Разработка методологии, математического и программного обеспечения САПР многодвигательных электроприводов высокопроизводительных бумагоделательных машин

Начиная с открытия способа изготовления бумаги в начале второго века нашей эры этот процесс постоянно, является объектом внимания развивающейся человеческой мысли, так как продукт его является важнейшим фактором решения задач культурного и хозяйственного строительства общества.

В настоящее время технология бумагоделательного производства является одной из самых энергоемких и характеризуется все возрастающей сложностью и большей интенсификацией. Производительность линий все время растет.

На современных линиях ЦБП вводятся прогрессивные технологические процессы применяются более современные способы компоновки механической части секций агрегатов [16,36] .Это ставит все более сложные задачи перед специалистами по автоматизации производственных процессов .

Характерной особенностью развития современных СЭП является широкая унификация их структур, элементной базы и конструктивного оформления, охватывающего как силовую, так и регулирующую части приводов. В технологических линиях бумагоделательного производства получили распространение многодвигательные тиристорные ЭП постоянного тока, оснащенные унифицированными АСР. Существенным шагом в развитии этих систем явилось создание отечественной универсальной блочной системы аналоговых и дискретных регуляторов [3,20,23,27]. Стремление к достижению высоких статических и динамических характеристик СЭП при оптимальных технико-экономических показателях привело к распространению цифро-аналоговых АСР с различным соотношением аналого.

— 6 вой и цифровой части[4]. Такие системы применяются в последнее время на высокопроизводительных агрегатах .

Обработка бумажного полотна на бумагоделательных и отделочных агрегатах характеризуется глубокой спецификой технологических процессов и существенно отличается от производства полосовых материалов на агрегатах смежных отраслей промышленности (металлургической, текстильной, химической).В частности выработка полотна на БМ сопровождается значительным изменением его физических свойств (структуры, модуля упругости и др.) ив меньшей степени размеровздесь практически отсутствуют процессы опережения обрабатываемого материала в секциях, в особенности в сухой части машинпренебрежимо мало сопротивление окружающей среды в межсекционных промежутках. Кроме того имеется существенное количественное отличие механико-технологических параметров агрегатов ЦБП от соответсвующих параметров поточных линий смежных производств.

Например, модуль упругости готовой бумаги ниже модуля упругости проката в среднем на три порядкавместе с тем механические постоянные времени секций БМ на один-два порядка больше таковых для клетей высокопроизводительных станов холодной прокатки. Следует указать также на специфику режимов работы бумагоделательных агрегатов, где необходимо обеспечение соответствующего функционирования как локальных С ЭП секций в период заправки полотна, так и многосвязанных систем при взаимодействии секций через полотно.

Естественно, все это приводит к качественным отличиям в поведении электромеханических систем агрегатов бумагоделательного производства и накладывает свой отпечаток на принципы построения ЭП[42]. Вместе с тем, необходимо отметить, что проблемы автоматизированного ЭП агрегатов бумагоделательного производства перекликаются с с. оот 7 ветствующими проблемами СЭП непрерывных технологических линий смежных отраслей промышленности, что с одной стороны обусловлено общностью решаемых задач, а с другой-аналогией режимов работы приводов.

В разработку общих принципов построения СЭП и АСУ ТП непрерыв-. но-поточных агрегатов (станки горячей и холодной прокатки, технологические линии текстильной и химической промышленности) вносят немалый вклад научно-исследовательские и учебные институты России и ближнего зарубежья.

Кардинальные вопросы общей теории автоматического управления многодвигательных ЭП промышленных агрегатов разработаны в трудах отечественных ученых — докторов технических наук A.B. Башарина, Ю. А. Бордова, В. И. Ключева, С. А. Ковчина, Ю. А. Сабинина и др.

