автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электротехнического управляемого комплекса приемно-намоточной машины в производстве химических нитей

г-

На правах рукописи

УДК 681.5.01:677.4.021.125(043.3)

-Л/' ЗЕМЛЯКОВ Михаил Ардалионович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЖКГРОТЕХННЧШЖОГО УПРАВЛЯЕМОГО КОМПЛЕКСА ПРИЕШО-НАШТОЧНОЙ МАИИНЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ ХИМИЧЕСКИХ НИТЕЙ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Петелин Д.П.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Климов В.А.

кандидат технических наук, доцент Поляков А.Е.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт полимерных материалов, г.Мытищи.

Защита состоится 1996 г. в // часов

на заседании диссертащонното совета К Q53.25.CB в Московской государственной текстильной академии им. А.Н.Косыгина по адресу: 117918,"Москва, М.Калужская',' 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной текстильной академии им. А.Н.Косыгина.

Автореферат разослан

1996 г.

Ученый секретарь . ■ • , диссертационного совета

к.т.н., доцент ' И'^С Жмакин Л.И.

- Су!'

ЛР №020753 ОТ 0^03.93

Подписано в печать 31.10-96 Сдано в производство 01.II.96 Формат бумаги 60 Х84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.*-йзд.л.0,75

Заказ 272 Тираж 80

Электронный набор МГГА*П7918£ Малая Калужская. I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной технологии получения химических волокон и нитей используется экструдерно-формующая-наматывающая система, реализующая высокоскоростные совмещенные процессы производства. Растущие потребности в улучшении свойств выпускаемого продукта и в приросте производства не могут быть удовлетворены в полной мере без улучшения конструктивных качеств оборудования на каждом этапе всего технологического процесса. Развитие производства химических волокон должно осуществляться по пути повышения производительности, надежности технологического оборудования, разработки новых прогрессивных машин и технологий, применения наиболее эффективных методов расчета, проектирования и исследования систем управления производством.

Большое значение при этом приобретают внедрение современной вычислительной техники, математическое и физическое моделирование, разработка САПР и другие факторы, определяющие уровень принятия научных и технических решений. Интенсификация работ в данном направлении требует развития методов анализа физических процессов, построенных на их основе математических моделей динамики, создания проблемно-ориентированных методов анализа математических моделей, разработки соответствующих моделей САПР и программного обеспечения.

Сложность технологических процессов формования, вытяжки и намотки химических волокон, жесткость требований потребителей к качеству вырабатываемых нитей обусловливают предъявление высоких требований к основным параметрам всех узлов и механизмов и, в частности, к приемно-намоточным машинам. Большие габариты и стоимость систем управления препятствуют более широкому применению бесфрикционных приемно-намоточных устройств с регулируемыми приводами. Вместе с тем, остаются недостаточно разработанными бесфрикционные приемно-намоточные механизмы с управлением на базе микропроцессорной техники.

На основанш вышесказанного актуальность темы связана о разработкой интегрированной системы управления приемно-намоточной машиной бесфрикщинного типа, позволяющей обеспечить оптимальные условия выполнения технологических операций и улучшение качеств выпускаемой продукции за счет повышения точности, быстродействия и гибкости управления процессом наматывания нитей.

Тематика работы соответствует планам научно-исследовательских работ кафедры автоматики и промышленной электроники МГТА им. А.Н. Косыгина. Работа проводилась в соответствии с Постановлением Совета Министров РФ "Об улучшении использования сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов в период до £005 года".

Цель работы - разработка научно-обоснованных рекомендаций по созданию, расчету и исследованию электротехнического управляемого комплекса приемно-намоточной машины в производстве химических нитей с микропроцессорным управлением, а также представление математического и программного обеспечения для анализа и синтеза систем управления бесфрикционными приемно-намоточными устройствами.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи :

1. Обзор существующих, а также развитие качественно новых направлений по созданию систем управления бесфрикционными приемно-намоточными устройствами с использованием тиристорного электропривода и микропроцессорной техники.

2. На основе анализа динамических свойств элементов систем разработка математической модели бесфрикционного намоточного устройства как объекта управления скоростью наматываемой нити.

3. Исследование приемно-намоточной машины как многомерного объекта управления и решение задачи связанного регулирования технологических параметров наматывания.

4. Анализ и синтез систем цифрового управления скоростными режимами приемно-намоточной машины.

5. Моделирование и исследование процессов наматывания нитей при различных дискретных алгоритмах управления.

6. Принципиальные решения по использованию робототехнических средств при автоматизации приемно-мотального оборудования.

