Комплексная автоматизация процесса производства алюминиевых профилей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет

Факультет Химической технологии и техники

Кафедра Автоматизации производственных процессов и электротехники

Пояснительная записка к дипломному проекту

на тему: Комплексная автоматизация процесса производства алюминиевых профилей

Минск 2011

Введение

Разработка и внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами являются основной тенденцией развития современного промышленного производства.

Цели автоматизации -- повышение эффективности и производительности труда, повышение качества продукции, оптимизация планирования и управления, освобождение человека от работы во вредных условиях.

Автоматизация приводит к улучшению основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий (производство организуется под открытым небом), удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

Комплексная автоматизация процессов (аппаратов) химической технологии предполагает не только автоматическое обеспечение нормального хода этих процессов с использованием различных автоматических устройств (контроля, регулирования, сигнализации и др.), но и автоматическое управление пуском и остановом аппаратов для ремонтных работ в критических ситуациях.

В дипломном проекте рассматривается модернизация процесса производства алюминиевых профилей. Необходимость модернизации вызвана требованием более точного управление процессом нагрева заготовок в контейнере и уменьшением влияния внешних факторов на процесс.

Разработанный проект содержит девять разделов пояснительной записки и восемь чертежей графического материала.

В разделах рассматривается анализ систем автоматизации процесса производства алюминиевых профилей; разработка математической модели процесса управления; синтез системы автоматического управления процессом; разработка схем автоматизации процесса синтеза; спецификация оборудования и материалов; мероприятия по монтажу, эксплуатации и диагностике; энерго- и ресурсосбережение; мероприятия по охране труда и безопасности жизнедеятельности; экономические расчеты.

В графической части дипломного проекта показаны: схемы автоматизации; основные расчетные соотношения математической модели процесса; синтез проектируемой системы управления; результаты экономических расчетов.

1. Анализ систем автоматизации технологического процесса

1.1 Краткое описание технологии производства алюминиевого профиля

Алюминиевый профиль изготавливается из сплавов марок EN AW-6060, EN AW-6063, или иных сплавов в соответствии с требованиями заказчика.

Для предприятий, производящих электротехническое оборудование (трансформаторы, электротехнические шкафы и распределительные щиты и т.д.), завод начал производство шины электротехнической по [29] из сплавов марок АД31, АД0.

Сегодня на основе собственных разработок предприятие производит ряд алюминиевых профилей под торговой маркой "АЛТ" для солнцезащитных и антимоскитных систем, для светопрозрачных и ограждающих конструкций. Завод имеет производственные мощности и технологические возможности производить и поставлять экструдированные алюминиевые профили по чертежам заказчиков, что очень важно для воплощения в жизнь оригинальных архитектурных решений.

Профили серии ALT120 изготавливаются из сплавов марок EN AW-6060, EN AW-6063, АД31, АД0. Используется первичный алюминий марки А7. Собственное производство позволяет более гибко подходить к пожеланиям заказчиков, учитывать их специфические требования к исполнению каждого изделия и обеспечивать выполнение любого, даже нестандартного заказа в кратчайшие сроки.

Производство профилей в рассматриваемом цехе начинается с подвоза слитков. Подвоз слитков из литейного цеха осуществляется автотранспортом, а внутрицеховое перемещение - с помощью мостового крана грузоподьёмностью 10 т.

После контроля качества поверхности слитков, производится их нагрев в газовой печи до температуры 480 - 500 ^оС с последующей резкой на мерные длины.

После нагрева производится прессование на гидравлическом прессе усилием 1800 МT.

Вышедший из пресса профиль задаётся в губки тележки линии натяжения с помощью предварительного механизма подъёма, установленного на передвижной платформе и перемещается до упора, установленного на определённом в зависимости от длины профиля расстоянии.

Затем происходит передача профиля с приёмного стола на шаговый поперечный транспортёр - холодильник, на котором изделие охлаждается до 30 ^оС. Для охлаждения профиля вдоль выходной линии пресса установлены вентиляторы.

Охлаждённый профиль поступает на линию правильно - растяжной машины усилием 1 МН. Выправленный профиль поступает на линию резки, по которой перемещается к дисковой пиле. Профиль, порезанный в меру, проходит контроль, а затем укладывается в корзину. Корзина с профилем поступает далее на термическую обработку.

1.2 Описание технологических режимов работы по производству алюминиевых профилей

Технология производства профилей из алюминиевого сплава АД31 включает следующие операции [1]:

1. подвоз слитков

2. нагрев слитков

3. рубка в меру

4. прессование

5. закалка

1. Изготовление заготовок

Слитки отливают полунепрерывным методом в водоохлаждаемый кристаллизатор в виде столбов длиной 5 - 6 метров. Такие слитки (столбы) имеют неровную поверхность с разными загрязнениями, ликвационными наплывами, и т.д. Для удаления некачественной поверхности слитки обтачивают и подвергают гомогенизации.

Полученные слитки должны отвечать требованиям [30]. Поверхность слитков после обточки должна быть чистой. На поверхности не допускаются раковины, трещины, надрывы, шлаковые и другие неметаллические включения. Шероховатость обработанной поверхности должна быть не менее 80 мкм.

2. Нагрев слитков производится в проходной газовой печи. Слитки - столбы перемещаются в продольном направлении через печь. Печь снабжена горелками, струи горячего газа направлены непосредственно на поверхность нагреваемого металла. За счёт этого увеличивается скорость нагрева и снижается расход газа. Слитки - столбы перемещаются по направляющим цепным толкателям.