Проблемами разработки СЭП технологических линий ЦБП занимается ряд отечественных организаций и ВУЗов: ЦНИИБУММАШ, НПО «Электропривод», ВНИИБ, ГИПРОБУМ, СПбГЭТУ, СПбГТУРП и др. Из зарубежных следует отметить Siemens и AEG-Telefunken (Германия), ASEA (Швеция), Stromberg (Финляндия), Brown-Broveri (Швейцария), Нагland (Англия), Westinghouse (США), Mitsubishi (Япония).

В решение проблем рассматриваемой области весомый вклад внесли наши отечественные ученые. Основоположником теории многодвигательных ЭП бумагоделательных агрегатов является д.т.н профессор В. Д. Барышников [5,6,7,8 и др]. Значительные заслуги в решении ряда аспектов автоматизации непрерывно-поточных агрегатов линий ЦБП принадлежат д. т. н профессору Борцову [11,12 и др.].

Глубокий анализ физических процессов происходящих в электромеханических системах технологических линий ЦБП дан в работах к.т.н. А. Д. Шустова. Им разработаны эквивалентные модели бумажного полотна как.

— 8 объекта управления с учетом его реологических свойств [35]/ проведены исследования характера влияния упругости механических передач на работу секционного ЭП БМЕ34].

В работах профессоров Ю. А. Бордова [9], Л. Н. Рассудова [21−22], Г. Г. Соколовского [29,30] созданы основы теории СЭП с упругими связями, разработана методология анализа и синтеза систем применительно к различным классам промышленных агрегатов.

Достойное продолжение получило научное направление ленинградской школы электроприводчиков, основанной д.т.н проф. В. Д. Барышниковым, в работах д.т.н.проф. В. М. Шестакова [37−46], разработавшего способы композиции алгоритмов функционирования СЭП, позволяющие на основе ограниченного количества типовых базовых модулей электромеханических объектов строить эквивалентные структурные модели взаимосвязанных ЭП поточных линий рассматриваемого класса,' методологию и алгоритмы поэтапного многофакторного синтеза АСРС и АСРН, обеспечивающие целенаправленное достижение требуемых характеристик локальных и многосвязных систем в заданном множестве технологических режимов агрегатов.

Среди зарубежных ученых можно выделить Д. Аренса, Е. Рааца, А. Дуксбаума, Г. Бранденбурга, В. Картера, посвятивших свои работы исследованию динамики СЭП агрегатов с учетом упругих связей [52,53,54].

Интенсификация технологических процессов, существенный рост производительности агрегатов за счет увеличения их ширины и рабочих скоростей, а также повышение требований к качеству продукции ставят перед специалистами новые проблемы, успешное решение которых требует координации усилий электриков, механиков и технологов. Наиболее сложной из них является разработка основ системного проектирования.

— 9.

СЭП.

Системный подход к проектированию современных приводов поточных линий заключается в разработке многофакторных способов совершенствования ЭП, которые базируются на синтезе СЭП как единой электромеханической системы, выполняющей определенное множество технологических задач.

Существующий подход в значительной степени ориентирован на раздельное проектирование электрической и механической частей приводов, что во многих случаях не позволяет получить удовлетворительные результаты и обуславливает снижение производительности линий и качества продукции [13,36]. Развитие автоматизированного проектирования в свою очередь, поставило ряд сложных задач, связанных с формированием методологии построения САПР приводов рассматриваемого класса, а также созданием эффективного алгоритмического и программного обеспечения САПР.

В соответствии с изложенным, целью диссертации является разработка способов автоматизированного проектирования электромеханических систем высокопроизводительных агрегатов бумагоделательного производства и как результат — создание унифицированного программного обеспечения отраслевой САПР многодвигательных ЭП агрегатов рассматриваемого класса.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: •¦

— формирование и рациональная структуризация математических моделей механической и электрической частей секционных приводов агрегатов сцелью выделения типовых алгоритмических модулей САПР;

— разработка методологии САПР, позволяющей решать многофакторные задачи автоматизированного синтеза систем ЭП агрегатов;

— 10.

