Разработка и исследование микропроцессорных систем управления электротехнологических процессов с улучшенными технико-экономическими показателями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Цагараева, Фатима Осченовна

• Цагараева, Фатима Осченовна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Цагараева, Фатима Осченовна

Введение.

1. Общие особенности электротехнологических систем и 8 требования к источникам питания.

1.1. Анализ электротехнологических систем.

1.1.1. Электрогальванотехнологии.

1.1.2. Системы для заряда-разряда аккумуляторных батарей.

1.1.3. Электро-химическая размерная обработка.

1.1.4. Электро-физические системы сварки.

1.5. Электролиз металлов и неорганических соединений.

1.2. Источники питания электротёхнологических установок.

1.3. Сравнительная характеристика требований к источникам питания ЭТС.!.

Выводы.

2. Системы управления низковольтными сильноточными источниками питания для электротехнологий.

2.1. Классификация и принципы построения СУ низковольтными глубокорегулируемыми ИП ЭТС со специальными формами тока.

2.2. Использование микропроцессорной техники для управления

ЭТС в реальном масштабе времени.

2.3. Обзор микропроцессорных систем управления вентильными преобразователями.

2.4. Микропроцессорная система управления вентильными преобразователями со специальными формами тока.

Выводы.

3. Исследование и математическое моделирование сложных многомерных многофункциональных систем.

3.1. Применение метода переменных состояний для анализа процессов в электротехнологических системах.

3.2. Моделирование элементов энергообеспечения электротехнологических установок.

3.3. Моделирование параллельной работы источников питания на общую нагрузку.

3.4. Влияние физических параметров нагрузки на

- технологические процессы.

Выводы.

4. Разработка автоматизированных микропроцессорных систем управления для электротехнологий.

4.1. Концепция реализации микропроцессорных систем 88 управления для электротехнологий.

4.2. Автоматизированные системы управления электротехнологическими системами.

4.2.1. МПСУ ТП с источником питания на основе двухполупериодного вентильного преобразователя.

4.2.2. Управление двухполупериодными преобразователями

4.2.3. МПСУ ТП гальванопокрытия с трехфазным вентильным . преобразователем.

4.2.4. МПСУ ТП гальванопокрытия с трехфазным инвертором напряжения.

4.3. Двухуровневая система управления для электротехнологий.

4.4. Программное обеспечение систем реального времени.

4.5. Структурный синтез и оптимизация МПС ЭТС.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 развязку; допускать 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 включений; позволять 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 управления; выявления 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 состояний; решение 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 исследований; результатами 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.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Цагараева, Фатима Осченовна

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 ЭТС; критерий 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 аппаратно- программный 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Цагараева, Фатима Осченовна, 1999 год

1. Плеханов И.Ф. Расчет и конструирование устройств для нанесения гальванопокрытий. - М.: Машиностроение, 1988.

2. Бондаренко H.H., Братолюбов В.Б. Низковольтные преобразователи для гальванотехники и электрохимических станков. М.: Энергоатмиздат, 1987.

3. Богеншютц А.Ф., Георге У. Электролитическое покрытие сплавами. (Перевод с немецкого.) М.: Металлургия, 1980.

4. Вирбилис С. Гальванотехника для мастеров. Справочник под ред. Иванова. М.: Металлургия, 1990.

5. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. Л.: Машиностроение, 1972.

6. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник: в 2 т. под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985.

7. Зорохович А.Е. и др. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей. -М.: Энергия, 1975.

8. Фурсов С.П. Зарядные устройства. Кишинев, Штиница, 1985.

9. Варыпаев B.H., Дасоян М.А., Никольский В.А. Химические источники тока. М.: ВШ, 1990.

10. Ю.Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: CP, 1978.

11. Дасоян М.А. Химические источники тока. Л.: Энергия, 1969.

12. Пагиев К.Х. Исследование и разработка полупроводниковых низковольтных источников постоянного тока (для гальванотехнологий). // Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., Владикавказ, 1993.

13. Полупроводниковые выпрямители. Под ред. Ф.И. Ковалева, Г.П. Мостко-вой, М.: Энергия, 1967.

14. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела. М.: ВШ, 1991.

15. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Б.Е. Патона. -М.: Машиностроение, 1974.

