Программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для управления индукционной плавкой оксидов и стекол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для управления индукционной плавкой оксидов и стекол

Лопух Дмитрий Борисович,

кандидат технических наук, доцент,

Введение

Одними из направлений применения индукционного нагрева являются плавка оксидов металлов и варка стёкол. В ряде промышленных технологий применяются холодные тигли, с использованием которых реализуются такие технологические процессы, как: выращивание монокристаллов фианитов; непрерывный переплав порошков оксидов с получением поликристаллических слитков для дальнейшего передела; непрерывная плавка на выпуск с раздувом струи расплава и получением штапельного минерального волокна в виде теплоизоляционных матов; остекловывания радиоактивных отходов и др. Во всех этих процессах используется так называемый метод индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ) [1]. Развитие и совершенствование этих технологий во многом зависит от качественного управления технологическим процессом, которое способствует повышению надежности и производительности, а также качеству получаемого продукта.

Основной задачей работы является разработка и создание автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) варки стекла в индукционной печи с холодным тиглем. На первом этапе создания АСУ ТП необходимо разработать программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс для регистрации, обработки и архивирования параметров плавки в режиме реального времени. Работа выполняется СПбГЭТУ "ЛЭТИ" при поддержке Айдахской Национальной Лаборатории.

Программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс

Комплекс состоит из лампового генератора ВЧИ - 11 - 60/1.76, колебательной мощностью 60 кВт, частотой тока 1.76 МГц, индукционной печи с холодным тиглем, а так же системы сбора и обработки экспериментальных данных [2].

Поскольку процесс индукционной плавки является быстротекущим и многопараметрическим, то при разработке комплекса была поставлена задача по обеспечению измерений с максимальной точностью, минимальными флуктуациями, а так же максимальным быстродействием.

Схема комплекса представлено на рисунке 1. Для регистрации параметров использованы высококачественные первичные датчики, как серийного производства, так и специально разработанные и изготовленные. Сигналы с датчиков оцифровываются при помощи промышленных контролеров, а также цифровых высокоскоростных осциллографов. Аналого-цифровые преобразователи по каналам беспроводной связи синхронизированы с компьютерной системой для одновременной регистрации всех параметров плавки.

Рис. 1. Схема программно-аппаратного информационно-измерительного комплекса. УВЗ - устройство видеозахвата; ДН - датчик напряжения индуктора; ДТ - датчик тока индуктора; T0…T7 - датчики температуры воды; P1…Р7 - датчики расхода воды; Ua - датчик напряжения анода лампы; Ia - датчик тока анода лампы; Ig - датчик тока сетки лампы; ПК1 - компьютер для обработки выборки мгновенных значений тока и напряжения индуктора; ПК2 - компьютер для сбора и отображения информации; A1, A2 - узел беспроводной связи; РМ - регулятор мощности генератора; РОС - регулятор обратной связи генератора; РН -регулятора напряжения генератора; ДУ - датчик уровня расплава; ДПИ - датчик положения индуктора относительно холодного тигля; ВЧИ-11-60/1,76 - источник питания, ТП - термопары для измерения профиля температур в расплаве.

Комплекс оснащен разработанным программным обеспечением, позволяющим вести регистрацию, обработку, визуализацию и архивирование параметров плавки в режиме реального времени. На рисунке 2 приведены фотографии некоторых изготовленных элементов комплекса.

Рис. 2. Виды элементов программно-аппаратного информационно-измерительного комплекса. 1 - датчик напряжения на индукторе, 2 - блок ВЧ фильтров, 3 - датчики температуры воды, 4 - щит с промышленными контроллерами, 5 - щит соединительный, 6 - расходомеры воды, 7 - промышленные компьютеры.

При помощи комплекса осуществляется калориметрирование элементов индукционной системы и генератора. Для измерения мощностей в элементах установки используются платиновые терморезисторы сопротивления ТСП-100 специально разработанные расходомеры, обладающие высокой чувствительностью и помехозащищенностью.

Фиксация температуры на поверхности ванны расплава производится спектральным логометрическим пирометром Siemens серии Ardocell PZ, способным производить высокоточное измерение температуры в пределах от 1000 до 3000 °С.

Для измерения электрических параметров источника питания установки, таких, как напряжение на конденсаторной батарее и аноде лампы высокочастотного генератора, ток анода и сетки лампы генератора, использованы датчики напряжения и тока на эффекте Холла.

Сигналы, поступающие с перечисленных выше датчиков, оцифровываются промышленными PC-совместимыми контроллерами, в качестве которых использованы контроллеры серии I-8000 фирмы ICP DAS. Для сокращения длины аналоговых сигнальных магистралей контроллер располагается в максимально возможной близости от индукционной печи. Вся информация, собранная контроллером передается на промышленный ПК верхнего уровня с использованием беспроводных сетевых технологий, чем достигнута максимальная защищенность верхнего уровня измерительной системы.

