Разработка и исследование микропроцессорных систем управления электротехнологических процессов с улучшенными технико-экономическими показателями

Развитие электротехнологических отраслей промышленности требует внедрения новых. прогрессивных технологий и совершенствования существующих производств. При этом улучшение качества выпускаемой продукции и повышение производительности труда необходимо вести с учетом экономии энергетических и материальных ресурсов. Одним из основных факторов создания высокоэффективных электротехнологических производств является их комплексная автоматизация с учетом предъявляемых к ним требований. Внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами позволит поднять эффективность производства и качество продукции, увеличить объем выпускаемой продукции, сэкономить электроэнергию. Основополагающий вклад в решение вопросов теоретического исследования и практической реализации систем автоматизированного проектирования и управления внесли такие известные ученые, как В. М. Глушков, В. А. Горбатов, В. П. Сигорский, С. А. Редкозубов, И. П. Норенков и другие.

Наиболее жесткие требования предъявляются к преобразователю электрической энергии, который является одним из главных, определяющих звеньев технологической цепи, оказывающих влияние на основные технико-экономические показатели технологического процесса. Большинство электротехнологических систем (ЭТС) являются потребителями низковольтной, сильноточной электрической энергии постоянного тока.

Рассмотрим требования, предъявляемые к источникам питания электротехнологических установок, которые в дальнейшем будут конкретизированы для каждого рассматриваемого случая. Источник питания (ИП) должен: обеспечивать согласование напряжения и параметров первичной питающей сети (однофазной, трехфазной, частоты) с характеристиками и параметрами нагрузки, в большинстве случаев обеспечивать потенциальную развязкудопускать регулирование выходных параметров в широких пределах в целях обеспечения заданных вольтамперных характеристик при большом диапазоне изменения параметров нагрузки (практически от холостого хода до короткого замыкания) — обладать высоким быстродействием и обеспечивать режимы многократных автоматических повторных включенийпозволять легко осуществлять комбинацию конструктивных модулей (параллельное либо последовательное соединение) с учётом большого диапазона возможных мощностей источников.

Основной тенденцией развития ЭТС является интенсификация процессов путем повышения плотности тока и применение токов специальной формы. Плотность тока в свою очередь является функцией ряда технологических параметров: состава и плотности электролита, ее температуры, геометрии ванны, характеристик используемых материалов и электродов и т. д.

С точки зрения оптимального энергообеспечения необходимо обеспечить максимальную электромагнитную совместимость ИП с нагрузкой, характер которой зависит от конкретных условий использования источника и может меняться в ходе процесса. Одним из основных требований, предъявляемых к ИП, является стабилизация выходного тока (напряжения) в широком диапазоне регулирования. Для обеспечения заданных энергетических и технологических требований системы должны быть замкнутыми.

Эффективным решением является использование источников питания на базе полупроводниковых вентилей. Существенные преимущества полупроводниковых преобразователей перед ионными и электромашинными делают их основной базой для создания вентильных преобразователей, покрывающих весь диапазон требуемых мощностей. Этому способствуют также достижения в области выпуска мощных тиристоров и полностью управляемых вентилей.

Отечественной промышленностью выпускаются выпрямительные агрегаты для питания гальванических ванн в цехах электрохимических покрытий и электролиза, выходные напряжения и мощности которых регулируются в широких пределах. К качеству выходного напряжения предъявляются жесткие требования. Системы управления и регулирования этих агрегатов выполнены преимущественно с использованием трансформаторов тока, магнитных усилителей и дросселей насыщения, вследствие чего они обладают невысокими массо-габаритными показателями (МГП).

Рассматривая технологический процесс с точки зрения его структурной надежности можно отметить, что наиболее совершенны полностью автоматизированные поточные линии с проведением всех операций по одной и той же технологической цепи. В этой связи актуально развитие систем автоматизированного управления ЭТ процессами в замкнутых системах, обеспечивающих адаптивное управление основными параметрами процесса.

Исходя из вышеизложенного, разработка эффективных систем энергообеспечения: источник питания — система управления — технологическая нагрузка является актуальной. Система должна обладать способностью адаптации к изменяющимся в широких пределах параметрам электрохимической нагрузки. Использование традиционных концепций и принципов, устаревшей элементной базы не позволяет создавать автоматизированные системы, в полной мере отвечающие предъявляемым к ним современным требованиям. Сформулировать ряд общих требований к проектируемым системам можно на основе комплексного анализа существующих ЭТС. Решению рассмотренного комплекса задач посвящена данная работа.

Целью работы является разработка и исследование многофункциональных, адаптивных МПСУ ЭТС, оптимально обеспечивающих требования современных технологий, обладающих высокими технико-экономическими показателями, обеспечивающих заданные формы токов в нагрузке. Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

— анализа низковольтных электротехнологий;

— анализа электротехнологических процессов как объектов управлениявыявления их общих признаков и свойств, выделения отличительных особенностей систем;

— исследования возможности реализации прямого микропроцессорного управления вентилями источника питания;

— математического моделирования физических процессов в системе энергообеспечения;

— разработки методов и алгоритмов адаптивного управления технологическим оборудованием, работающим в разнообразных условиях и технологических системах;

— создания многофункциональных микропроцессорных систем и средств автоматизации с гибкими алгоритмами управления;

— разработки аппаратно-программных комплексов для рассматриваемых систем;

— разработки критерия оптимизации МПСУ ЭТС.

Методы исследований.

При выполнении работы применён комплекс методов, включающий методы моделирования и расчёта вентильных преобразователей во временной и частотной областях с использованием пакета Mathcad 7.0 Pro, методы переменных состоянийрешение краевых задач.

