова, Ю.И. Хохлова, С.А. Цирука, Л.Э. Шварцбурга и др., занимающихся вопросами автоматизации технологических процессов, повышения уровня технологического оборудования, качества технологических процессов, а также автоматизированным снижением потребления энергии.

Важнейшим направлением автоматизации технологических процессов является автоматизация управления энергопотреблением при реализации этих процессов. Низкая энергоэффективность технологических процессов обусловлена рядом их характерных особенностей.

К основной особенности относится то, что значительное место занимают технологические операции, на реализацию которых требуется мощность, существенно меньшая номинальной мощности электродвигателей, например, такие как снятие фасок, чистовая обработка и др. Также следует отметить наличие холостых ходов, обусловленных подводом или заменой инструмента, разворотом заготовки и т.д. Все это приводит к тому, что значения мощности резания, необходимой для реализации технологического процесса значительно ниже номинальной мощности электрического двигателя станочного оборудования, следствием чего является значительное увеличение энергоемкости этих процессов.

С учетом требований к жесткости механической характеристике электродвигателей станочного оборудования следует отметить несколько основных методов снижения энергоемкости технологических процессов. К ним относятся методы, которые условно можно назвать технологическими -

7

разработка технологического процесса с мощностями резания, соответствующими мощности электродвигателя (подбор соответствующего мощностям резания оборудования для реализации технологического процесса, совмещение технологических переходов и др.) и параметрическими - при которых известными способами компенсируется реактивная составляющая потребляемой мощности, возникающая за счет недогрузки двигателя (компенсационный метод).

Именно второй метод позволяет снизить энергоемкость машиностроительных технологических процессов без непосредственного вмешательства в технологический процесс.

Однако из-за многообразия технологических процессов и технологических переходов их реализация осуществляется с разными мощностями резания. По этому для эффективной компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, связанной с тем, что мощность технологических переходов существенно меньше номинальной мощности электродвигателя, необходимо применять средства автоматизации.

В работе проанализированы существующие средства автоматизации для компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, отмечено их достоинство и недостатки и показано, что они не охватывают в полной мере все многообразие режимов работы станочного оборудования.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с теоретическим обоснованием построения автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов, разработан алгоритм построения автоматизированной системы, обеспечивающий минимизацию энергоемкости.

Причиной необходимости минимизации энергоемкости машиностроительных технологических процессов является характерная для металлорежущих станков недогрузка электродвигателей - мощность, необходимая для реализации машиностроительного технологического процесса

и определяемая силами резания, в большинстве случаев существенно меньше номинальной мощности станка.

На рис. 1, в качестве примера приведена типовая нагрузочная характеристика при реализации технологического процесса токарной обработки многоступенчатого вала на универсальном токарно-винторезном станке 16К20.

Аналогичные нагрузочные характеристики были получены и для других изделий с различными технологическими переходами.

Нагрузочные характеристики были рассчитаны посредством программы «Режимы резания», разработанной в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». С целью приведения мощностей резания к валу электродвигателя станка алгоритм программы был дополнен блоком «КПД станка».

Анализ нагрузочных характеристик показал, что в реальных условиях мощность на валу электродвигателя при реализации технологических процессов обработки резанием в 3 - 5 раз меньше номинальной мощности двигателя комплектного электропривода станка.

Недогрузка электродвигателя приводит к существенному снижению коэффициента мощности электротехнического оборудования станка. В таблице 1 в качестве примера приведены справочные данные по значение коэффициента мощности электродвигателя станка 16К20 при изменении нагрузки относительно ее номинального значения Р„.

Таблица 1.

Значение коэффициентов мощности при изменении нагрузки_

Мощность на валу электродвигателя 0,25 Рн 0,50Р„ 0,75РН Рн 1,25РН

Коэффициент мощности электродвигателя 0,55 1,75 0,84 0,87 0,88

Как следует из таблицы 1 снижение коэффициента мощности при недогрузке электродвигателя достигает более 1,5 кратных значений и является причиной существенного увеличения в относительных единицах реактивной составляющей потребляемой мощности при реализации технологических процессов.