16. Электрохимические методы повышения долговечности деталей машин. Под ред. H.A. Марченко. Киев, Техника, 1969.

17. П.Румянцев Е.М., Давыдов А.Д. Технология ЭХО металлов. М.: ВШ, 1984

18. Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование. JL: Машиностроение, 1987.

19. Практикум по прикладной электрохимии. Под ред. Кудрявцева В.Н., Ва-рыпаева В.Н. JJ.: Химия, 1990.

20. Розанов Ю.К. Основы силовой ГГТ. М.: Энергия, 1979.

21. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. М.: Элат, 1987.

22. Фиошин М.Я. Успехи в области электросинтеза неорганических соединений. М.: Химия, 1974.

23. Якименко JI.M., Серышев Г.А. Электрохимический синтез неорганических соединений. М.: Химия, 1984.

24. Энергетическая электроника. Справочное пособие под ред. Лабунцова В.А. (перевод с немецкого). М.: Энат, 1987.

25. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. М.: ВШ, 1982.

26. Дюргеров Н.Г. и др. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. М.: Энат, 1985.

27. Герасименко A.A., Микиток В.И. Определение параметров электрохимических процессов осаждения покрытий. -М.: Металлургия, 1980.

28. Короленко Н.К. Источники и регулирование тока в цехах электрохимической обработки металлов. М.: Энергия, 1964.

29. Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. Под ред. Попилова Л.Я. Д.: Машиностроение, 1972

30. Микропроцессорные системы в электроэнергетике. Стогний Б.С. и др. -К., Н.Д., 1988.

31. МП в химической промышленности. Под ред. Батырева Р.И. М.: Химия,1988.

32. МП АСР. Основы теории и элементы. Под ред. Солодовникова B.B. М.: ВШ, 1991.

33. Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Ремизевич Т.В., Пагиев К.Х. Одноканальное цифровое управление вентильными преобразователями. Электричество,1989, №3, с. 31-35.

34. Чаплыгин Е.Е. Фазовое управление вентильным преобразователем на базе восьмиразрядного МП. Электричество, №9,1990.

35. Чаплыгин Е.Е., Бруякина З.В. Микропроцессорное управление выпрямителем с параметрической обратной связью. Электричество, №2,1994.

36. Булатов О.Г., Чаплыгин Е.Е. Параметрическое микропроцессорное управление вентильными преобразователями. Электротехника, №9, 1994, с. 4953.

37. Кошевой Н.Д., Михайлов А.Г. Микропроцессорная система для контроля и управления параметрами гальванической металлизации изделия. Приборы и системы управления, № 4,1995.

38. Чаплыгин Е.Е. Микропроцессорные модуляторы фазы вентильных преобразователей. Электротехника №8-9,1992.

39. Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. М., Радио и связь, 1997.

40. Цагараева Ф.О., Пагиев К.Х. Система управления непосредственным преобразователем частоты // Применение полупроводниковых приборов в преобразовательной технике. Чебоксары: ЧТУ. 1983. с. 105-110.

41. Цагараева Ф.О., Бизиков В .А. Управление группой регулируемых источников от ДВК. Состояние и перспективы автоматизации производственных процессов в цветной металлургии. // Тезисы докладов, Орджоникидзе, 1989.

42. Бизиков В.А., Пагиев К.Х., Бидеев Г.А., Цагараева Ф.О. Ваниев И.З. Разработка и внедрение системы вторичного электропитания цеха гальванопокрытий. Орджоникидзе. 1988.

43. Цагараева Ф.О. Об использовании системных средств для управления периферийными устройствами. Электронные приборы и системы в промышленности. // Тезисы докладов. 1994.

44. Цагараева Ф.О. Особенности разработки программ-мониторов для микропроцессорных систем управления. // Тезисы докладов НТК, Владикавказ, 1995.

45. А.с СССР №1428936. Автоматические конвейерные весы. Ф.О. Цагараева, В.М. Бушуев, Шепелева О.В. Открытия, изобретения, №37,1988.

46. Цагараева Ф.О. Управление экраном с помощью ANSI драйвера. Электронные приборы и системы в промышленности. // Тезисы докладов, 1994.