На защиту выносятся:

- структурная й функциональная схемы автоматизированного электротехнического комплекса управления приемно-намоточной машиной;

- математическая модель системы, реализующей связанное регулирование технологических параметров наматывания;

- алгоритмы управления скоростными режимами приемно-намоточной машины-,

- результаты моделирования и экспериментов.

Методы исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, проведенные современными математическими и инструментальными методами. Синтез дискретных систем управления проводится на основе теории цифровых систем автоматического управления. Моделирование и обработка данных исследований, расчеты при синтезе и анализе систем управления производились на ЦВМ, для чего были разработаны необходимые программы.

Научная новизна работа состоит в разработке новых структур цифровой электротехнической системы управления приемно-намоточной машины при управлении частоты вращения бобинодержателя и частоты хода нитераскладчика, реализующей связанное регулирование технологических параметров наматывания; представлении соответствующих алгоритмов и программного обеспечения.

Достоверность результатов работы подтверждается хорошим совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом мзтематического моделирования, а также результатами проверки на практике зкетрудерно-формующей-наматывающей системы Клинского производственного объединения "Химволокно". Научные решения диссертации строго обоснованы и аргументированы в рамках принятых автором допущений, теоретические положения и экспериментальные выводы многократно уточнялись.

Практическая ценность работы состоит в улучшении качества намотки бобин и повышении производительности экструдерно-формую-щей-наматывающей системы. Результаты работы могут быть использованы в различных намоточных машинах текстильного назначения, а также в учебном процессе и методических пособиях для студентов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях, на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н.Косыгина, проходивших в 1992-1996 годах. Результаты работы отмечены дипломом и премией Всероссийского конкурса молодых ученых в 1993 г.

Публикации. По вопросам, связанным с диссертацией, опубликовано 4 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводое по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 69 наименований и приложений. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, .содержит 2 таблицы, 28 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении изложены основные проблемы, связанные с развитием высокоскоростных совмещенных процессов, производства химических волокон и внедрением в промышленность технологического оборудования, отвечающего требованиям высокой надежности и производительности. Определена структура диссертации в целом, обоснована актуальность избранной темы, .... указаны новизна и практическая значимость полученных результатов; поставлена конкретная цель диссертационной работы и сформулирован,,комцлекс научных вопросов, требующих решения. .. .. ,.

Глава 1. Анализ технологического процесса формования химических волокон. Современное состояние проблемы наматывания нитей.

Анализ экспериментальных данных рабочих, режимов экструдер-но-формующей-наматывающей системы Клинского производственного объединения "Химволокно" позволил выявить,„основные технологические особенности высокоскоростного ..' совмещенного. процесса производства химических волокон и определить круг„проблем, которые необходимо решить для успешного развития процесса,, а. именно:

I. Технология процесса формования : разработка условий стабильного формования без обрыва нитей; обеспечение стабильности процесса во времени-, улучшение свойств нитей. ..,..,

II. Оборудование : разработка высокоскоростных формовочных и намоточных машин; выпуск паковок оптимальной формы.

III. Надежность эксплуатации : создание новейших контрольно-измерительных систем; широкое использование систем автоматического диагностирования, слежения и регулирования.

IV. Безопасность : снижение уровней вибрации и шума-, развитие автоматизированных и роботизированных систем.

Наиболее еэжной проблемой является разработка высокоскоростных намоточных устройств, на которых можно получать необходимые

для промышленности паковки без разрушения или чрезмерного натяжения нитей. Качество формуемой бобины зависит от скорости приёма нити и ее натяжения, а в связи с усовершенствованием технологического процесса и с ростом скоростей наматывания возникает необходимость разработки новых способов для контроля и регулирования данных параметров.

В главе дана характеристика видов неравномерности линейной плотности химических. нитей (как важнейшему физико-механическому показателю их свойств), указываются причины ее появления и способы устранения. Сформулированы технологические требования к наматыванию свежесформованных химических нитей, дан обзор существующих групп приемно-намоточных механизмов.

Глава 2. Принципиальные решения по автоматизации приемно-намоточной машины.

Современные приемно-намоточные машины для химических волокон - это, в большинстве случаев, многокомпонентные системы, отдельные механизмы которых связаны между собой движущейся нитью. Эти системы требуют точного поддержания скоростей и определенной степени синхронизации. Точность и синхронизация должны обеспечиваться не только по мере продвижения нити от механизма к механизму, но и между одноименными механизмами, выполняющими одинаковые функции и находящимися на разных технологических местах.