Р, кВт^ 10'

7' 6' 5' 4 1 3' 2"

—

80 I, сек

Рис. 1. Нагрузочная характеристика обработки ступенчатого вала на токарном станке В этом случае недогрузка электродвигателей приводит к увеличению энергоемкости технологических процессов. Действительно, недогрузка электродвигателей приводит, с одной стороны, к уменьшению значений потребляемой мощности, но, с другой стороны, к увеличению ее реактивной составляющей, т.е. реализация технологического процесса осуществляется с мощностями, существенно большими, чем необходимо для их реализации. Причем, это увеличение определяется значением коэффициента мощности.

Р

5 =

СОБ(р '

где 5 - мощность, потребляемя при реализации технологического процесса;

Р - мощность необходимая для реализации технологического

процесса;

СоБср - коэффициент мощности.

Это увеличение обратно пропорционально коэффициенту мощности и

доходит, также до 1,5 кратных значений.

Кроме того, что не менее важно, при низких коэффициентах мощности

реализация технологического процесса происходит при токах, существенно

превышающих токи, определяющие моменты на валу двигателя, необходимые

10

для реализации технологического процесса, что снижает экономические показатели этого процесса и его показатели безопасности.

Анализ электрических параметров электродвигателя, в первую очередь значений потребляемой мощности при реализации машиностроительных технологических процессов, потребляемых при этом токов и коэффициентов мощности проведен на Г-образной схеме замещения для одной фазы электродвигателя (рис. 3), учитывающей электромагнитные процессы, происходящие в двигателе (хо,хьХ2'), тепловые процессы в сердечнике и его обмотках (го,гьг2') и нагрузку на его валу (в).

х, + х'

Рис. 3. Г-образная схема замещения асинхронного электродвигателя

где К'=Г2'*(1-5)/з, в—(по- п)/ п0 - скольжение, По= 60*Ср - синхронная скорость, частота питающего напряжения, р - число пар полюсов, п - скорость вращения двигателя, и - фазное напряжение, I - фазный ток. После преобразования были получены значения эквивалентных

активного (Яэ) и реактивного (Хэ) сопротивлений этой схемы.

г0[(г! + г2 + Д')2 + + х2')2] + (л + г2' + Д')(г02 + х02)

Д, =

(гг + г2' + Д')2 + (*1 + х2'У + г02 + х20 + 2 Г0(Г! + г2' + Д') + 4*0*!'

X, =

_ХрКп + г2' + Д') + Од + х2'У] + 2х0 (г0 + х02)_

(Л + г2' + Д')2 + (*! + х2'У + г2 + х02 + 2го(г: + гг' + Д') + 4х0ха'

Эти значения позволили проанализировать электрические параметры электродвигателя, при допущении, что рабочий участок механической характеристики принимался прямолинейным.

Анализ проводился посредством программы МаШсас! и показал, что при снижении нагрузки относительно номинальной в 2 раза при общем уменьшении потребляемого для реализации технологического процесса тока с 20,20А до 12,17А его превышение относительно требуемого значения составило 23% (превышение при номинальной нагрузке составило 13%). При этом энергоемкость технологического процесса увеличилась на 29%. Таким образом, при общем уменьшении токов, потребляемых для реализации технологических процессов, относительно номинальных значений энергоемкость технологических процессов увеличивается, т.к. увеличивается относительная величина реактивной составляющей этих токов.

В работе предложен метод управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов посредством автоматической компенсации реактивной составляющей потребляемого при реализации этих технологических процессов тока.

Алгоритм реализации этого метода в автоматическом режиме представлен на рис.4.

Реализация алгоритма осуществляется следующим образом. Задается диапазон регулирования коэффициента мощности, который определяет число ступеней дискретного регулирования. Число этих ступеней определяется характеристиками электродвигателя, параметрами реализуемых технологических процессов, а также номенклатурой компенсаторных устройств. После проверки наличия питания в сети происходит измерение текущих значений напряжения и потребляемого тока с последующим определением коэффициента мощности. В случае, если фактический коэффициент мощности меньше требуемого, происходит последовательное подключение компенсирующих устройств вплоть до достижения желаемых значений. Дополнительно происходит сравнение величины коэффициента мощности с максимальным заданным, и, в случае его превышения, происходит отключение устройств компенсации. Это позволяет избежать эффекта перекомпенсации, который обусловлен изменением знака фазового угла.

12

г

Рис, 4. Алгоритм автоматического управления энергоемкость машиностроительных технологических процессов

В третьей главе представлены результаты экспериментальных

исследований реальной энергоемкости технологических процессов обработки

резанием, их анализ с точки зрения снижения энергоемкости и возможности

автоматической минимизации энергоемкости компенсационным методом.