3. Пресс рубки столбов установлен на выходе из газовой печи. Рубку производят сдвигом в штампах с подвижными кольцевыми зажимами. Нагретый слиток из газовой печи подаётся через раскрытые кольцевые зажимы штампов до ограничителя хода, положение которого регулируется фотоэлементом в зависимости от длины заготовки. Под действием цилиндров зажимается слиток по обе стороны от плоскости зева. Рабочий цилиндр ножа перемещается вниз и производит отделение заготовки от слитка - столба. Кольцевые зажимы раскрываются, и заготовка толкателем выдвигается на призму пресса. С призмы заготовка передаётся в лоток цепного транспортёра для перемещения на податчик. Рабочий цилиндр возвращается в исходное положение и противоположным толкателем слиток столб возвращается в газовую печь.

4. Нагретая заготовка загружается в контейнер пресса усилием 1800МТ, после чего производится прессование.

На рисунке 1 представлена типовая конструкция современного горизонтального гидравлического пресса для прямого прессования профилей из алюминиевых сплавов.

Рисунок 1 -- Схема горизонтального гидравлического пресса прямого действия для прессования профилей из алюминиевых сплавов

1 - рабочий (основной) цилиндр; 2 - задняя поперечина; 3 - пресс-штемпель; 4- колонны; 5 - контейнер; 6 - устройство перемещения матрицедержателя; 7 - устройство для отделения пресс-остатка; 8 - передняя поперечина; 9 - матрицедержатель (салазки); 10 - наклонные направляющие; 11 - контейнеродержатель;12 - цилиндры перемещения контейнера; 13 - подвижная поперечина; 14 - цилиндры двойного хода

Основные узлы пресса - станина, подвижная поперечина 13, рабочий цилиндр 1, контейнеродержатель 11 с контейнером 5, цилиндры перемещения контейнера 12, салазки 9 и устройство для отделения пресс-остатка 7. Станина состоит из неподвижных передней 8 и задней 2 поперечин, соединенных колоннами 4 в жесткую раму, образующую замкнутый силовой контур пресса. На задней поперечине смонтирован рабочий цилиндр 1 и цилиндры двойного хода 14, служащие для быстрого перемещения подвижной поперечины. На передней поперечине 8 со стороны контейнера расположен стол, по которому с помощью цилиндра 6 перемещается салазки 9, а также устройство для отделения пресс-остатка 7. Подвижная поперечина (прессующая траверса) 13 служит для передачи усилия от рабочего цилиндра к прессуемой заготовке через закрепленный на ней пресс-штемпель 3 и связана с плунжерами рабочего цилиндра 1, цилиндрами двойного хода 14 и цилиндрами перемещения контейнера 12. Подвижная поперечина перемещается по наклонным направляющим 10 колонн 4. Полное усилие прессования создается рабочим (главным) цилиндром 1 и двумя цилиндрами двойного хода 14. Основное назначение последних обеспечивать ускоренный холостой ход вперед прессующей траверсы и отвод ее после прессования.

Матрицедержатель выполнен в виде салазок 9 с поперечным перемещением по направляющим стола, закрепленного на передней поперечине пресса 5. Он имеет две позиции для размещения матричного комплекта и передвигается для размещения последнего при помощи гидравлического цилиндра 6. Такая конструкция матрицедержателя позволяет производить смену матриц, очистку, смазку и контроль формы ее рабочего канала без остановки процесса прессования. Устройство для отделения пресс-остатка выполнено в виде ножа, который крепят с внутренней стороны передней поперечины пресса. Устройство производит рабочий ход после отвода контейнера от матрицы.

Технологические операции производятся в следующей последовательности. В исходном положении перед подачей нагретой заготовки прессующая траверса с прессштемпелем максимально удалена от контейнера. Заготовку специальным механизмом подают на ось пресса в зазор между прессштемпелем и торцом контейнера. При холостом ходе подвижной поперечины вперед пресс-штемпель заталкивает заготовку в контейнер, после чего подающий механизм возвращается в исходное положение, освобождая пространство для дальнейшего движения подвижной поперечины. При последующем движении пресс-штемпеля после прижатия контейнера к матрице происходит распрессовка (заготовка осаживается так, что ее диаметр становится равным внутреннему диаметру контейнера) и выпуск воздуха из зазора между заготовкой и контейнером. Затем производится собственно процесс прессования. Прессование идет до тех пор, пока длина пресс-остатка не достигает заданной величины, после чего подвижную поперечину останавливают. Для удаления пресс-остатка контейнер отводят от матрицы, тогда освобождается пространство для прохода ползуна ножа и отбойника пресс-остатка. Движением ножа пресс-остаток отделяют от изделия, после чего он скатывается по желобу в приемник, а ползун ножа возвращается в исходное положение. Одновременно с операциями отделения пресс-остатка от изделия происходит возвращение прессштемпеля в крайнее заднее положение и загрузка следующей заготовки в контейнер пресса, т.е. начинается следующий цикл прессования.

Привод гидравлических прессов состоит из следующих основных элементов: источников жидкости высокого давления (насосов), системы управления - распределительных и регулирующих устройств, приемников жидкости (баков), аккумуляторов, трубопроводов с арматурой и рабочей жидкости. В прессах получили распространение гидравлические приводы двух типов: насосный (насосный безаккумуляторный) и от насосно-аккумуляторной станции. При насосном безаккумуляторном приводе рабочую жидкость высокого давления подают в цилиндры пресса непосредственно от насосов. Подача жидкости насосами должна соответствовать скорости плунжеров гидроцилиндров. Давление, развиваемое насосами, соответствует давлению на плунжер. Установочная мощность насосов определяется максимальным усилием пресса и наибольшей скоростью прессования. Таким образом, насосный привод расходует энергию, пропорциональную полезной работе, совершаемой прессом.