Разнообразие технологических и экономических требований, предъявляемых к приемно-мотальному оборудованию, привело к появлению намоточных механизмов, использующих различные способы регулирования процесса намотки. Указанные в первой главе работы недостатки фрикционного способа наматывания затрудняют его использование в высокоскоростных, приемно-намоточных устройствах машин совмещенного формования химических волокон. В связи с этим, в большинстве современных .конструкций приемно-намоточных машин ведущих зарубежных фирм применяется бесфрикционный способ приема свежесформованного волокна как наиболее рациональный при скоростях наматывания 6000-8000 м/мин. При разработке намоточных устройств бесфрикционного типа наиболее остро стоит вопрос о регулировании скорости бобинодержателя в функции изменяющихся параметров наматывания : натяжения нити в зоне намотки, линейной скорос-

ти приема нити, диаметра паковки, вращающего момента приводного двигателя и др.

В результате проведенного обзора теоретических работ и разработок намоточных устройств, критического анализа существующих технических решений и принципов регулирования процесса приема волокна сделан вывод, что наиболее перспективными с точки зрения получения выходных паковок повышенного качества, являются системы автоматизации намоточных машин, построенные на базе микропроцессорных контроллеров, в которых управление процессом наматывания осуществляется в функции нескольких изменяющихся параметров.

В данном разделе также проанализирован процесс наматывания нити (без учета ее массы) на цилиндрическую паковку, характеризующийся схемой на рис.1. В результате решения дифференциального уравнения, связывающего скоростные режимы и конструктивные параметры наматывающего устройства, получен закон перемещения нитераскладчика, обеспечивающий минимальную деформацию нити при наматывании :

.......... ■'■ ~"' - " I

Закон перемещения нитераскладчика определяется длиной катушки 1К, скоростью подачи нити в зону наматывания Упит, окружной скоростью бабины У0 и диаметром наматывания Юе, расположением раскладчика в зоне наматывания (1_.н и Ьп), углом в подъема витков и коэффициентом трения нити д.

Из этого следует, что приемно-намоточную машину необходимо рассматривать как сложный многомерный объект регулирования, создание систем управления которым зависит от применяемого способа сообщения вращательного движения телу намотки (фрикционный или бесфрикционный) и от используемых механизмов раскладки, что в свою очередь предопределяет взаимосвязь таких параметров как скорость вращения бобины ые и частота хода нитераскладчика ХНр.

' Взаимное влияние скоростных параметров наматывающего устройства Шй и шНр(в совокупности с режимом формования и вытягивания Еолокна, определяющимся скоростью УПит подачи нити заданного диаметра йаад в зону наматывания) на основные выходные параметры формирования бобины с нитью заданной линейной плотности Тзад при скорости наматывания УЛ) может быть охарактеризовано схемой на рис. 2.

- 9 -

Линия движения Линия движения глазка

точки набегания нитеводителя

Рис. 1. Схема, характеризующая процесс наматывания слоя нити.

Ь>нр Хнр> В

Мб

^ПИТ» <3зад ^ ^ Тзад

Рис. 2. Взаимное влияние технологических параметров наматывания.

Анализируются схемы и характеристики процессов наматывания нити в различных системах. Указываются недостатки получивших широкое распространение в промышленности прецизионных мотальных механизмов, основной ив которых - значительное изменение угла в раскладки нити по мере увеличения диаметра бобины:

р = arctg(ho / JtDe) = var и, как следствие, существенное нарушение соотношения между линейной скоростью \'д наматываемой нити и окружной скоростью бобины V0 (принятой е системах управления за регулируемый параметр) : Уд = К Vo = Vo(l / cos В) = var; при V0 = о>бПб/2 = const

В связи с этим при высоких скоростях наматывания, а также при формировании паковок сложной формы, возникает необходимость изменения закона движения нитераскладчика в зависимости от диаметра паковки и участка намотки вдоль оси бобины. Это обусловливает создание индивидуального привода для каждого рабочего места, причем речь идет как об индивидуальном приводе бобинодержателя, так и об индивидуальном приводе нитераскладочного механизма. Такая структура мотального устройства позволяет более оперативно изменять параметры процесса наматывания. Изменяя передаточное отношение между валом бобинодержателя и эксцентриком нитерасклады-вающего устройства можно получить различные способы укладки витков нити на бобине (избегая появления дефектов) и тем самым обеспечить оптимальные условия для получения паковок повышенного качества.