В работе приводится методика экспериментальных исследований

энергоемкости машиностроительных технологических процессов на примере

обработки резанием. В качестве параметров, определяющих энергоемкость этих

13

процессов выбраны потребляемая мощность и ее активная и реактивная составляющие, потребляемый ток и его активная и реактивная составляющие и коэффициент мощности. Исследования проводились при реализации различных технологических процессов обработки резанием с различными параметрами технологических переходов.

Схема экспериментальной установки и ее общий вид представлены на рис. 5.

Рис. 5. Схема экспериментальной установки

Трехфазный активно/реактивный счетчик электрической энергии позволяет определить электрические параметры электродвигателя (полную потребляемую мощность S, ее активную Р и реактивную Q составляющие, потребляемый ток I и коэффициент мощности coscp) в реальном масштабе времени. Счетчик подключается к электрической цепи через трехфазный трансформатор тока и передает информацию по цифровым интерфейсным каналам.

Преобразователь интерфейсов предназначен для преобразования информации с интерфейса CAN/RS-232/RS485, используемого счетчиком, в интерфейс USB для передачи ее в персональный компьютер.

На персональном компьютере установлена автоматизированная информационно-измерительная система (АИИС), осуществляющая

14

автоматизированный сбор, хранение, обработку и анализ информации об электрических параметрах электродвигателя при реализации машиностроительных технологических процессов обработки резанием. Кроме того одной из основных функций АИИС является функция чтения информации со счетчика по поддерживаемым им каналам связи и сохранение принятой информации в базе данных систем для последующего анализа и формирования отчетов.

Экспериментальные исследования проводились при различных параметрах технологического процесса - скоростях вращения шпинделя, скоростях подачи, глубинах резания.

Отдельные результаты экспериментальных исследований показаны на рисунках 6-9.

Анализ результатов экспериментальных исследований показал, что при недогрузке двигателей, несмотря на то, что потребляемый ток уменьшается, меняется его реактивная составляющая и увеличивается ее относительная величина, которая и определяет увеличение энергоемкости технологических процессов обработки резанием при недогрузке.

8,6 8,4 8,2

ш 7,8 к

| 7,6 &

о 7,4 7,2 7 6,8

1 { 1

1 { ! £

1 Л**

1 У

Г""

\ —

\

|

^ & # ¿> Л1 <>% & л & л

Мощность резания, Вт

Рис.6. Зависимость потребляемого тока от мощности резания 15

0,6

0,5

г од

и

0

1

3

I 0,3

ОД

0

¿П

«р & & & ф

А»

Мощность резания, Вт

Рис.7 . Зависимость коэффициента мощности от мощности резания

1

А

5 аг --Ш чш-4-ш— -в- Н1 -

I г..:

1

1

|

4_____

Потребляемый Рекэтивный ток

4800 4875 4870 4850 4984 4943 4965 5190 5110 5134 5154 5430 5472 5512 Потребляемая мощность, Вт

Рис.8. Зависимости величин потребляемых токов от потребляемой мощности Аналогичная картина получается и при анализе потребляемой мощности при реализации технологических процессов обработки резанием и ее активной и реактивной составляющих.

6000

<

5000

о 4000

■—■—В'

2 Активная составляющая

к 3000 потребляемой мощности

р.

о 2000 потребляемой мощности

1000

»»♦»»Реактивная составляющая потребляемой мощности

Полная потребляемая мощность

¿> ^ ^ «з> л ^ А> <р ^

Мощность резания, Вт.

Рис.9. Зависимость потребляемой мощности, ее активной и реактивной составляющих от

мощности резания

Как следует из результатов анализа, полученные экспериментальные данные практически полностью совпадают с результатами теоретического анализа.

В четвертой главе представлена разработанная автоматизированная система управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов, методика её практической реализации для снижения энергоемкости технологических процессов обработки резанием и примеры практического применения.

Автоматизированная система управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов состоит из блока задатчика тока, блок измерителя тока, блок промежуточных реле, блока конденсаторов. Ее схема для одной фазы приведена на рис. 10.

