Автоматизация и контроль технологического процесса наложения изоляции кабелей связи с парной скруткой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Колпащиков, Сергей Александрович

• Колпащиков, Сергей Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колпащиков, Сергей Александрович

Введение.

1 Проблема создания эффективных систем управления изготовлением кабелей связи.

1.1 Технология производства ЬА1М-кабелей.

1.2 Задача контроля и управления технологическими процессами производства ЬАМ-кабеля.

Выводы.

2 Алгоритмизация автоматизированного управления процессом изолирования.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Выбор метода исследования.

2.3 Анализ переходных процессов в системе управления.

2.4 Определение оптимальных настроек регулятора.

2.4.1 Интегральный квадратичный критерий

2.4.2 Улучшенный интегральный критерий

2.4.3 Интегральный критерий от модуля ошибки

2.5 Оптимальные настройки регулятора в системе с объектом первого порядка и транспортным запаздыванием.

2.6 Алгоритмы оптимального управления.

2.6.1 Адаптивный алгоритм

2.6.2 Робастный алгоритм 46 Выводы.

3 Математическая модель кабеля, учитывающая диэлектрические проницаемости изоляции отдельных проводов.

3.1 Моделирование в среде Рет1аЬ.

3.2 Анализ результатов численного моделирования.

Выводы.

4 Межконтурная система управления параметрами передачи.

4.1 Моделирование в среде Ма^аЬ.

4.2 Отработка системой единичного'воздействия по заданной форме передаточной функции.

4.3 Отработка системой произвольного входного воздействия.

4.4 Двухконтурная система управления обобщенным параметром с межконтурным регулятором.

4.5 Инженерная методика расчета корректирующего полинома модифицированного апериодического регулятора.

Выводы.

5 Алгоритмизация автоматизированного контроля процесса наложения изоляции.

5.1 Структура и задачи современных АСК.

5.2 АСК процесса наложения пористой изоляции.

5.2.1 Специализированные задачи

5.2.2 Общие задачи

5.2.3 Принципы реализации АСК

5.2.4 Бесконтактный датчик скорости кабельного изделия. 99 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация и контроль технологического процесса наложения изоляции кабелей связи с парной скруткой»

Актуальность работы. Высокие темпы роста количества передаваемой информации и скорости ее передачи обусловливают все более и более жесткие требования к характеристикам кабелей связи.

Среди многих проблем, связанных с повышением качества радиочастотных симметричных кабелей с парной скруткой (ЬАК-кабелей), одной из основных является разработка эффективных систем автоматического управления процессом наложения изоляции на токоведущую жилу. Измерение эксплуатационных характеристик ЬАЫ-кабеля, его вторичных электрических параметров (волновое сопротивление, собственное затухание и др.) на этапе наложения изоляции не представляется возможным. В то же время, известно, что основные эксплуатационные параметры кабелей связи закладываются именно здесь.

При повышении качества ЬАЫ-кабелей большое внимание уделяется качеству исходных материалов и методов их обработки, однако и на этапах изготовления исходных материалов и в процессе производства кабеля неизбежны флуктуации технологических параметров, что приводит к отклонениям характеристик кабеля от номинальных значений. Задачи стабилизации технологических параметров возлагаются на системы автоматического регулирования, которые в идеальном варианте должны реализовывать законы управления физическими параметрами изолированных проводников, позволяющие получить оптимальные эксплуатационные характеристики конечной продукции. Значительный интерес, в связи с этим представляют вопросы получения математических моделей зависимости вторичных электрических параметров от параметров, контролируемых и управляемых в процессе наложения изоляции.

Наложение изоляции на проводник производится на экструзионных линиях. Технологический процесс наложения изоляции как объект управления характеризуется наличием значительного запаздывания, которое должно учитываться при разработке алгоритмов автоматического управления. Высокие скорости прохождения проволоки по пинии в процессе ичготокпрния и микропроцессорная реализация регуляторов требуют применения специального аппарата синтеза цифровых систем управления.