Глава 3. Структура электротехнического управляемого комплекса приемно-намоточной машины и исследование системы управления процессом наматывания нити.

В целях усовершенствования высокоскоростной приемно-намоточной машины предлагается проектное решение комплексной автоматизации процесса наматывания на базе тиристорного электропривода (ТЭП) и микропроцессорной техники.

С учетом технологических требований к процессу и в соответствии с поставленными задачами, решение которых необходимо при создании систем автоматизации намоточных устройств, разработана структура электротехнического управляемого комплекса приемно-намоточной машины (рис.3), который позволяет обеспечить :

- программное управление пуско-заправочными операциями;

- стабилизацию натяжения и линейной скорости наматываемой нити;

- стабилизацию внутренних напряжений при формировании тела

Рис. 3. Структурная схема электротехнического управляемого комплекса приемно-намоточнсй машины.

намотки;

- контроль обрывности нити и корректировку ее натяжения независимо от режима работы приводов машины;

- быструю переналадку раскладочного устройства с одного вида намотки на другой при широком ассортименте нитей;

- контроль качества нити на паковке, их сортировку и транспортирование;

- исключение аварийных режимов работы при сбоях в работе информационных устройств.

В структурной схеме данной системы нить 1, поступающая в намоточное устройство с подающего угла 2 со скоростью Упод. проходит через нитенатяжитель 3, датчики натяжения 4 и обрыва нити 5 и наматывается на приемную бобину 7. Бобина получает вращение от двигателя М1, частота вращения которого регулируется микропроцессором МП в функции диаметра намотки бобины Об. Перемещение нити вдоль оси паковки осуществляется с помощью нитераскладочного механизма (винтового барабанчика), приводящегося в движение с помощью двигателя Мг, управляемого микропроцессором МП по определенной программе с учетом режима работы привода М*. Оба привода выполнены на базе тиристорных электроприводов постоянного тока. В состав механизма раскладки входит также фрикционный цилиндр, приводимый во вращение синхронным двигателем Мз.

Натяжение нити контролируется датчиком 4, обрывность - датчиком 5,частота вращения ь>е и диаметр намотки бобины Бе датчиками 8 и 9 соответственно, а скорости нитераскладчика шНр и фрикциона Цлр - датчиками 11 и 10. Информация об этих параметрах поступает через согласующие и коммутирующие устройства в микропроцессор МП, где хранится первичная программа управления процессом наматывания. В МП производится оптимизация процесса наматывания с учетом полученной оперативной информации о скоростных режимах, натяжении и обрывности нитей и вырабатываются управляющие сигналы для корректировки скоростей приводов Мз., Мг, Мз и нитенатяжителя М4.

Взаимосвязь скорости вращения бобины и частоты хода нитераскладчика ХНр (или скорости вращения винтового барабанчика шнр) реализуется двухкоординатной системой управления (рис.4), где в качестве элемента связи используется функциональный преобразователь Г(юё), отражающий требуемую технологическую зависимость Шнр.пр = где: ь>нр.пр " программное значение параметра шНр при заданном (текущем) значении параметра «е. При построе-

Гыб(Еь)нр)

£ (<<>б)

Мнр.пр

Ешнр

иа

Контур управления приводом бобинодержателя «б ,

задание режима

ив

^нр.тек кг и2 Контур управления приводом нитераскладчика %!Р > ^НР ЫН1

Рис. 4,а. Структурная схема двухкоординатной системы управления параметрами наматывания.

Рис..4,6. Характеристики нелинейных элементов.

нии системы задается максимально допустимая ошибка по координате «нр т.е.:

Ешнр.тах = <">Нр.пр " <">нр.тек > где:

^нр.твк ~ текущее значение частоты вращения нитераскладчика.

Используемый принцип взаимосвязи параметров состоит в том, что один из каналов управления o)g делается разомкнутым, а другой й)Нр ~ замкнутым по отклонению переменной, и на него возлагается функция обеспечения следования по требуемой зависимости шнгкпр =

f(«e). . ,

Реализация требуемых технологических зависимостей, условий характеристик нелинейных элементов, а также выработка в соответствии с ними управляющих воздействий по обоим каналам регулирования в данной системе осуществляется микропроцессором МП. Принцип функционирования системы заключается в следующем: по мере увеличения диаметра нарабатываемой бобины Dg увеличивается линейная скорость Уд наматываемой нити. В связи с этим, для стабилизации Ул, МП формирует управляющую команду на уменьшение частоты вращения привода бобинодержателя Mi. Одновременно ( в связи с изменением ый) отрабатывается новое программное значение частоты хода нитераскладчика шНр.лр (частоты вращения привода Mi) и в соответствии с определенными управляющими воздействиями по обоим каналам регулирования система переходит в новую фазу технологического режима следуя зависимости Инр.пр = f Ыб) (заложенной в МП) и условию Yji = const.