Алгоритм работы системы заключается в следующем. Энергоемкость технологических процессов, как указывалось выше, связана с увеличением потребляемого тока, а значит и потребляемой мощности, которые обусловлены снижением коэффициента мощности при реализации технологических

процессов с мощностями резания, меньшими номинальной мощности станка. В соответствии с разработанным алгоритмом функционирования в первую очередь задается диапазон регулирования и

сно

ЖВ:

РП

Рис. 10 Схема автоматизированной системы управлением энергоемкости маншностроительных технологических процессов, число ступеней регулирования коэффициентов мощности. Реализация методики подготовительной работы обуславливается комплектацией устройства - количеством контакторов и включенных конденсаторов. В качестве управляющего параметра в данном устройстве используется величина потребляемого тока. Величина потребляемого тока определяется измерителем тока и сравнивается в устройстве сравнения с номинальными значениями для данного двигателя. В случае превышения потребляемым током его номинального значения разность потребляемого и номинального тока поступает в блок промежуточных реле, ток срабатывания которых регулируется шунтирующими сопротивлениями. При срабатывании соответствующих реле подключается определенное количество конденсаторов к обмоткам каждой фазы электродвигателя.

Опытная реализация предложенной автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов для автоматического управления потреблением энергии в асинхронных

18

двигателях станочного оборудования, реализующих технологические процесс обработки резанием, показала общее снижение потребляемого тока каждой фазы двигателя, а значит и снижение энергоемкости технологического процесса. Снижение величины потребляемого тока при реализации технологических процессов достигает 2-3 кратной величины, а значит и в 3-4 раза уменьшается энергоемкость этих процессов.

В качестве примера приведены характеристики энергопотребления машиностроительных технологических процессов обработки резанием с применением автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов и без него. В качестве исследуемого процесса представлена операция продольного точения вала.

Таблица 2.

Характеристики энергопотребления при токарной обработке с применением _компенсационного метода____

без компенсации с компенсацией

СОБ <р 0,42 0,93

Р (Вт) 2010 1918

0 (Вар) 4408 766

8 (ВА) 4856 2100

I (А) 7,74 3,19

Из приведенных результатов видно, что применение предложенной автоматизированной системы управления энергоемкостью

машиностроительных технологических процессов позволило снизить величину потребляемого тока в 2,5 раза, а величину потребляемой мощности в 2,3 раза. Аналогичные результаты были получены и для других машиностроительных технологических процессов. Основные выводы и результаты работы

1. В работе решена научная задача, имеющая важное значение для машиностроения и заключающаяся в создании автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

2. Установлены взаимосвязи между параметрами технологического процесса, номинальной мощностью электрооборудования и потребляемой при реализации этих процессов энергией. Их особенностью является то, что основной причиной повышения энергоемкости машиностроительных технологических процессов является отличие реальной мощности резания от номинальной мощности оборудования.

3. Анализ составляющих потребляемой энергии с точки зрения возможности ее минимизации без изменения параметров технологического процесса показал, что снижение энергоемкости машиностроительных технологических процессов целесообразно обеспечивать посредством метода компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности. Важно отметить, что при этом снижается и потребляемый ток и, как следствие этого, снижается воздействие этих процессов на окружающую среду и человека.

4. Разработанные алгоритмы снижения энергоемкости, модели и методики их реализации позволили обеспечить адаптацию автоматизированной системы к реальным машиностроительным технологическим процессам и оборудованию.

5. Разработанная автоматизированная система управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов позволила снизить потребление энергии. Так, например, при обработке детали типа вал снижение энергоемкости процесса может составлять до 60%, а при обработке детали типа корпус - до 50%. Подобные результаты следует ожидать и при обработке других изделий машиностроения.

6. Результаты работы целесообразно рекомендовать к использованию на машиностроительных предприятиях, а также в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Список печатных работ:

Публикации в изданиях из перечня ВАК:

1. Шварцбург Л.Э., Михайлов И.Н. Анализ энергоемкости машиностроительных технологических процессов формообразования// Вестник МГТУ «Станкин», №3 (15), 2011. с.41-43.

Публикации в других изданиях:

2. Михайлов И.Н. Снижение энергоемкости технологических процессов токарной обработки изделий// Сборник монографий «Яе\\'а1иас]а Ье2р!есгепБ1\уа риЫосп^о» / Согго\у \Vlkp.-Pozna (Польша), 2011. с. 231235.

3. Михайлов И.Н. Исследование проблемы завышенной энергоемкости технологических процессов токарной обработки// сб. тру. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. с. 10-11.

4. Михайлов И.Н. Проблемы энергоемкости технологических процессов лезвийной обработки изделий // Материалы международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах», Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности, ИПЦ НовГУ, 2011, с. 375379.