Требования к повышению эффективности экструзионных линий приводят к появлению задач стабилизации качества наложения изоляции в переходных режимах работы технологического оборудования, на этапах разгона и торможения.

В этой связи актуальными задачами являются: исследование зависимости вторичных параметров ЬАЫ-кабелей от параметров, формируемых на этапе наложения изоляции на проводник, разработка методов анализа и синтеза систем автоматического управления технологическими параметрами процесса, оптимальных по обобщённому критерию качества, теоретическое и экспериментальное исследования алгоритмов и систем управления процессом наложения изоляции.

Цель работы. Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по разработке методов и средств синтеза автоматизированных информационно-управляющих систем производства ЬАЫ-кабелей.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- оптимизация локальных систем стабилизации первичных параметров проводов в процессе экструзии в условиях значительно меняющегося транспортного запаздывания;

- разработка математической модели ЬАИ-кабеля, позволяющей учесть нерегулярности пористой изоляции отдельных проводов при расчете обобщенных параметров кабеля;

- синтез и анализ систем управления обобщенными параметрами готового кабеля на этапе производства отдельных проводов;

- разработка принципов построения автоматизированных систем кон троля процесса наложения пористой изоляции с учетом специализированных задач обработки информации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, аппарата ¿-преобразований, теории связи, теории автоматического управления, теории дискретных систем управления, экспериментальные методы исследования объектов и систем управления.

Научная новизна. Диссертационная работа расширяет и углубляет теоретические представления в области математического моделирования и методов синтеза алгоритмов контроля и автоматического управления технологических процессов изготовления ЬАМ-кабелей.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

- определены аналитические зависимости оптимальных настроек ПИ-регулятора от параметров объекта с переменным транспортным запаздыванием для нескольких видов интегральных критериев качества;

- предложена математическая модель описания нерегулярного ЬАЫ-кабеля, позволяющая учесть неоднородность сред изоляции отдельных проводов при расчете обобщенных параметров кабеля;

- предложен формальный метод синтеза корректирующего полинома модифицированного апериодического межконтурного регулятора, обеспечивающий заданные характеристики системы управления обобщенным параметром кабеля во временной области.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- показана возможность применения найденных в диссертации аналитических зависимостей оптимальных настроек регуляторов локальных систем управления от параметров объекта в целях синтеза адаптивных и робаст-ных алгоритмов управления, обеспечивающих оптимальность их работы в номинальных и переходных режимах работы экструзионных линий;

- разработана инженерная методика расчета модифицированного апериодического межконтурного регулятора в составе многосвязной системы управления;

- разработаны принципы построения многоуровневых систем автоматизированного контроля технологического процесса наложения пористой изоляции, обеспечивающие выполнение основных предъявляемых требований к программно-аппаратной конфигурации разрабатываемых систем.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационных исследований использованы в виде алгоритмического, математического, программного и аппаратного обеспечения при разработке и внедрении автоматизированных информационно-управляющих систем процессами производства кабельных изделий в рамках НИОКР на ЗАО «Самарская кабельная компания» (г. Самара) и Особом конструкторском бюро кабельной промышленности (г. Мытищи).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение" (Таганрог, 1995), Всероссийской конференции молодых ученых "Математическое моделирование физико-механических процессов" (Пермь, 1996), Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (Таганрог, 1996), V Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (Ростов-на-Дону, 1997), IV Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 1998), Международной молодежной научно-технической конференции" Интеллектуальные системы управления и обработки информации" ( Уфа, 1999), Всероссийской научной конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, 2004), Международной научно-практической конференции "Проблемы развития централизованного теплоснабжения" (Самара, 2004) II Всероссийской научно-практической конфе 8 ренции "Актуальные проблемы энергетики. Энергоресурсосбережение"(Самара, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 104 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 1 таблицу, список литературы из 73 наименования и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Колпащиков, Сергей Александрович

Выводы

1) Проведен анализ специализированных задач систем автоматизированного контроля технологического процесса наложения пористой изоляции. Выявлены основные требования, предъявляемые к аппаратно-программному обеспечению при реализации корреляционно-спектрального анализа и косвенных измерений, в том числе и в зависимости от типов изготавливаемых кабелей.

