ISSN 1991-3087

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-24978 от 05.07.2006 г.

ISSN 1991-3087

Подписной индекс №42457

Периодичность - 1 раз в месяц.

Вид обложки

Адрес редакции: 305008, г.Курск, Бурцевский проезд, д.7.

Тел.: 8-910-740-44-28

E-mail: jurnal@jurnal.org

Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
Яндекс.Метрика

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,

Vista Engineering Technologies, LLC., США.

 

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, 2007 г. – Москва, 2007.

3.  Merlin G. Руководство по устройству электроустановок. Технические решения Schneider Electric. – Schneider Electric, 2007. – 523 с.

 

Поступила в редакцию 14.04.2008 г.

2006-2018 © Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов.
Все материалы, размещенные на данном сайте, охраняются авторским правом. При использовании материалов сайта активная ссылка на первоисточник обязательна.