При насосно-аккумуляторном приводе рабочую жидкость высокого давления подают в цилиндры пресса от аккумулятора, который накапливает ее во время технологических пауз и холостых ходов и питает цилиндры пресса в период цикла, когда расход жидкости высокого давления превышает подачу насосов. Применение аккумулятора обеспечивает более равномерную загрузку насосов в течение рабочего цикла и снижает их установочную мощность.

Гидравлическая установка состоит из следующих основных частей:

- система высокого давления;

- вспомогательная система и аккумуляторные станции;

- система охлаждения и фильтрации масла;

- бак (резервуар);

- клапан наполнения;

- распределительные блоки;

- трубопроводы.

Кроме того, установка снабжена вспомогательной оснасткой, необходимой для ее правильного функционирования и контроля - имеет фильтры, термометры, манометры, реле давления, впускные клапаны и т.д.

Система высокого давления включает в себя:

- основные насосы (2 шт.);

- насос закрытия контейнера.

Насосы и двигатели устанавливаются на уровне пола.

Маслостанция допускает неполную работу насосов по установленному расходу, когда будет достигнуто максимальное рабочее давление, во избежание нежелательного сброса масла через предохранительные клапаны. Система спроектирована таким образом, чтобы обеспечить функционирование пресса и прессование с пониженной скоростью, если основной насос не работает из-за технического обслуживания или аварии.

Насос высокого давления применяется для закрытия и прижима контейнера к матричному комплекту во время прессования.

Вспомогательная система включает в себя:

насос (рабочее давление 180 бар, расход - до 130 л/мин, потребляемая мощность 45 кВт);

группа аккумуляторов (в состав которой входит 2 поршневых аккумулятора и 4 баллона с азотом);

основной клапан;

основной клапан сброса давления;

приводной насос с клапаном сброса давления во время фазы запуска.

Система охлаждения и фильтрации масла представляет собой независимую линию, по которой через фильтр и водяной теплообменник постоянно циркулирует заданное количество масла, которое затем перекачивается в бак насосом с постоянным расходом. Расход воды, которая подается в теплообменник, регулируется термостатическим клапаном, поддерживающим температуру масла менее 50 градусов, даже когда пресс работает непрерывно с максимальным давлением.

Главный бак, содержащий основное количество масла (около 4000 литров), устанавливается над основным цилиндром. Он имеет соответствующие диафрагмы, которые препятствуют излишнему перемешиванию масла и образованию пены при работе с максимальными скоростями. Для обеспечения выхода воздуха над баком расположены соответствующие противопыльные фильтры. Ряд постоянных магнитов, установленных около входного коллектора насосов, обеспечивает улавливание металлических частиц.

Распределительные блоки с логическими элементами выполняют следующие управляющие функции:

- распределение масла насосов по отдельным схемам;

- движение основного и боковых цилиндров;

- перемещение контейнера и герметичность;

- движение ножниц для резки пресс-остатка;

- движение механизма замены матричного комплекта;

- работа погрузчика заготовок.

Управление приводом цилиндров низкого давления осуществляется с помощью электроклапана. 5. Выходящий из канала матрицы профиль проходит через охлаждающее устройство, попадает на выходной регулируемый стол пресса. Происходит дальнейшее продвижение профиля по выходному столу пресса при помощи тянущего устройства. При достижении профилем определённой длины происходит его отделение от пресс-остатка на пиле горячей резки.

Интенсивное охлаждение позволяет провести закалку пресс-изделия. Целью закалки является насыщение твёрдого раствора легирующими элементами и фиксация полученного состояния сплава.

Выходной регулируемый стол пресса предназначен для поддержания профилей способных к провисанию из-за высоких температур.

Система двойного пуллера (тянущего устройства) состоит из двух параллельно расположенных пуллеров. Каждый пуллер оборудован электроприводом. Пуллеры работают таким образом, что во всех случаях обеспечивают возврат к прессу пуллера № 1. Пуллеры могут двигаться в двух направлениях по рельсовому пути. Пуллер № 1 губками зажимает прессующийся профиль и начинает двигаться вместе с профилем. После отделения плети пилой горячей резки, пуллер продолжает сопровождать профиль. Второй пуллер высвободив отпрессованный профиль для передачи на стол - холодильник, возвращается к первому и губками перехватывает профиль, первый пуллер высвобождает его и возвращается к прессу в исходное положение, обеспечивая готовность.

После отделения от пресс-остатка и закалки профили с помощью съёмника поступают на поперечный шаговый транспортёр - холодильник, на котором они охлаждаются перед подачей в правильно - растяжную машину.

1.3 Анализ процесса прессования алюминиевых профилей

На прессовом участке «АЛЮМИНТЕХНО» установлены прессовые линии на базе горизонтального гидравлического короткоходового пресса COMETAL усилием 1800-2000 MT с задней загрузкой слитка [5].

Линия по производству профилей состоит из: гидравлического пресса, гидробака, поршневых насосов, матрицы формирования профиля, контейнера нагрева перемещающейся заготовки, пуллера натяжения, пуллера-пилы и.т.д

Заготовка длинной L=700мм предварительно обработанная поступает для дальнейшей обработки в контейнер нагрева где должны поддерживаться следующие параметры: с последующей резкой на мерные длины.