— разработка унифицированного алгоритмического и программного обеспечения САПР ЭП высокопроизводительных непрерывно-поточных агрегатов отрасли.

На защиту выносятся следущие положения.

1) Методология построения системы автоматизированного проектирования многодвигательных электроприводов (МЭП) непрерывно-поточных агрегатов;

2) Способы декомпозиции алгоритмического и программного обеспечения САПР МЭП агрегатов с формированием библиотек типовых модулей САПР электрической и механической части БМ;

3) Унифицированное программное обеспечение отраслевой САПР как новая автоматизированная информационная технология создания сложных электромеханических систем непрерывно-поточных линий ЦБП;

4)Методика определения базовых параметров секционных приводов современных высокопроизводительных БМ, основанная на статистических исследованиях разработанной САПР.

Диссертационная работа выполнена на основании НИР по хоз, договорам с НПО" Электропривод", ЦНИИБУММАШ, фирмой ТЭЛМА (г.Москва), а также г/б НИР «Университеты России» (участие ПИМАШ в НИР СПбГТУ) и г/б НИР «Разработка новых методов САПР многодвигательных электроприводов непрнрывно-поточных линий на основе поэтапного многофакторного синтеза электромеханических систем», выполняемая СПбИМаш с 1995 г (научный руководитель проф.В. М. Шестаков, отв. исполнитель В. А. Поляхо-ва).

— 11.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Содержит 139 страницы сквозной нумерации, в. том числе 114 страниц основного текста, список использованных источников из 61 наименовании на 6 страницах. И иллюстрированна 25 рисунками и 1 таблицей на 25 страницах.

Выводы по главе.

1. Апробация созданной САПР подтвердила ее работоспособность, гибкость, высокую мобильность, а также удобную технологию документирования результатов.

2. В результате проведенных с помощью САПР статистических исс.

— 127 ледований типовых решений механической части агрегатов получены номограммы удельных тяговых усилий по сеточной, прессовой и сухой частям БМ.

3. Полученные номограммы позволили создать основы статистического метода определения мощности приводного двигателя (группы двигателей) секции для высокопроизводительных БМ.

4. Статистические исследования позволили сделать выводы о степени влияния различных параметров на величину линейного тягового усилия и дать рекомендации по выбору оборудования, минимизирующего потребляемую мощность. 5. Разработанный статистический метод определения мощности секционных приводов может быть успешно использован при эскизном проек тировании высокопроизводительных БМ.

— 128 -Заключение.

В диссертационной работе осуществлено теоретическое обобщение многолетних исследований, выполненных при непосредственном участий автора, в области создания систем автоматизированного проектирования ЭП бумагоделательного производства.

Проработка главных аспектов проблемы и тщательный анализ накопленного материала позволили создать методологию построения системы автоматизированного проектирования многодвигательных электроприводов (МЭП) непрерывно-поточных линий отрасли, характеризующихся спецификой технологических процессов, построения и режимов функционирования агрегатов.

Проведенные исследования дали возможность сформулировать научно-обоснованные критерии проектирования многодвигательных ЭП непрерывно-поточных агрегатов с учетом взаимосвязи электромеханических и технологических факторов, влияния упругих связей 1-го и 2-го рода, вариации параметров объектов управления и действия характерных внешних возмущений.

Основным научным результатом работы является создание методологии построения САПР МЭП и библиотеки типовых модулей, что в совокупности представляет собой новую автоматизированную информационную технологию проектирования сложных ЭМС агрегатов рассматриваемого класса. Совокупность теоретических и практических результатов, полученных в диссертации, является решением проблемы автоматизации проектирования МЭП непрерывно-поточных агрегатов бумагоделательного производства, что существенно уменьшает сроки разработки новых и модернизации старых электроприводов высокопроизводительных arpera.

— 129 тов, и ведет к созданию высококачественных СЭП, повышению производительности поточных линий и качества продукции, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Основные научные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом.