Экспериментальные исследования выполнены на опытных и промышленных установках в лабораторных и заводских условиях.

Обоснованность и достоверность научных положений выводов и рекомендаций подтверждаются соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследованийрезультатами промышленных испытаний.

Научная новизна работы:

— разработана оригинальная математическая модель для анализа основных характеристик электротехнологических систем, реализованная в среде MathCAD 7.0 Pro;

— предложен алгоритм прямого цифрового управления силовыми ключами вентильного преобразователя с использованием восьмиразрядных отечественных микропроцессоров, основанный на механизме прерываний микропроцессора;

— предложен новый алгоритм управления группой параллельно работающих базовых ячеек от одного управляющего автомата, заключающийся в сдвиге управляющих импульсов друг от друга на некоторый угол, позволяющий снизить уровень искажений потребляемого из сети тока;

— предложен способ вычисления этого угла, основанный на количественной оценке частоты собственных колебаний непрерывной части;

— разработана микропроцессорная система управления технологическим процессом с прямым управлением силовыми ключами преобразователя, обеспечивающая автоматическую стабилизацию плотности тока в нагрузке с одновременным регулированием основных доступных технологических параметров системы;

— разработана управляющая программа микропроцессорной системы управления.

Практическая значимость работы состоит: -в ее направленности на повышение энергетических, массо-габаритных, технологических параметров электротехнологических установок- -во внедрении разработанных аппаратных и программных средств в системы автоматизации технологических процессов, позволяющих обеспечить до 30% экономии материальных и энергетических ресурсов;

— в ограничении влияния вредных условий на экологическую безопасность рассматриваемых электротехнологий;

— в использовании полученных результатов в учебном процессе.

Реализация результатов работы. На основе результатов, полученных в работе, разработана микропроцессорная система автоматизированного управления технологическим процессом, удовлетворяющая требованиям современных условий, разработан алгоритм управляющей программы. Результаты работы внедрены на ГП «Гран».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях СКГТУ (1995 -1999 гг).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Настоящая работа является итогом исследований, выполненных на кафедрах промышленной электроники и информационных систем в экономике Северо-Кавказского государственного технологического университета.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., проф. К. Х. Пагиеву и д.т.н., проф. Дедегкаеву за помощь при проведении научных исследований.

Выводы.

1. Разработана система управления источниками питания для электротехнологий на современной элементной базе новых микроконтроллеров на одном кристалле, что позволило повысить надежность системы по сравнению с реализацией МПСУ на нескольких кристаллах (глава 2).

2. Реализована концепция совмещения функций прямого цифрового управления силовыми ключами преобразователя, стабилизации выходных параметров ВП со специальными формами тока и основных технологических параметров системы.

3. Разработан аппаратно-программный комплекс для электротехнологий, обладающий способностью адаптации к изменяющимся в широких пределах параметрам электротехнологической нагрузки.

4. Разработан монитор реального времени для встроенной системы управления, отвечающий предъявляемым требованиям. Использование прямой регистровой и оконной адресации позволяет минимизировать программный код и время выполнения программы.

5. Предложены способ структурного синтеза МПСУ ЭТСкритерий оптимальности разработанной системы управления.

Заключение

.

В настоящей работе дано решение важной народнохозяйственной задачи дальнейшего развития и совершенствования систем управления источниками питания для электротехнологических систем. В результате выполненных работ предложены адаптивные микропроцессорные системы управления технологическими процессами с прямым цифровым управлением силовыми ключами используемого преобразователя и автоматическим регулированием технологических параметров системы. При этом получены следующие результаты:

1. На основании анализа ряда электротехнологических систем проведена классификация низковольтных сильноточных электротехнологий, сформулированы общие требования к источникам питания и к их системам управления.

2. Предложен алгоритм прямого цифрового управления силовыми ключами вентильного преобразователя с использованием восьмиразрядных отечественных микропроцессоров, основанный на механизме прерываний микропроцессора.

3. Впервые построена модель электрогальванотехнологической системы с использованием пакета MathCad 7.0 Pro, позволяющая максимально учесть параметры источника питания и нагрузки.

4. Показано, что при номинальных режимах работы преобразовательных установок активные и индуктивные сопротивления обмоток силового трансформатора и падения напряжения в реальных вентилях существенно влияют на протекание электромагнитных процессов и другие характеристики системы вентильный преобразователь-нагрузка.

5. Для уменьшения амплитуды высших гармоник при параллельной работе силовых модулей целесообразно разнести во времени моменты подачи управляющих импульсов на отдельные силовые модули. Предложен критерий расчета времени задержки.

6. Исследованы физические процессы распределения тока в ванне. Результаты исследования распределения потенциала в плоском поле ванны позволяют выбрать форму анодов, оптимальное взаиморасположение электродов.

7. Реализация систем управления источниками питания для электротехнологий на современной элементной базе новых микроконтроллеров серии MCS-196/296 позволяет строить системы управления «на одном кристалле», что значительно повышает надежность системы по сравнению с реализацией МПСУ на нескольких кристаллах.

8. Разработан аппаратнопрограммный комплекс, позволяющий реализовать адаптивные системы управления элементами энергообеспечения электротехнологических систем, с возможностью стабилизации и регулирования основных технологических параметров системы: плотности тока, температуры, концентрации электролита.

9. Предложены способ структурного синтеза МПСУ ЭТС и обобщенный показатель системы, позволяющий оценить степень оптимальности разработанной системы управления.