После нагрева производится прессование полунепрерывным методом на гидравлическом прессе усилием 1800 МT. Заготовка с помощью пресс-штемпеля подается в контейнер, где подерживается температура . Регулирование скорости пресс-штемпеля и прижима контейнера к матрице осуществляется с помощью масла, которое подается от гидробака тремя поршневыми насосами, подключенные к двигателям , , . Пресс-штемпель перемещается со скоростью . Масло отработанное циркулирует обратно в гидробак, где предварительно охлаждается с помощью теплообменника. В гидробаке поддерживается определенная температура и уровень масла L=3м. Вслучаи когда масло поступает в поршневые насосы с завышенной температурой, закрывается клапан и включается насос, с помощью двигателя , который подает обратно масло на охлаждение в теплообменник. После того когда заготовка попадает в контейнер, контейнер с помощью давления прижимается к матрице. После этого заготовка продавливается через матрицу с определенной скоростью. Температура контейнера и втулки должна соответствовать температуре матрице ) для формирования определенных геометрических качеств профиля. Температура низа и верха контейнера поддерживается с помощью природного газа и воздуха. Газ поступает в контейнер с помощью компрессора который подключен к двигателю . А воздух с помощью компрессора который подключен к двигателю . Система управления прессом снабжена системой изотермического прессования. Для этого температура профиля, который выходит из матрицы , должна соответствовать температуре контейнера и матрицы. Далее происходит отделение прессостатка с помощью ножа. При производстве профилей на выходе из пресса устанавливают тянущее устройство - пуллер. Пуллер представляет собой механизм, перемещающийся вдоль приемного стола по балке над ним либо на тележке, и снабженный захватами для удержания пресс-изделий. Тянущее усилие, создаваемое пуллером невелико и составляет порядка 0,1% от номинального усилия пресса.

Пуллер включен в автоматизированную систему управления прессом и останавливается во время остановки пресса при загрузке заготовки и окончании прессования профиля.

Как правило, пресс снабжен двумя пуллерами, работающими согласовано с пилой горячей резки. Когда производится резка в точке сварки, один из двух пуллеров находится в режиме ожидания около пилы, готовый захватить новый профиль, другой - возвращается из крайнего переднего положения. Всю точность работы пуллеров: вытягивание профиля на определенное расстояние, обеспечивается с помощью следящего привода. В состав следящего привода входит: двигатели ( и ) подсоединенные к преобразователям частоты и два инкрементальных энкодера. Перемещение пуллера пилы и пуллера натяжения обеспечивается с помощью цепи, которая через редуктор подсоединена к двигателям и . Профили с помощью пуллеров вытягиваются на 50 м. При вытяжке профилей на транспортере установлены вентиляторы, которые подключены к двигателю . Охлаждение профиля может происходить с заданной частотой вращения вентиляторов.

Отрезанные профили с выходного стола передаются в поперечном направлении на холодильник, представляющий собой систему с шагающими балками либо транспортерными лентами.

После охлаждения профили правятся на растяжной машине. Машина имеет обычно стационарную часть, оборудованную гидроцилиндрами для зажима профиля и для осуществления рабочего хода при растяжении, а также подвижную часть (оборудованную только механизмом для зажима профиля), перемещающуюся вдоль холодильника при изменении длины профиля. Уровень установленный на передней части бака, он должен не превышать отметки MAX, при нахождении главного цилиндра в крайнем заднем положении и не доходить до значения MIN при нахождении главного цилиндра в крайнем переднем положении. Выход уровня масла за эти положения приведет к аварийной остановке пресса.

В процессе прессования получаем профиль заданного качества. Для этого существует несколько контуров регулирования параметров это: подержание уровня в гидробаке, стабилизация температуры в гидробаке и в контейнере нагрева заготовок, подержание давления, подержание скорости прессштемпеля.

При построении систем автоматизации производственных процессов определяют технологические параметры, подлежащие контролю и регулированию, а так же выявляют точки введения управляющих воздействий и каналы их прохождения по объекту. С этой целью составляют схему взаимных воздействий технологических параметров объекта, выделяют основные и дополнительные каналы прохождения сигнала, а затем выявляют контуры регулирования, компенсирующие колебания технологических параметров на входе аппарата. При необходимости контуры регулирования связывают между собой, и контролируемые величины выбирают так, что бы их число было минимальным, но достаточным для полного представления о ходе протекания технологического процесса.

Исходя из технологической схемы процесса, описанной выше, можно составить схему материальных потоков и их информационных переменных (рисунок 1.1 а).

Рисунок 1.1 -- Анализ процесса производства алюминиевых профилей: а) Схема материальных потоков и их информационных переменных; б) структурная схема САУ как объект управления.

На основании выбранной структуры управления процессом осуществляется проектирование функциональной схемы.

1.4 Особенности существующей системы управления

На этапе прессования для получения профилей европейского уровня реализованы самые современные технологические решения. На СООО "Алюминтехно" используется короткоходовой пресс, заготовка подается между пресс-штемпелем и матрицей в центре контейнера. Такой способ прессования имеет ряд преимуществ: экономит время, уменьшает деформацию и искажение геометрии профилей, расход рабочей жидкости и энергозатраты. Пресс оснащен гидравликой от ведущих европейских компаний. Система управления прессом снабжена системой изотермического прессования. Прессы позволяют изготавливать профиль с толщиной стенки до 0,8 мм.

Эталон уровня производства - использование изотермического прессования. Это постоянная температура прессизделия на выходе из матрицы в течение всего цикла прессования, а также на всех этапах процесса, включая нагревательную печь, заготовку, контейнер и матрицу. Такой процесс происходит при максимально возможной скорости прессования благодаря снижению температуры заготовки и использованию максимального усилия прессования. При этом нагрузка на матрицу остается постоянной.

1.5 Литературный и патентный обзор

Proceedings of the Seventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar,May 16-19, 2000, Chicago, Illinois, USA. Vol 1.[27].

В докладе David Jenista (1, стр. 83) приведено исследование градиентного охлаждения заготовок на линии с прессом усилием 27 МН (диаметр заготовки 254 мм). Охлаждающее устройство было установлено между печью нагрева/ножницами горячей рубки и податчиком пресса. Управление и контроль параметров работы устройства градиентного охлаждения выполнялись оператором пресса. В результате испытаний при прессовании профилей из сплава 6063 скорость прессования увеличилась в среднем на 26,6%, а длительность цикла прессования снизилась на 14,7%. Перепад температур по длине заготовки (660 мм) составлял 50-70 C. Самые лучшие результаты по увеличению скорости прессования (в 2,5 раза) достигнуты при изготовлении профиля из сплава 6061, что позволяет рекомендовать эффективное использование устройства градиентного охлаждения заготовки при прессовании алюминиевых сплавов средней и высокой прочности.

