Программно-аппаратный
информационно-измерительный комплекс для управления индукционной плавкой оксидов
и стекол.
Лопух Дмитрий Борисович,
кандидат
технических наук, доцент,
Мартынов Александр Петрович,
соискатель,
ассистент,
Чеплюк Сергей Игоревич,
аспирант,
Вавилов Антон Валерьевич,
инженер-электроник,
Санкт-Петербургский
Государственный Электротехнический Университет “ЛЭТИ”.
Jay Roach,
начальник отдела,
Айдахская Национальная Лаборатория, Айдахо Фоллс, США.
John Richardson,
главный инженер,
Введение.
Одними из направлений применения индукционного нагрева являются плавка оксидов металлов и варка стёкол. В ряде промышленных технологий применяются холодные тигли, с использованием которых реализуются такие технологические процессы, как: выращивание монокристаллов фианитов; непрерывный переплав порошков оксидов с получением поликристаллических слитков для дальнейшего передела; непрерывная плавка на выпуск с раздувом струи расплава и получением штапельного минерального волокна в виде теплоизоляционных матов; остекловывания радиоактивных отходов и др. Во всех этих процессах используется так называемый метод индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ) [1]. Развитие и совершенствование этих технологий во многом зависит от качественного управления технологическим процессом, которое способствует повышению надежности и производительности, а также качеству получаемого продукта.
Основной задачей работы является разработка и создание автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) варки стекла в индукционной печи с холодным тиглем. На первом этапе создания АСУ ТП необходимо разработать программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для регистрации, обработки и архивирования параметров плавки в режиме реального времени. Работа выполняется СПбГЭТУ "ЛЭТИ" при поддержке Айдахской Национальной Лаборатории.
Программно-аппаратный информационно-измерительный
комплекс.
Комплекс состоит из лампового генератора
ВЧИ - 11 - 60/1.76, колебательной мощностью 60 кВт,
частотой тока 1.76 МГц, индукционной печи с холодным тиглем, а так же
системы сбора и обработки экспериментальных данных [2].
Поскольку процесс индукционной плавки является быстротекущим и многопараметрическим, то при разработке комплекса была поставлена задача по обеспечению измерений с максимальной точностью, минимальными флуктуациями, а так же максимальным быстродействием.
Схема комплекса представлено на рисунке 1. Для регистрации параметров использованы высококачественные первичные датчики, как серийного производства, так и специально разработанные и изготовленные. Сигналы с датчиков оцифровываются при помощи промышленных контролеров, а также цифровых высокоскоростных осциллографов. Аналого-цифровые преобразователи по каналам беспроводной связи синхронизированы с компьютерной системой для одновременной регистрации всех параметров плавки.
Рис. 1.
Схема программно-аппаратного
информационно-измерительного комплекса.
УВЗ – устройство видеозахвата; ДН – датчик
напряжения индуктора; ДТ – датчик тока индуктора; T0…T7 – датчики температуры
воды; P1…Р7
– датчики расхода воды; Ua
– датчик напряжения анода лампы; Ia – датчик тока анода лампы; Ig – датчик тока сетки лампы;
ПК1 – компьютер для обработки выборки мгновенных значений тока и напряжения
индуктора; ПК2 – компьютер для сбора и отображения информации; A1, A2 – узел беспроводной связи;
РМ – регулятор мощности генератора; РОС – регулятор обратной связи генератора;
РН –регулятора напряжения генератора; ДУ – датчик уровня расплава; ДПИ – датчик
положения индуктора относительно холодного тигля; ВЧИ-11-60/1,76 - источник питания, ТП – термопары для измерения профиля
температур в расплаве.
Комплекс
оснащен разработанным программным обеспечением,
позволяющим вести регистрацию, обработку, визуализацию и архивирование
параметров плавки в режиме реального времени. На рисунке 2 приведены фотографии
некоторых изготовленных элементов комплекса.
Рис. 2.
Виды элементов
программно-аппаратного информационно-измерительного комплекса.
1 – датчик напряжения на индукторе, 2 –
блок ВЧ фильтров, 3 – датчики температуры воды, 4 – щит с промышленными
контроллерами, 5 – щит соединительный, 6 – расходомеры воды, 7 – промышленные
компьютеры.
При помощи комплекса осуществляется
калориметрирование элементов индукционной системы и генератора. Для измерения мощностей
в элементах установки используются платиновые терморезисторы сопротивления
ТСП-100 специально разработанные расходомеры,
обладающие высокой чувствительностью и помехозащищенностью.
Фиксация температуры на поверхности ванны расплава
производится спектральным логометрическим
пирометром Siemens серии Ardocell PZ,
способным производить высокоточное измерение температуры в пределах от 1000 до
3000 °С.
Для измерения электрических параметров источника питания
установки, таких, как напряжение на конденсаторной батарее и аноде лампы высокочастотного
генератора, ток анода и сетки лампы генератора, использованы датчики напряжения
и тока на эффекте Холла.
Сигналы, поступающие с перечисленных выше датчиков,
оцифровываются промышленными PC-совместимыми контроллерами, в
качестве которых использованы контроллеры серии I-8000 фирмы ICP DAS.
Для сокращения длины аналоговых сигнальных магистралей контроллер располагается
в максимально возможной близости от индукционной печи. Вся информация, собранная
контроллером передается на промышленный ПК верхнего уровня с использованием беспроводных сетевых
технологий, чем достигнута максимальная защищенность верхнего уровня
измерительной системы.
Качество работы информационно-измерительной системы в значительной степени зависит от организации её защиты от электромагнитных полей и токов высокой частоты, препятствующих проведению качественных измерений. Немаловажную роль в процессе измерений играет организация заземления элементов комплекса.