5. Михайлов И.Н. Алгоритмы снижения потребления энергии при токарной обработке изделий средствами автоматизации // Сб. трудов Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», РГСУ, 2010. с.61-64.

6. Михайлов И.Н. Воздействие повышенного энергопотребления на электрическое оборудование и энергетические сети промышленного предприятия // Управление качеством машиностроительных технологических процессов формообразования: исследования и монографии - М.: ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», 2009. с. 39-44.

7. Трышкина О.В., Михайлов И.Н. Компенсация реактивной мощности посредством конденсаторных установок // Вестник МГТУ «Станкин», №3 (3), 2008. с.32-34.

8. Шварцбург Л.Э., Зимева К.А., Маркин A.B., Михайлов И.Н. Энергетическая безопасность технологий формообразования // Сб. трудов Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», РГСУ, 2008. с.204-211.

Заказ N8 27495. Тираж 120 экз. Подписано в печать: 17.11.2011 Формат: А4. Бумага 80 гр/м2. Отпечатано: в ООО «РВК.ру» 127055, г. Москва, ул. Бутырский вал, д. 48, тел.: 8 (499) 250-85-61

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

1.1 Анализ причин завышенной энергоемкости машиностроительных технологических процессов

1.2. Методы снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов.

1.3. Автоматизированные системы компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТЬЮ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

2.1 Теоретическое обоснование необходимости минимизации энергоемкости машиностроительных 22 технологических процессов

2.2 Анализ электрических параметров электродвигателя станочного оборудования

2.3. Алгоритм автоматического управления энергоемкостью машиностроительных технологических 45 процессов

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

3.1 Методика проведения экспериментальных исследований и описание экспериментальной установки

3.2. Результаты экспериментальных исследований

3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТЬЮ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

4.1 Разработка модели автоматического управления энергоемкостью технологических процессов.

4.2 Опытная реализация автоматической системы управления энергоемкостью машиностроительных 82 технологических процессов.

4.3. Методика практической реализации автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов

Актуальность работы

В соответствии с указом Президента №899 от 07 июля 2011 года «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» энергосбережение является одним из приоритетных направлений развития науки, технологии и техники. На долю промышленности в Российской Федерации приходится порядка 45% от всего энергопотребления в стране. Из них второе место по значениям потребляемой электроэнергии после топливной отрасли занимает машиностроение и металлообработка.

Важнейшей составляющей энергосбережения является энергоемкость машиностроительных технологических процессов обработки резанием. В настоящее время энергоемкость технологических процессов в России существенно превышает энергоемкость аналогичных процессов в промышленно развитых странах. Это особенно важно и по той причине, что высокая энергоемкость технологических процессов приводит к энергопотреблению при их реализации, достигающему до 70% от общего потребления энергии машиностроительным предприятием.

Одним из методов снижения энергоемкости при реализации машиностроительных технологических процессов является метод компенсации реактивной составляющей потребляемой при их реализации мощности. Этот метод целесообразно реализовывать средствами автоматизации, что позволяет не только учитывать реальные параметры технологического процесса и оборудования, но и повысить эффективность компенсации и, как следствие этого, снизить энергоемкость технологических процессов и повысить конкурентоспособность изготавливаемой продукции.

В этой связи работа, направленная на повышение энергоэффективности машиностроительных технологических процессов, посредством снижения их энергоемкости методами автоматизации является актуальной.

Целью работы является снижение энергоемкости машиностроительных технологических процессов посредством автоматизированной системы компенсационной минимизации потребления энергии при их реализации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить взаимосвязи между параметрами машиностроительных технологических процессов обработки резанием, номинальной мощностью электрооборудования станка и потребляемой при реализации этих процессов электрической энергией.

2. Разработать на основе установленных взаимосвязей алгоритмы для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

3. Исследовать возможность реализации разработанных алгоритмов для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов при разных параметрах технологических переходов и разных видах обработки.

4. На основе алгоритмов разработать методику реализации автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теоретических основ электротехники, теории эксперимента. При обработке результатов экспериментальных исследований применялись современные информационные технологии.