Наконец успешно решен вопрос комплексного контроля температур на всех основных этапах процесса производства прессованных алюминиевых профилей. Многолетние попытки создать промышленную методику и аппаратуру завершились уверенным успехом, что позволило внедрить как системы температурного мониторинга, так и замкнутые системы автоматического управления процессом изотермического прессования. Применение в качестве датчиков температур нового поколения бесконтактных оптических пирометров позволяет использовать, наряду с системами компьютерного моделирования параметров процесса типа - CADEX (Computer Aided Direct Extrusion), системы регулирования по истинным температурам профиля на выходе из матрицы. Главная задача созданных систем - достижение максимальной производительности при гарантированном обеспечении качества изделий.

Proceedings of the Seventh International Aluminum Extrusion Technology Seminar,May 16-19, 2000, Chicago, Illinois, USA. Vol 1. [27].

Замкнутая система изотермического прессования представлена в докладе Jan Ingvorsen (1, стр. 549). Посредством бесконтактного интегрального пирометра, работающего в диапазоне инфракрасного излучения, измеряется температура прессуемого профиля на минимальном расстоянии от матрицы. При изменении температуры от установленной дается команда на регулятор скорости через систему контроля процесса.

Фундаментальное различие между обычным и изотермическим прессованием можно увидеть на схематической диаграмме прессования, представленной на рисунке 1.2 :

Рисунок 1.2 -- Предельная температура прессования

Обычное прессование описывается горизонтальной линией. (Рисунок.1.2). Если нет градиента температур на заготовке, то в процессе прессования температура профиля будет увеличиваться. Для того, чтобы избежать перегрева прессизделия на выходе из очка матрицы, и, как следствие, получения дефектной поверхности, оператор устанавливает постоянную невысокую скорость прессования.

При изотермическом прессовании температура профиля измеряется бесконтактным интегральным пирометром, работающим в диапазоне инфракрасного излучения. При отклонении температуры от установленной поступает команда на регулятор скорости прессования через систему контроля процесса.

На Рисунок.1.3 схематично показано сокращение времени прессования за счет реализации изотермического процесса. Использование замкнутой системы изотермического прессования, например, на прессе усилием 25 МН при прессовании профилей из сплава 6063 позволило увеличить выпуск продукции на 12%. Авторы оценивают возможное среднее увеличение выпуска продукции на 8-10% и снижение отходов на 2-3%.

Рисунок 1.3 -- Традиционное 1,Изотермическое 2 прессование

1.6 Требования к структуре и качеству поверхности профилей

Следует отметить, что нормальной практикой является производство алюминиевых профилей с точностью размеров поперечного сечения в десятые доли миллиметра. В некоторых редких случаях требования стандартов не могут быть выполнены и, чтобы выйти из этой ситуации, необходимо изменение формы профиля либо его механическая обработка после прессования.

Если в каких-либо случаях нет необходимости в точном выполнении стандартов, для оценки уровня отклонений геометрических размеров профиля в таблице 1.1:

Таблица 1.1 -- Допустимые геометрические размеров в профиле

Размеры	Отклонения
Линейные размеры поперечного сечения профиля	1%
Толщина стенки	10%
Прямолинейность (стрела прогиба)	1 мм длину профиля (м)
Угол скручивания	1 длину профиля (м)
Поперечная кривизна (плоскостность)	0,01 размер сечения (мм)

На поверхности профилей не должно быть трещин, расслоений, неметаллических включений, коррозионных пятен и раковин.

На лицевой поверхности профиля нормальной и повышенной точности, указываемой на чертеже, не допускаются механические повреждения, плены, пузыри глубиной более 0,07 мм, продольные следы от матрицы глубиной более 0,03 мм, а также поперечные следы от матрицы, образующиеся при остановке пресса.

На остальной поверхности профилей не допускаются механические повреждения, вмятины, забоины, плены, пузыри глубиной, превышающей половину минусового поля допуска на толщину стенок и полок, риски, царапины, потертости, продольные следы от матриц глубиной более 0,15 мм.

На лицевой поверхности профиля особой точности, указываемой на чертеже, не допускаются механические повреждения, плены, пузыри глубиной более 0,01 мм, продольные следы от матрицы глубиной более 0,005 мм, а также поперечные следы от матрицы, образующиеся при остановке пресса.

Волнистость полок и стенок не должна быть более 1 мм для профилей нормальной точности, 0,5 мм для профилей повышенной точности и 0,25 мм для профилей особой точности. Шаг волны должен быть не менее 1 м. При значении волнистости до 0,2 мм включительно шаг не лимитируется.

Проверке качества поверхности подлежит каждый профиль.

На качество поверхности профилей оказывают влияние следующие параметры процесса прессования :

длина пресс-остатка;

соотношение температур контейнера и заготовки;

скорость прессования;

конструкция матрицы (высота перемычек и сварочной камеры, размеры форкамеры);

интенсивность охлаждения после прессования.

1.7 Критический анализ существующей системы

В отличие от прессования сталей и медных сплавов, прессуемых с относительно высокими скоростями деформации, при прессовании алюминиевых профилей из-за низких скоростей прессования (<25 мм/с) пренебрежение изменением температуры металла вследствие теплопроводности может привести к серьезным погрешностям. Поэтому в расчете температурного поля в деформируемом сплаве необходимо учитывать изменение температуры за счет теплопроводности прессуемого металла и его теплообмена с инструментом [1].