1.Предложены рациональные способы построения САПР СЭП сеточной, прессовой и сухой частей БМ как для механической, так и для электрической частей ЭП, учитывающие механико-технологические особенности построения агрегатов и характеристики многодвигательных взаимосвязанных ЭП.

2. Разработаны способы композиции алгоритмического и программного обеспечения САПР, позволяющие осуществить модульное построение расчетных моделей проектируемых приводов, рациональный выбор электромеханического оборудования и поэтапный многофакторный синтез систем при значительном ускорении процесса проектирования. СЭП агрегатов ЦБП.

3.Разработана новая автоматизированная информационная технология создания сложных ЭМС непрерывно-поточных линий ЦБП, позволяющая унифицировать программное обеспечение отраслевой САПР с возможностью его развития по мере совершенствования конструктивно-технологических характеристик агрегатов.

4.Создана методика определения базовых параметров секционных приводов современных высокопроизводительных БМ, основанная на статистических исследованиях разработанной САПР. Полученные номограммы для определения мощности секционных приводов обеспечивают рациональный выбор электромеханического оборудования на стадии эскизного проектирования СЭП поточных линий рассматриваемого класса.

Основные практические результаты и реализация работы.

— 130.

Практический выход проведенных исследований составляет:

— способы построения САПР ЭП, учитывающие специфику технологического процесса и конструктивного построения секций сеточной, прессовой и сухой частей БМ;

— декомпозиция электромеханических узлов агрегатов и их математическое описание с целью создания необходимого математического обеспечения САПР;

— унифицированное алгоритмическое и программное обеспечение САПР, ориентированное на оптимальное использование современных ЭВМ;

— номограммы статистического метода расчета удельных тяговых усилий и мощностей приводных валов секций современных высокопроизводительных агрегатов.

Основные теоретические положения и практические рекомендаций диссертационной работы внедрены в промышленность и использованы в научно-исследовательских, учебных и проектных организациях Минэ-лектротехпрома, Минлесбумпрома, и Минвуза России в следующих направлениях:

— Проектирование СЭП поточных линий по обработке полосовых материалов (бумажного полотна);

— режимная наладка СЭП поточных линий.

— учебный процесс по специальности 2102.

Апробация и применение способов и рекомендаций, разработанных в диссертации осуществлено в период выполнения НИР по договорам с проектными и пуско-наладочными организациями Минлесбумпрома, Минэ-лектротехпрома и Минхимнефтемаша. Тематика исследований связана с важнейшими НИР, выполненными по регионально-отраслевой программе,.

Интенсификация-90″, программе «Университеты России», межвузовской целевой программе «Оптимум», комплексному плану Минэлектротехпрома по созданию систем автоматического управления электроприводами бумагоделательного оборудования большой единичной мощности. К указанным НИР относятся :

— исследование принципов управления электроприводами бумагоделательного оборудования с использованием микросредств управляющей вычислительной техники N 2 840 012 209 (заказчик ВНИИ электропривод);

— разработка алгоритма и программы регулятора скорости секцион: ного электропривода бумагоделательной машины на базе микро-ЭВМ В-7 N 1 850 006 583 (заказчик ВНИИ электропривод);

•' ^ разработка САПР технических заданий на проектирование электроприводов бумагоделательных машин, N01870012075 (заказчик ПО ЛенБУММАШ) — - разработка алгоритмического и программного обеспечения САПР взаимосвязанных электроприводов отделочных агрегатов ЦБП, УДК.62−83:676.531.3(заказчик ТПО «Союзлесмонтаж») — - разработка новых методов САПР многодвигательных электропри водов непрерывнопоточных линий на основе поэтапного многофакторного синтеза электромеханических систем: УДК 62−83:678:531.3(заказчик АО" ТЭЛМА").

При выполнении указанных НИР автор диссертационной работы являлся научным сотрудником и ответственным исполнителем тем.

— 132.