2) Разработана типовая многоуровневая структура системы автоматизированного контроля технологического процесса наложения пористой изоляции с разбиением задач на уровни, учитывающая требования, накладываемые специализированными задачами.

Заключение i / /

В работе получены следующие основные результаты

1) Получены аналитические зависимости оптимальных настроек ПИ-регулятора от параметров объекта с переменным транспортным запаздыванием для нескольких видов интегральных критериев качества.

2) Рассмотрены вопросы применения полученных зависимостей оптимальных настроек регулятора для построения адаптивных и робастных систем управления, обеспечивающих оптимальность локальных систем стабилизации первичных параметров изготавливаемых проводов в условиях широкого диапазона изменения величины транспортного запаздывания.

3) Предложена математическая модель неоднородной среды распространения электромагнитного поля однородной, с относительной диэлектрической проницаемостью, определяемой как средневзвешенное значение относительных диэлектрических проницаемостей по объемам сред, для расчета обобщенных параметров нерегулярных ЬАК-кабелей, а так же проведена оценка адекватности данной модели путем численного моделирования электромагнитного поля нерегулярного ЬАЫ-кабеля.

4) Предложен метод синтеза модифицированного апериодического межконтурного регулятора с корректирующим полиномом для систем, связанных через объект управления, обеспечивающего требуемые характеристики системы управления обобщенным параметром ЬА1Ч-кабеля во временной области.

5) Проведено численное моделирование системы автоматического управления обобщенным параметром ЬАИ-кабеля с модифицированным апериодическим межконтурным регулятором, подтверждающее эффективность введения межконтурного регулятора. Сформулированы рекомендации по использованию данного метода в инженерных расчетах.

6) Проведен анализ специализированных задач систем автоматизированного контроля технологического процесса наложения пористой изоляции. Разработана типовая многоуровневая структура системы автоматизированного контроля технологического процесса наложения пористой изоляции, учитывающая требования, накладываемые специализированными задачами, в том числе и в зависимости от типов изготавливаемых кабелей. Проведено распределение специализированных и общих задач по уровням системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колпащиков, Сергей Александрович, 2004 год

1. Привезенцев В.А., Гроднев И.И., Холодный С.Д. Рязанов И.Б. Основы кабельной техники. М.-Л.: Энергия, 1967. - 464 с.

2. Глебович Г.В., Ковалев И.П. Широкополосные линии передачи импульсных сигналов. М.: Сов. радио, 1973. - 224 с.

3. Ионов А.Д., Попов Б.В. Линии связи: Учеб. пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 1990. 168 с.

4. Ионов А.Д. Статистически нерегулярные оптические и электрические кабели связи. Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. - 232 с.

5. Олссон Г., Пиани Дж. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб: Невский диалект, 2001. - 557 с.

6. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. М;: Наука, 1976.-576 с.

7. Андреев В.А. Временные характеристики кабельных линий связи. — М.: Радио и связь, 1986. 104 с.

8. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-541 с.

9. Белоруссов Н.И., Гроднев И.И. Радиочастотные кабели. Учебное 7 пособие для техникумов. М.: Энергия, 1973. - 328 с.

10. Ефимов И.Е., Останькович Г.А. Радиочастотные линии передачи. Радиочастотные кабели. М.: Связь, 1977. - 408 с.

11. Радиочастотные кабели / Гальперович Д.Я., Павлов А.А., Хренков Н.Н. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.

12. ТУ № 3574-006-001.450.628-01-99

13. Гальперович Д.Я. Открытым системам — открытые проводки// Открытые системы. 1995. №3, С. 70-79.

14. Гальперович Д.Я. Тенденции развития проводки для ЛВС// Сети. 1994. №5, С. 44-51.