Критической температурой в процессе прессования является температура металла, выходящего из матрицы. Она повышается, если количество тепла, выделяющееся от деформации и трения, превышает потери тепла, и понижается, если справедливо обратное. Для теплопроводности требуется определенное время и, поэтому, в зависимости от сплава и условий прессования, при скорости перемещения прессштемпеля, превышающей определенную величину, преобладает генерирование тепла. Это объясняет изменение температурного поля по длине прессуемого изделия в зависимости от скорости прессштемпеля.

Температура прессизделия оказывает влияние на качество изделия и срок службы матрицы. Что касается качества изделия, температура металла на выходе из матрицы влияет на процессы термообработки и стабильность размеров, а также может стать причиной дефектов полученного изделия. Температура металла на выходе из матрицы является также критическим фактором, определяющим срок службы матрицы.

1.8 Требования к системе управления и параметрам, подлежащих контролю, регулированию и сигнализации

Процесс прессования алюминия описан довольно просто. Для производства бесконечного множества двухмерного профиля в традиционных экструзионных прессах через стальные матрицы под высоким давлением опрессовываются заготовки из алюминия и его сплавов. Длина экструдированного профиля зависит от площади его поперечного сечения и объема заготовки. Контрольные параметры зависят от состава прессуемых алюминиевых сплавов и их конечного использования. В дополнение к изменениям параметров, возникающих во время опрессовки каждой заготовки, возникают изменения параметров производственного процесса от заготовки к последующей заготовке на протяжении изготовления каждого столба. Уровень производства обусловлен скоростью, с которой может быть успешно опрессована каждая заготовка. Величина пресс-остатка при прессовании жёстко регламентируется для устранения попадания центральной и боковой пресс-утяжин в пресс-изделие. В настоящее время отсутствуют какие-либо чёткие рекомендации по величине пресс-остатка. Размеры его устанавливаются опытным путём, по эмпирическим зависимостям.

В технологическом процессе прессования, абсолютная точность регулировки и тепловой и физической, безусловно, является критичной. «Почти отрегулирован» - неприемлемое выражение.

- Все компоненты пресса должны быть физически точно центрованы

- Матрица должны быть расположена точно в центре контейнера

- Исходная температура матрицы должна полностью соответствовать температуре сплава, выходящего из контейнера

- Температура втулки контейнера должна оставаться равномерной, снизу доверху, чтобы во время прессования температура заготовки и потока оставалась равномерной.

Физическая центровка пресса

Важность абсолютной физической (механической) центровки пресса не является преувеличением. Например, если матрица не расположена точно в центре контейнера, поток сплава будет идти не равномерно, и профиль будет искажаться.

Основной цилиндр и пресс-шайба должны проходить через контейнер плавно, по прямой и надлежащим образом. Для этого пресс должен быть полностью правильно физически центрован.

Неравномерный износ передней кромки или направляющей фаски пресс-шайбы является первым признаком неправильной центровки, которая влияет на поток сплава, выходящего из контейнера и искажает профиль. К сожалению, если пресс уже был когда-либо сильно изношен, его абсолютная центровка чаще всего бывает невозможной. Поэтому важно, чтобы износ фитингов и прокладок, особенно фитингов направляющих и основного цилиндра, проверялся регулярно.

Неправильная центровка пресса очень коварна потому, что на нее влияет большое количество различных факторов, таких как основание пресса, анкерные болты, пресс-штемпель, устройство загрузки заготовок, устройство замены матриц и т.д. Ни один из этих факторов по отдельности не кажется существенным, но в совокупности они могут привести к наиболее часто встречающейся проблеме в прессовании, центровке пресса.

Ключом к осуществлению надлежащего технического обслуживания центровки пресса является регулярная, детализированная и тщательная проверка

Тепловая регулировка матрицы

Максимальная производительность невозможна пока предварительный нагрев экструзионной матрицы будет проводиться неравномерно при оптимальной температуре эксплуатации. Если температура будет не одинаковой, профиль будет деформироваться. Если температура будет слишком низкой, увеличивающееся давление заготовки на матрицу может деформировать его. Это может привести к изменению геометрии профиля, также как и к увеличению силы трения.

Количество времени необходимое для нагрева матрицы в традиционной печи - несколько часов, однако незавершенный нагрев - это гораздо большая проблема для производителей профиля, чем время на достижение предельной температуры.

Решением данной проблемы чаще всего является установка ряда одноячеечных печей нагрева матриц. В одноячеечной печи каждая матрица нагревается индивидуально полностью до однородной температуры эксплуатации за часть времени, необходимую для нагрева в стандартной печи. Одноячеечные печи обеспечивают надлежащий нагрев матрицы, усилие давления может быть снижено до 10-15%, скорость пресса возрастет, и деформация или повреждение матрицы виртуально исключаются.

Тепловая регулировка контейнера

Когда заготовка движется через контейнер во время прессования, верх контейнера обычно становится более горячим, чем низ. Несмотря на то, что проводимость является основополагающим методом теплообмена внутри контейнера, потеря тепла с низа контейнера увеличивается внутри корпуса контейнера, и это повышает температуру вверху. Поэтому увеличивается мощность потока сверху контейнера в матрицу и соответственно снижается поток внизу. Это может изменять геометрию профиля, но что является еще более важным, это существенно изменит максимальную длину профиля (стола). Разница в 5°С во втулке идентична 1% разницы в длине профиля (стола). Поэтому большим преимуществом является использование тепловой системы контроля, которая может нагревать более холодную зону не зависимо от верхней.

Постоянная однородная температуры сохраняется только в том случае, если контейнер сразу же может корректировать любые изменения в температуре втулки, в том месте и тогда, когда они возникают.