В системе используются числоимпульсные датчики частоты вращения приводов намоточной машины и диаметра намотки бобины, информация- от которых поступает на управляющее устройство (МП) в виде количества импульсов (цифрового кода) пропорционального значению измеряемой величины.

В основу технической реализации рассмотренного комплекса предлагается блочное устройство регулирования ТЭП, выполненное на базе микропроцессорного набора К589 во ВНШзлектропривод.

Значительное внимание в третьей главе также уделено анализу статических и динамических свойств разработанной системы, проведенному на основе полученных и линеаризованных (в соответствии с общепринятыми подходами) передаточных функций ее элементов.

Глава 4. Моделирование электротехнической системы управления приемно-намоточной машины.

Задачей исследований являлась проверка работоспособности

системы при различных алгоритмах управления и обеспечение заданного качества функционирования, а также определение оптимальных параметров настройки регулятора.

I . Исходи из - требований к качеству управления обоснован выбор алгоритмов дискретного регулирования процессов в системе, рассчитаны параметры передаточных функций ее элементов.

Достоверность рассмотренных в предыдущих главах теоретических принципов регулирования подтверждается результатами моделирования процессов в системе. С учетом динамических свойств элементов системы, отраженных алгоритмической структурой, и привлечением аппарата 1-преобразования, разработана имитационная модель, с помощью которой проанализированы процессы регулирования в системе при различных алгоритмах управления.

Наиболее высокими качественными показателями отличается переходной процесс при ПИД - законах управления ■ по обоим каналам регулирования в двухконтурной системе связанного' управления технологическими параметрами наматывания.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Результаты выполненных исследований и разработок свидетельствуют о достижении поставленной цели диссертационной работы.

1. Рассмотрены технологические вопросы, связанные с процессами . высокоскоростного формования химических волокон; определены основные причины появления неравномерности линейной плотности ни-, ти и указаны способы ее стабилизации.

. 2. Выявлены технологически обоснованные требования к системам управления процессами наматывания свежесформованных химических нитей.

3. Проведен критический анализ существующих способов й систем стабилизации линейной скорости приема нити, обоснована необходимость создания комплексной системы автоматизации приемно-намоточной машины.

4. Разработана структурная схема электротехнического"управляемого комплекса приемно-намоточной машины на базе микропроцессорной техники, позволяющего оптимизировать процесс наматывания и за счет этого повысить производительность технологического оборудования и качество получаемых нитей.

5. Доказана необходимость связанного регулирования техноло-

гических параметров наматывания; предложена и синтезирована система, реализующая указанную взаимосвязь.

6. По результатам исследований составлены модели процессов наматывания химических нитей, адекватно отражающие взаимосвязь скоростных режимов бобинодержателя и нитераскладчика.

7. Разработана и реализована программа численного расчета стационарных и динамических режимов процесса наматывания химических нитей.

8. Проведено экспериментально-теоретическое моделирование цифровой электротехнической системы управления процессами наматывания химических нитей и определены оптимальные параметры алгоритмов регулирования, обеспечивающие требуемое качество переходных процессов.

9. Полученные математические модели и разработанные программы могут служить основой методики расчета как статических так и динамических режимов работы приводов бесфрикционных намоточных устройств, а также быть использованы в качестве подпрограмм в САПР таких механизмов.

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Ли Сюнь. Петелин Д.П., Земляков М.А. Микропроцессорное управление тиристорного электропривода на мотальных машинах // Сб. науч. работ "Автоматизированные системы текстильной промышленности". -М.: МРТА, RIO, 1993. -85с.

3. Петелин Д.П., Земляков М.А. Связанное управление скоростями бобины"и нитераскладчика при наматывании синтетических нитей // Тез. докладов" Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии текстильной промышленности". -М.: МГТА, РйО, 1995. -143с.

3. Земляков М.А., Талипова P.P. Синтез структур управления приемки-намоточным устройством в производстве химических нитей. // Депонирование в ЦНЙИТЭИлегпром, N 3560-лп от.06.12.94.

4. Земляков М.А. Двухкоординатная система управления скоростными режимами процесса наматывания синтетических нитей. // Депонирование в ЦНЙИТЭИлегпром, N 3642-лп от 22.12.95.