15. Иванов В.А., Ющенко А.С. Теория дискретных систем автоматического управления. М.: Наука, 1983. - 336 с.

16. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер с англ. М.: Мир, 1990. - 584 с.

17. Расчёт и проектирование кабелей связи и радиочастотных кабелей/ Под ред. Лариной Э.Т. М.: МЭИ, 1982. - 104 с.

18. Рей У. Методы управления технологическими процессами: Пер. с англ. М.: Мир, 1983.-368 с.

19. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и 2-преобразования. М., 1971.

20. Чостковский Б.К. Алгоритмизация и частотная оптимизация управления процессами производств кабелей связи// Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». Самара, 1998. Вып. 5. С. 28-35.

21. Шварцман В.О. Взаимные влияния в кабелях связи. М.: Связь, 1966.

22. А. с! № 1112314 СССР, G 01 R 27/18/ Устройство для контроля диэлектрической проницаемости изоляции кабельных жил. / Б.К. Чостковский, В.Н. Митрошин, Д.А. Уклейн, A.A. Павлов (СССР). № 3529090; Заявлено 18.06.94; Опубл. 07.09.84, Бюл. № 33, 6 е.: ил.

23. А. с. № 855541, G 01 R 31/00. Устройство для измерения неоднородности волнового сопротивления кабеля. / В.В. Семенов, A.A. Абросимов, В.Н. Митрошин, Б.К. Чостковский (СССР). № 2761244; Заявлено 3.05.79; Опубл. 14.04.81, Бюл. № 30. 4 е.: ил.

24. А. с. № 1446454, G 01 В 7/04. Устройство для измерения длины движущегося изделия. / Б.К. Чостковский, В.К. Тян, Д.А. Уклейн (СССР). № 4274028; Заявлено 1.07.87; Опубл. 22.08.88, Бюл. № 47. 3 е.: ил.

25. Чостковский Б.К., Колпащиков С.А, Чостковский Д.Б. Устройство измерения скорости движущегося кабельного изделия/Патент РФ №218338. Приоритет от 20.10.1999.

26. Чостковский Б.К., Колпащиков С.А. Робастное регулирование непрерывного процесса изготовления длинномерных изделий. // Сб. науч тр. «Математическое моделирование систем и процессов управления». Самара; 1997. С. 39-47.

27. Чостковский Б.К., Попов М.Ф., Бульхин А.К. Методы и средства автоматизированного контроля и управления в технологических процессах производств кабелей связи// Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». Самара, 2000. Вып. 8. С. 50-62.

28. Чостковский Б.К. Алгоритмизация терминального управлений со/вмещенным технологическим процессом изготовления радиочастотных кабелей// Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». Самара, 2002. Вып. 12. С. 33-37.

29. Бульхин А.К. Новые конструкции и технологии производства кабелей на ЗАО «Самарская кабельная компания»// Волга-бизнес. 2002. №1, С. 40-41.

30. Митрошин В.Н. Алгоритмизация и автоматизация процесса наложения пористой изоляции при непрерывном производстве кабелей связи: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара, 1996. - 20 с.

31. Кацеленбаум Б.З. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами. М.: Акад. наук СССР, 1961. - 216 с.

32. Фельдштейн АЛ., Явич JI.P. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. - 388 с.

33. Литвиненко О.Н. Сосиников В.И. Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1964. - 535 с.

34. Бесекерский В.А. Попов Е.П. Теория система автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. — 768 с.

35. Турецкий X. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. — М.: Машиностроение, 1974. 676 с.

36. Отнес Р. Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. — М: Мир, 1982.-288 с.

37. Бендат Дж. Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа: пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 312 с.

38. Рибинер Л. Гоулд Б. Теория и применения цифровой обработки сигналов: пер. с англ. — М.: Мир, 1978. — 848 с.

39. Клейн В. Теория взаимного влияния в линиях связи: Пер. с нем. -М.: Изд. Иностр. Лит., 1959 204 с.