Исходя из анлиза процесса САУ содержит следующие локальные системы стабилизации:

а) скорость прессования;

б) уровень жидкости в резервуаре;

в) температуру масла в резервуаре;

г) температуру в контейнере;

д) отделение прессостатка;

е) давление прижима контейнера;

ж) отделение прессостатка.

После анализа параметры технологического процесса, которые подлежат контролю и регулированию запишем в таблицу 1.2:

2. Разработка математической модели процесса управления

2.1 Анализ технологического процесса как объекта управления

Технологический процесс производства профиля характеризуется сложностью физико-химических процессов, протекающих в технологическом оборудовании. Объекты управления являются многомерными, характеризуются распределенностью параметров. Контейнер печи отличаются значительной инерционностью каналов управления. Объекты управления, как правило, являются плохо обусловленными, подвержены действию высокого уровня шумов. Отсутствует непрерывный контроль за качеством изготавливаемого профиля. Управление режимом работы технологического оборудования ведется вручную. Ручные приемы управления основаны на практике ведения технологического процесса и опыте работы технологического персонала. Все эти особенности производства профиля усложняют решение задачи автоматизации управления этим процессом. Проблема автоматизации производства профиля является комплексной. Она требует совместного рассмотрения и решения вопросов теории систем управления, математического моделирования, планирования экспериментов, учета особенностей технологии производства стекла и практических приемов управления.

Температура - один из самых важных параметров процесса прессования алюминиевых профилей. С повышением температуры снижается напряжение, вызывающее пластическую деформацию, и, следовательно, облегчается деформация. Однако в то же время снижается максимально возможная скорость прессования, поскольку повышение температуры от деформационного разогрева может привести к образованию различного вида дефектов. На изменение и распределение температуры металла в процессе прессования влияют следующие факторы [1] :

- исходная температура заготовки;

- напряжение текучести сплава при данных условиях, деформация и скорость деформации;

- трение на контакте заготовки и инструмента;

- теплопередача между металлом и инструментом, между металлом и окружающей средой.

Влияние упомянутых факторов проявляется посредством следующих механизмов.

Свойства материала. Механические свойства материала заготовки оказывают значительное влияние на количество тепла, образующегося вследствие деформации и граничного трения. В случае деформации, рассеиваемое тепло пропорционально напряжению пластического течения материала при данной температуре и скорости. В случае трения, повышение температуры пропорционально касательному напряжению трения и скорости скольжения металла по инструменту.

Термические свойства металла влияют как на повышение его температуры при пластической деформации, так и непосредственно на теплопроводность.

Трение. Распределение температуры существенно зависит от коэффициента трения на контакте заготовка - контейнер, а также деформируемый материал - матрица. Повышение температуры происходит также вследствие более высокого касательного напряжения трения на границе зоны затрудненной деформации.

Скорость перемещения пресс-штемпеля. Температура металла в процессе прессования повышается с увеличением скорости пресс-штемпеля. Это обусловлено тем фактом, что скорость деформации прямо пропорциональна скорости пресс-штемпеля и величина генерированного тепла пропорциональна скорости деформации. Кроме этого, при увеличении скорости деформации, как правило, увеличивается и сопротивление металла пластической деформации (напряжение текучести). Чем ниже скорость пресс-штемпеля, тем большая часть тепла успевает рассеяться и перейти в инструмент.

Коэффициент вытяжки. В случае более высоких коэффициентов вытяжки температура на выходе из матрицы повышается вследствие большей скорости деформации и напряжения текучести.

Периметр. Температура на выходе, развиваемая в процессе прессования, обычно повышается с увеличением периметра канала матрицы. Это повышение имеет место по причине увеличения площади поверхности трения матрицы с металлом.

Тянущее усилие пуллера. Применение пуллера позволяет значительно улучшить геометрические характеристики выходящего из пресса профиля: устранить или снизить криволинейность, волнистость и различные отклонения формы поперечного сечения профиля. Растягивающие напряжения в профиле, возникающие от действия пуллера, не превышают предела текучести материала профиля.

Скорость охлаждения в линии пресса. На механические свойства профилей влияет температура профиля на выходе из пресса и скорость охлаждения. Для сплавов, термообрабатываемых путем охлаждения в линии пресса (закалка на прессе), существует определенное время - порядка нескольких минут - за которое металл должен охладиться до заданной температуры.

Расчетное определение изменения температуры металла при прессовании определяет подход к решению большого класса задач, основные из которых следующие:

· установление температуры нагрева заготовки, обеспечивающей осуществление процесса в области максимальной пластичности прессуемого металла;

· установление режима возможного изменения скорости прессования, при котором обеспечиваются изотермические условия деформирования, позволяющие достичь максимальной производительности процесса и максимального уровня механических свойств профилей;

· определение температурного поля металла с целью уточнения его реологических свойств в очаге деформации и, как следствие, уточнение расчета характеристик напряженно-деформированного состояния металла;

· прогнозирование физико-механических свойств готового изделия.

Тепловые процессы в обработке металлов давлением имеют существенное значение, оказывая влияние как на течение металла, так и на его структуру и свойства [10, 19]. При разработке технологии прессования в качестве одного из факторов, влияющих на течение металла в канале матрицы, используется температура заготовки в сочетании со скоростью прессования. Совместное изменение этих параметров приводит к перераспределению температурного поля, которое, в свою очередь, оказывает влияние на течение металла, изменяя такие параметры как изгиб и скручивание профиля на выходе из канала матрицы.

Подбор температурно-скоростных режимов деформации для каждого прессуемого профиля в настоящее время выполняется экспериментальным путем на промышленном оборудовании. Применение для этой цели компьютерного моделирования позволит ускорить процесс освоения профилей, расширить диапазон исследуемых параметров и автоматизировать процессы проектирования и корректировки прессовых матриц. Существенное значение имеет также тот факт, что большинство сплавов, применяемых при производстве профилей прессованием, имеют ограниченный температурный интервал обработки, выход за который недопустим из-за образования дефектов.