Научная новизна работы заключается в:

• установлении количественной и качественной взаимосвязи между параметрами машиностроительных технологических процессов, номинальной мощностью электрооборудования станка и потребляемой при реализации этих процессов электрической энергией;

• моделях автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов при разных параметрах технологических переходов и разных видах обработки, адаптированных к конкретным параметрам технологического процесса и характеристикам оборудования;

• алгоритмах автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов посредством автоматической компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности;

• методике создания автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов без изменения других показателей качества эти процессов.

Практическая значимость работы заключается в методике адаптации автоматизированных систем управления энергоемкостью к реальным машиностроительным технологическим процессам и оборудованию; создании автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов посредством компенсационной минимизации потребляемой энергии при их реализации.

Реализация работы

Результаты работы были использованы при выполнении шести научно-исследовательских работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплин «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств» и «Автоматизация обеспечения безопасности машиностроительных производств».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях «Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК», ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2008, 2009 г.

2. Научно-методической конференции «Машиностроение -традиции и инновации» (МТИ), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2009 г.

3. Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2010, 2011 г.

4. Международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах», Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Великий Новгород, 2011 г.

5. Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2011 г.

6. Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, Роспатент принял решение о выдаче патента на полезную модель.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы (74 наименования), изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

6. Результаты работы целесообразно рекомендовать к использованию на машиностроительных предприятиях, а также в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. шк., 1989ю - 326 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.1. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. -Машиностроение, 2001, 920 с.:ил.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.2. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. -Машиностроение, 2001, 912 с.:ил.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.З. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. -Машиностроение, 2001, 864 с.:ил.

5. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982.-504 е.: ил.

6. Астахов Ю.Н. и др. Электрические системы. Т.5. М.: Энергия. 1974.

7. Ачеркан Н.С. и др. Металлорежущие станки. Учебное пособие для машиностроительных вузов М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1957. - 1015 е.: ил.

8. Байкалова В.Н., Колокатов A.M., Малинина И.Д. Расчет режимов резания при точении / Методические рекомендации. М.: 2000. -38 е.: ил.

9. Балакшин Б.С, Основы технологии машингстроения М.: Машиностроение, 1969. - 358 с.Ю.Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1974.

10. Веников В.А. , Жуков J1.A., Карташев И.М. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. М.: Энергия, 1975.

11. Верещака A.C., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Экологически чистые и ресурсосберегающие технологии обработки: Методические указания к выполнению курсовой работы М.: 2004.-33с.

12. Веселов О.В. Концепция управления состоянием электромеханических систем с использованием диагностических станций // Журнал «Мехатроника, автоматизация, управления», 2007.

13. Волобнинский С.Д., Каялов Г.М., Клейн П.Н. Электрические нагрузки промышленных предприятий. Д.: Энергия, 1971.

14. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. 3-е изд., перераб. - JL: Энергия, 1978.-832 с.:ил.

15. Востриков A.C., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. Шк., 2004. - 365 е.: ил.

16. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. JL: Машиностроение , 1973.-496 сю: ил.

17. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. -М.: Издательство стандартов, 1997.

18. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего интрумента: Учебник для студентов втузов. М.: Машиностроение, 2009. - 368 е.: ил.

19. Детали и механизмы металлорежущих станков в 2 т. Под ред. Решетова Д.Н. 1972.

20. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии их контроль на промышленных предприятиях. -3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 200. - 252 е.: ил.

21. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. -М.: Энергоиздат, 1981.

22. Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности // Электрика, 2003. №1. С. 9-16.

23. Кевеш A.JI. и др. Промышленность России 2010 М.: Стат.сб./ Росстат-М., 2010.-453 с.

24. Константинов Б.А., Зайцев Г.З. Компенсация реактивной мощности. JL: Госэнергоиздат, 1975. - 101 е.: ил.

25. Косов М.Г., Ковальчук Е.Р., Митрофанов В.Г. Основы автоматизации машиностроительного производства: Учебник для вузов. Издание 2-е, испр. М.: Высшая школа, 2001. - 312 с.

26. Кочкин В.И. Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Издательство НЦ ЭНАС. 200. - 248 с.:ил.

27. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высших учебных заведений. 2-е изд. - М.: Интермет Инжиниринг, 2006. - 672с.: ил.

28. Кузовкин В.А, Теоретическая электротехника: Учебник. М.: Логос, 2002. - 480 с.

29. Кузовкин В.А., Филатов В.В. Моделирование процессов в электротехнических цепях. Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника». М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2006.-212 с.

30. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники: Учебник. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 316 е.: ил.