40. Колпащиков С.А. "Самонастраивающаяся система с переменным транспортным запаздыванием" в книге "Всероссийская конференция молодых ученых "Математическое моделирование физико-механических процессов", тезисы докладов, Пермь 1996", стр. 48.

41. Колпащиков С.А. "Построение оптимального согласующего регулятора" в книге "Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов, тезисы докладов, Таганрог 1996".

42. Колпащиков С.А. "Разработка алгоритма управления системами с переменным транспортным запаздыванием" //"Труды студенческого научного общества", Самара 1996, стр. 3-12.

43. Чостковский Б.К., Колпащиков С.А. "Робастное регулирование параметров длинномерных изделий'7/Математическое моделирование систем и процессов управления. Сборник научных трудов. Самара 1997, стр. 34-39.

44. Колпащиков С.А. "Робастное регулирование параметров длинномерных изделий'7/У Международная научно-техническая конференция по динамике технологических систем. Тезисы докладов. Том II. — Ростов-на-Дону 1997, стр. 108-109.

45. Чостковский Б.К. Колпащиков С.А. "Аналитический метод оценивания скорости движущегося кабельного изделия'7/Вестник Самарского государственного технического университета. Выпуск 7. Серия "Физико-математические науки" 1999 г., стр. 199 -201.

46. Миролюбов H.H., М.В. Костенко, M.JL, Левинштейн М.Л., Тиходе-ев H.H. Методы расчета электростатических полей. — М.: «Высшая школа», 1963.-415с.

47. Арутюнян А. «Идеальная» система управления ТЭЦ// Современные технологии автоматизации. 2003, №3, С. 40-43.

48. Усынин С. Опыт создания автоматизированной системы управления взрывоопасным технологическим процессом// Современные технологии автоматизации. 2003, №3, С. 34-39.

49. Бабицкий Л. Автоматизированные системы для блока реагентного хозяйства водопроводной станции// Современные технологии автоматизации. 2001, №1, С. 58-62.

50. Егоров Д. Автоматизированные системы мониторинга и управления водозаборным узлом// Современные технологии автоматизации. 2000, №4, С. 26-31.

51. Починук Н., Сивко И., Пахоменко А. и др. Комплексный подход к решению проблем автоматического увлажнения зерна // Современные технологии автоматизации. 2000, №4, С. 32-39.

52. Гальперович Д.Я., Гречков В.И., Коржаков Т.В., Чостковский Б.К. Сверх проводящие коаксиальные кабелиЮлектросвязь. 1990 №1, с.38-41.

53. Дорезюк Н.И., Попов М.Ф. Радиочастотные кабели высокой регулярности М.¡Связь, 1979. - 104 с.

54. Лазарев С., Рогожкин Е., Захарук Ф. Быстрое преобразование Фурье для обработки сигналов в устройствах автоматизации // Современные технологии автоматизации. 1999. №1, С. 64-66.

55. УТВЕРЖДАЮ Председатель комитета/ по развитию ЗАО «Самарская Кабельная Компания» —^ В.Ф. Кидяев1. АКТо внедрении результатов научно-исследовательских работ

56. Договор №4-235/Д «Разработка, изготовление и внедрение систмы контроля и регистрации параметров МЕЬ-2400», 1999 г.

57. Договор №4-423/Д (16/00) «Автоматизированная система стабилизации диаметра и сертификации экструзионных линий», 2000г.

58. Договор №4-231/Д (42/01) «Разработка и внедрение комплекса регулирования диаметра изолирования изолирования жилы для достижения максимальной скорости путем путём ее оптимизации на линиях МЕЬ-2400»* 2001г.

59. Договор №3-500/Д (376/02) «Разработка и внедрение системы контроля технологических параметров процесса наложения пластмассовых оболочек на линии ЛГТК-1200/ГФЗ», 2002г.

60. Эффект от внедрения систем состоит в экономии материалов при серийном производстве кабелей, увеличении производительности технологического оборудования, улучшения частотных характеристик выпускаемых кабелей.I