2.2 Анализ и выбор метода управления процессом нагрева движущейся заготовки

На основании критического анализа существующей системы управления технологическим процессом было определено, что модернизированная система управления должна поддерживать регулируемый параметр на заданном уровне с высокой точностью[10].Структурная схема регулирования температуры заготовки на выходе из контейнера рисунок 2.1.

Рисунок. 2.1 -- Структурная схема одноконтурной системы автоматического регулирования температуры заготовок на выходе из контейнера

2.3 Математическая модель процесса

Обратимся к задаче управления процессом нагрева партии заготовок во время их прессования с постоянной скоростью V вдоль оси х по длине печи непрерывного действия с внешним теплообменом (рисунок 2.2).

В достаточно общем случаи температурное поле внутри области D описывается в терминах дивергенции (div) и градиента (grad) соответствующих векторов по пространственным переменным многомерным, нелинейным и неоднородным уравнением Фурье следующего вида:

 (2.1)

Рисунок 2.2 -- Схема процесса нагрева металла в печи непрерывного действия: 1- печь; 2 - партия нагреваемых заготовок

Которое получается из рассмотрения условий теплового баланса в элементарном объеме нагреваемого тела [20, 21, 22]. Здесь - теплофизические параметры нагреваемого материала, соответственно, удельная теплоемкость, плотность и коэффициент теплопроводности, зависящие, вообще говоря, от температуры; V - вектор скорости перемещения заготовки в нагревательном агрегате; F - функция, характеризующая удельную мощность внутренних источников тепла.

Уравнение (2.1) для температурного поля нагреваемого материала в пренебрежении неравномерностью распределения температуры в поперечном сечении заготовок, передачей тепла теплопроводностью в направлении движения и непостоянства параметров процесса предельно упрощается и принимает при конвективном характере вид (2.2) [23, 24, 25, 26].

Пусть температурное поле (x,t) заготовок, нагреваемых в процессе их продвижения в печи непрерывного действия, описывается уравнением в частных производных первого порядка.

(2.2)

где b - коэффициент, определяемый геометрическими и теплофизическими характеристиками нагреваемого материала; l -длина печи, и в качестве управляющего воздействия рассматривается пространственно-временное распределение температуры рабочего пространства печи.

Уравнение (2.2) дополняется начальными для и граничными для входа печи x=0 условиями:

(2.3)

(2.4)

Найдем передаточную функцию по управлению.

Рассмотрим систему автоматической стабилизации температуры на выходе из печи х=l с выбором в качестве сосредоточенного управляющего воздействия температуры в печи , равномерно распределенной вдоль ее длины (рисунок.2.2).

В качестве основного возмущения будем учитывать вариации скорости движения заготовки при прессовании.

Моделирующий процесс нагрева партии заготовок, перемещающихся с постоянной скоростью V в печи непрерывного действия с конвективным внешним теплообменом.

Передаточная функция такого объекта от стандартизирующего входа к распределению температуры (x,p) на выходе непосредственно определяется выражением.

При сосредоточенном управлении по температуре печного пространства, равномерно распределенной по длине печи, передаточная функция х-блока, моделирующего свойства объекта по такому входу, представляет собой пространственную композицию при и, следовательно, здесь с учетом (2.7):

, (2.8)

Как видно из (2.8), рассматриваемый объект первого порядка в отличие от рассмотренных ранее примеров можно назвать конечно представимым [31], так как в структурном отношении он представляется соединением конечного числа (в данном случае, всего трех), типовых звеньев - апериодического с постоянной чистого запаздывания, равного времени прохождения нагреваемого тела от входа в печь до местоположения, соответствующего рассматриваемому значению координаты х (рисунок 2.3). В частности, передаточная функция для температуры на выходе из печи определяется для х= l, и тогда запаздывание равно времени пребывания нагреваемого тела в печи.



Рисунок.2.3 -- Структурное представление объекта управления процессом непрерывного нагрева движущейся партии заготовок с сосредоточенным входным воздействием по равномерно распределенной температуре печного пространства

(2.9)

Где - скорость движения заготовок в исходном статическом режиме; b - постоянный параметр, определяемый геометрией и теплофизическими характеристиками нагреваемых заготовок; l - длина печи, и запаздывание определяется соотношением.

(2.10)

Нахождение передаточной функции по возмущающему воздействию.

Зависимость температурного поля (x,t) заготовок при их нагреве в печи непрерывного действия от вариаций скорости движения V описывается в первом приближении уравнением первого порядка (2.2), которое при таком выборе входного возмущающего воздействия становится нелинейным.

Соответствующее линеаризованное уравнение в вариациях типа (2.11)

(2.11)

где в качестве следует в данном случае рассматривать V(t), принимает следующий вид при отсутствии вариаций температуры печи :

(2.12)

Примем, что здесь и отвечают стационарному режиму работы агрегата с постоянной скоростью продвижения столба заготовок с постоянной равномерно распределенной температурой печи .

В таком случае пространственное распределение температуры по длине печи в стационарном режиме описывается уравнением.

(2.13)

Откуда легко получаем, что при

(2.14)

И тогда в правой части (2.12) будем иметь

(2.15)

Таким образом, линеаризованное уравнение (2.12), описывающее реакцию объекта на возмущение по скорости движения столба заготовок, не отличается по виду дифференциального оператора от уравнения (2.2), моделирующего поведение температурного поля в зависимости от управляющего воздействия по температуре печи . Однако данные входные сигналы отличаются, согласно (2.12), (2.15), характером их пространственного распределения.