Данная
система измерения подвержена высокочастотным помехам, следующих частот тока: 50
Гц, 1,76 МГц, а так же гармоникам высших порядков. Для фильтрации помех
разработаны фильтры высокой частоты, ослабляющие величину помех до приемлемого
значения.
Разработка датчиков высокочастотных сигналов.
Поскольку для измерения тока и напряжения на индукторе не
было найдено серийно выпускаемых приборов, удовлетворяющих компьютеризированной
системе сбора информации, было принято решение о проектировании и изготовлении
датчиков напряжения и тока индуктора на частоты от единиц до десятков мегагерц.
Датчик напряжения выполнен, как понижающий трансформатор
напряжения. Характеристики датчика напряжения:
·
частота входного
сигнала: 1,76 ± 15 % МГц;
·
гальваническая
развязка выходного и входного сигналов;
·
уровень выходного
сигнала: 0…5 В;
·
измеряемое напряжение:
до 10 кВ.
Датчик тока состоит из катушки, выполненной из литцендрата.
Характеристики датчика тока:
· частота входного сигнала: 1,76 ± 15% МГц;
·
гальваническая
развязка выходного и входного сигналов;
·
уровень выходного
сигнала: 0…5 В;
·
измеряемый ток: до 300
А.
Датчик тока располагается непосредственно между токоподводящими шинами индуктора, где обеспечивается наибольшая равномерность и неизменность магнитного потока. Датчик напряжения подключен к виткам индуктора. Сигналы, полученные с датчиков тока и напряжения на индукторе, оцифровываются высокоскоростными АЦП с частотой опроса не менее 1 Гига отсчетов в секунду.
Расчетные параметры в
режиме реального времени.
В процессе измерений в режиме реального времени
производился расчет cosφ, среднеквадратичных
значений тока и напряжения индуктора и частоты тока с использованием выборок мгновенных
значений тока и напряжения индуктора. Так же данная
система контроля позволяет производить расчет коэффициента мощности индуктора PF. Расчет производится по формуле
,
где P – активная мощность, подводимая к индуктору, Вт; S
– полная мощность, подводимая к индуктору, ВА. Параметр PF
определяется методом калориметрования и с использованием выборок мгновенных
значений тока и напряжения индуктора.
Параметр cosφ относится только к первой гармонике и,
поэтому отличается от коэффициента мощности, который учитывает наличие всех гармоник в сигналах тока и напряжения [3]. Если ток
и напряжение являются идеальными синусоидальными сигналами, тогда PF равен cosφ.
,
где P1 – активная мощность основной частоты,
подводимая к индуктору, Вт; S1 – полная мощность основной частоты, подводимая
к индуктору, Вт.
Так как датчики
тока и напряжения индуктора, а так же сигнальные провода и их расположение вносят
дополнительный фазовый сдвиг в сигналы тока и напряжения, то становится
затруднительным измерение абсолютного значения угла сдвига фазы между первыми
гармониками тока и напряжения, что препятствует вычислению абсолютного значения
cosφ и PF.
Для обработки экспериментальных данных и визуализации
результатов на ПК оператора, разработано программное обеспечение, позволяющее
осуществлять сбор и обработку экспериментальных данных в режиме реального
времени. Ниже приведены основные возможности программного обеспечения:
·
синхронный опрос всех
датчиков комплекса, например, датчиков напряжения,
температуры, показаний пирометра и т. д.;
·
определение тепловых
потерь в элементах индукционной печи и источника питания;
· вычисление действующих значений тока и напряжения, используя выборку мгновенных значений измеряемых величин;
· вычисление угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения, используя выборку мгновенных значений измеряемых величин;
·
вычисление коэффициента
мощности индуктора PF;
·
синхронная запись в
файл и визуализация на ПК2 всех измеренных и вычисленных
величин;
·
программное обеспечение комплекса позволяет в
цикле менее 500 мс осуществлять регистрацию, обработку, визуализацию и
архивирование необходимых параметров плавки.
Заключение.
В настоящее время изготовлена и успешно испытана аппаратная часть АСУ ИПХТ, которая представляет собой программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс, используемый в качестве законченной автоматизированной системы контроля над процессом индукционной плавки.
Комплекс позволяет определять все характеристики ИПХТ, необходимые для контроля над процессом плавки. Основными достоинствами комплекса являются:
· Регистрация, обработка и визуализация параметров в цикле менее 500 мс.
· Регистрация параметров плавки в условиях высокочастотных помех с флуктуациями в пределах от (0,005 – 1,5) %. Например, при обработке сигналов тока и напряжения индуктора - 0,005 % и при измерении профиля температур в расплаве - до 1,5 %.
· Низкая относительная погрешность измерений от 0,05 до 0,1 %.
· Высокая чувствительность изменения угла сдвига фазы между первыми гармониками тока и напряжения индуктора к изменению температуры поверхности расплава. Например, при изменении температуры на 0,5 °С угол изменяется на 0,0035°.
В настоящее время комплекс совершенствуется по следующим направлениям:
· Изучение параметров управления и поиск корреляционных зависимостей параметров плавки.
· Определение абсолютного значения угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора.
· Бесконтактное измерение уровня расплава.
· Разработка алгоритмов управления.
Литература.
1. Петров Ю. Б. Индукционная плавка окислов. – Л.:
Энергоатомиздат, 1983. – 104 с.
2. Вавилов А. В., Чеплюк
С. И., Лопух Д. Б. Разработка измерительного стенда для контроля и управления
индукционной плавкой в холодном тигле // Тез. докл. Тринадцатая международная
научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 1 - 2 марта,
3.
Merlin G. Руководство по устройству электроустановок. Технические решения Schneider Electric. –
Schneider Electric, 2007. – 523 с.
Поступила в
редакцию 14.04.2008 г.