47. Пагиев К.Х., Цагараева Ф.О. Анализ характерных особенностей источников питания многофункциональных систем в электротехнологиях. // Труды СКГТУ, выпуск 5, 1998.

48. Григорьев B.JI. Программирование однокристальных микропроцессоров. -М.: Энергоатомиздат, 1987.

49. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

50. Рафикузаман М. Микропроцессоры и машинное проектирование микропроцессорных систем. М.: Мир, 1988.

51. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988.

52. Васильев A.C., Гуревич С.Г., Иоффе Ю.С. Источники питания электротермических установок. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

53. Микро-ЭВМ. Учебные стенды, (под ред. Преснухина.) М.: Высшая школа, 1988.

54. Кафаров В.В., Макаров В.В. Гибкие автоматизированные производственные системы в химической промышленности. М.: Химия, 1990.

55. Горбатов В.А., Кафаров В.В., Павлов П.Г. Логическое управление технологическими процессами. М.: Энергия, 1978.

56. Горбатов В. А. Фундаментальные основы дискретной математики. М.: Наука - Физматлит. 1999.

57. Пагиев К.Х. Теория и практика автоматизированного проектирования систем логического управления энергосберегающими технологиями. // Дис. д.т.н., М.: 1996.

58. Дьяконов В.П., Справочник по MathCAD+7.0 PRO. М.: 1998.

59. MathCAD 6.0 PLUS: Руководство пользователя. (Пер. с англ.) М.: Фи-линъ, 1996.

60. Маевский O.A. Энергетические показатели вентильных преобразователей. М.: Энергия, 1978.

61. Пагиев К.Х. Двухуровневая многопроцессорная система управления технологическими процессами, в сб. Информационные процессы, технологии, системы, коммуникации и сети. М.: 1995.

62. Хоровиц П., Хцлл У. Искусство схемотехники, том 2, М.: Мир, 1993.

63. Чуа JI.O., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем. М.: Энергия, 1980.

64. Рей У. Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983.

65. Пагиев К.Х. Проектирование систем логического управления гальванопроцессами. Владикавказ, Терек, 1996.

66. Горбатов В.А., Смирнов М.И., Хлытчиев И.С. Логическое управление системами с распределенными параметрами. М.: Энергоиздат, 1991.

67. Дедегкаев А.Г., Моураов А.Г. Реализация алгоритма управления технологическим процессом гальванопокрытия. // Сборник научных трудов СКГТУ, Владикавказ, 1995.

68. Писарев А.Л., Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями. М.: Энергия, 1975.

69. Силовая электроника. Примеры и расчеты. М.: Энергоатомиздат, 1982.

70. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры INTEL MCS-196/296. // Руководство по применению. М.: Эком, 1997.

71. Лазарев В.Г., Пийль Е.И., Турута E.H. Построение программируемых управляющих устройств. М.: Энергоатомиздат, 1984.

72. Варламов И.В., Касаткин И.Л. Микропроцессоры в бытовой технике. -М.: Радио и связь, 1989.

73. Зобнин Ю. Однокристальные микроконтроллеры семейства MCS-196 фирмы INTEL. Инженерная микроэлектроника. № 1,1998.

74. Войтик М.С. Низковольтные тиристорные стабилизированные выпрямители. М.: Энергия, 1978.

75. Ицкович Особенности МП ПЛК разных фирм и их выбор для конкретных объектов. Приборы и системы управления. №8, 1997.

76. Система контроля температуры металлургической цепи. Современные технологии автоматизации. №2.1998.125

77. Новая версия Trace Mode -5 для WINDOWS-NT. Современные технологии автоматизации. №3. 1998.

78. Гомон JI. В., Муранов С.В. Униконт перспективная система контроллеров для создания АСУТП. Цветная металлургия №11, 1996.

79. Шагурин И. Архитектура и функционирование микроконтроллеры семейства 68НС705. СШР NEWS. №3,1999.

80. Григорьев О.П. и др. Тиристоры. Справочник. М.: Радио и связь,1990.

81. Полупроводниковые приборы. Зарубежные интегральные микросхемы: Справочник. М.: КУбК-а. 1996.

82. Пустоваров В.И. Ассемблер в программировании информационных и управляющих систем. М.:ЭНТРОП, 1997.