31. Малиновский В.н. Демидова-Панфереова P.M., Попов B.C. Электрические измерения. М.: Энергоиздат, 1982. - 392 е.: ил.

32. Мельников М.А. Электроснабжение промышленных предприятий / Учебное пособие. Томск: Изд. ГПУ, 2000. - 144 с.

33. Методы оптимизации режимов энергосистем / под ред. В.М, Горнштейна. -М.: Энергоиздат., 1981.

34. Минин Г.П. Реактивная мощность. -М.: Энергия, 1978. 88 е.: ил.

35. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 56 с.

36. Михайлов О.П. Перспективы развития автоматизированного электропривода металлорежущих станков // Электричество 1985. - 10. С. 11-17.

37. Михайлов О.П., Цейтлин J1.H. Измерительные устройства в системах адаптивного управления станками. М.: Машиностроение, 1985. - 170 с.

38. Митрофанов В.Г., Калачев О.Н. и др. САПР в технологии машиностроения: Учебное пособие. Ярославль. Ярославский технический университет, 1995. - 298 с.

39. Павлов В.В., Соломенцев Ю.М. Гусев A.A. Машиностроение: Энциклопедия: в 40 тт.: Раздел III: Технология производственных машин: Т. III-5: Технология сборки в машиностроении. М. Машиностроение, 2002. - 640 с.

40. Порядин А.Ф., Хованский А.Д. Оценка и регулирование качества окружающей природной среды. Учебное пособие для инженера-эколога. М.:НУМЦ Минприроды России, Издательский дом «Прибой», 1996.-350 с.

41. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности электрооборудования предприятий с непрерывными технологическими процессами. Гомель: Гом. гос. техн. ун-т, 2002. 283 е.: ил.

42. Пуш В.Э., Пигрет Р., Сосонкин B.JI. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. 319 с.

43. Радзевич С.П. Формообразование поверхностей деталей. Основы теории. К.: Растан, 2001ю 592 е.: ил.

44. Радкевич В.Н. Расчет компенсации реактивно мощности в электрических сетях промышленных предпрятий: Учебно-методическое пособие по дипломному проектированию Мн.: БИТУ, 2004. - 40 с.

45. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. М.: 1985. - 400 е.: ил.

46. Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения с нелинейными нагрузками // Zeszyty Naukowe Politechniki Slaskiej Electryka. 1991.

47. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1981. -228 с.

48. Суслов А.Г. Технология машиностроения. Учебник 2-е изд. = М.: Машиностроение, 2007. 430 е.: ил.

49. Схиртладзе А.Г., Сербреницкий П.П. Краткий справочник станочника. М.: Дрофа, 2008.

50. Филатов В.В. Чумаев Д.А. Анализ управляемости трехфазного асинхронного электродвигателя // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №4(4), 2008. С. 93-101.

51. Харизоменов И.В. Харизоменов Г.И. Электрооборудование станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1987. -224 е.: ил.бО.Чекваскин А.Н., Семин В.Н., Стародую К.Я. Основы автоматики. -М.: Энергия, 1977.-448 е.: ил.

52. Черпаков Б.И. Автоматизация и механизация производства. Учебное пособие. М.: Академия, 2004. - 384 е.: ил.

53. Черпаков Б.И. Металлорежущие станки. 3-е изд. М.: Академия, 2008.-368 е.: ил.

54. Шандров Б.В, Автоматизация производства (металлообработка) 2-е изд. Учебник. 2006.

55. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

56. Шварцбург Л.Э. Информационно-измерительные системы приводов металлорежущих станков. М.: Издательство «Станкин», 1991. - 181 е.: ил.

57. Шварцбург Л.Э. Датчики обратной связи станков с ЧПУ. М.: НИИМАШ, 1982.-38.

58. Шварцбург Л.Э., Михайлов И.Н. Анализ энергоемкости машиностроительных технологических процессов формообразования // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №3(15), 2011. С. 41-44.

59. Шварцбург Л.Э. Энергетический анализ безопасности технологических процессов // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №4(12), 2010. С. 98-105.

60. Электротехнический справочник. Изд. 3-е. переработ, и доп. Под общ. ред. А.Т. Голована. М.Г. Чиликина (глав, ред.) и др. T.l М.-JL, Госэнергоиздат, 1961. 736 е.: ил.

61. Энергетическая стратегия России на перод до 2020 года. М.: Минэнерго России, 2001. - 544 с.