Качество работы информационно-измерительной системы в значительной степени зависит от организации её защиты от электромагнитных полей и токов высокой частоты, препятствующих проведению качественных измерений. Немаловажную роль в процессе измерений играет организация заземления элементов комплекса.

Данная система измерения подвержена высокочастотным помехам, следующих частот тока: 50 Гц, 1,76 МГц, а так же гармоникам высших порядков. Для фильтрации помех разработаны фильтры высокой частоты, ослабляющие величину помех до приемлемого значения.

Разработка датчиков высокочастотных сигналов

аппаратный индукционный варка стекло

Поскольку для измерения тока и напряжения на индукторе не было найдено серийно выпускаемых приборов, удовлетворяющих компьютеризированной системе сбора информации, было принято решение о проектировании и изготовлении датчиков напряжения и тока индуктора на частоты от единиц до десятков мегагерц.

Датчик напряжения выполнен, как понижающий трансформатор напряжения. Характеристики датчика напряжения:

частота входного сигнала: 1,76 ± 15 % МГц;

гальваническая развязка выходного и входного сигналов;

уровень выходного сигнала: 0…5 В;

измеряемое напряжение: до 10 кВ.

Датчик тока состоит из катушки, выполненной из литцендрата. Характеристики датчика тока:

частота входного сигнала: 1,76 ± 15% МГц;

гальваническая развязка выходного и входного сигналов;

уровень выходного сигнала: 0…5 В;

измеряемый ток: до 300 А.

Датчик тока располагается непосредственно между токоподводящими шинами индуктора, где обеспечивается наибольшая равномерность и неизменность магнитного потока. Датчик напряжения подключен к виткам индуктора. Сигналы, полученные с датчиков тока и напряжения на индукторе, оцифровываются высокоскоростными АЦП с частотой опроса не менее 1 Гига отсчетов в секунду.

Расчетные параметры в режиме реального времени

В процессе измерений в режиме реального времени производился расчет cosц, среднеквадратичных значений тока и напряжения индуктора и частоты тока с использованием выборок мгновенных значений тока и напряжения индуктора. Так же данная система контроля позволяет производить расчет коэффициента мощности индуктора PF. Расчет производится по формуле

,

где P - активная мощность, подводимая к индуктору, Вт; S - полная мощность, подводимая к индуктору, ВА. Параметр PF определяется методом калориметрования и с использованием выборок мгновенных значений тока и напряжения индуктора.

Параметр cosц относится только к первой гармонике и, поэтому отличается от коэффициента мощности, который учитывает наличие всех гармоник в сигналах тока и напряжения [3]. Если ток и напряжение являются идеальными синусоидальными сигналами, тогда PF равен cosц.

,

где P₁ - активная мощность основной частоты, подводимая к индуктору, Вт; S₁ - полная мощность основной частоты, подводимая к индуктору, Вт.

Так как датчики тока и напряжения индуктора, а так же сигнальные провода и их расположение вносят дополнительный фазовый сдвиг в сигналы тока и напряжения, то становится затруднительным измерение абсолютного значения угла сдвига фазы между первыми гармониками тока и напряжения, что препятствует вычислению абсолютного значения cosц и PF.

Для обработки экспериментальных данных и визуализации результатов на ПК оператора, разработано программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор и обработку экспериментальных данных в режиме реального времени. Ниже приведены основные возможности программного обеспечения:

синхронный опрос всех датчиков комплекса, например, датчиков напряжения, температуры, показаний пирометра и т. д.;

определение тепловых потерь в элементах индукционной печи и источника питания;

вычисление действующих значений тока и напряжения, используя выборку мгновенных значений измеряемых величин;

вычисление угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения, используя выборку мгновенных значений измеряемых величин;

вычисление коэффициента мощности индуктора PF;

синхронная запись в файл и визуализация на ПК2 всех измеренных и вычисленных величин;

программное обеспечение комплекса позволяет в цикле менее 500 мс осуществлять регистрацию, обработку, визуализацию и архивирование необходимых параметров плавки.

Заключение

В настоящее время изготовлена и успешно испытана аппаратная часть АСУ ИПХТ, которая представляет собой программно-аппаратный информационно-измерительный комплекс, используемый в качестве законченной автоматизированной системы контроля над процессом индукционной плавки.

Комплекс позволяет определять все характеристики ИПХТ, необходимые для контроля над процессом плавки. Основными достоинствами комплекса являются:

Регистрация, обработка и визуализация параметров в цикле менее 500 мс. Регистрация параметров плавки в условиях высокочастотных помех с флуктуациями в пределах от (0,005 - 1,5) %. Например, при обработке сигналов тока и напряжения индуктора - 0,005 % и при измерении профиля температур в расплаве - до 1,5 %.

Низкая относительная погрешность измерений от 0,05 до 0,1 %.

Высокая чувствительность изменения угла сдвига фазы между первыми гармониками тока и напряжения индуктора к изменению температуры поверхности расплава. Например, при изменении температуры на 0,5 °С угол изменяется на 0,0035°.

В настоящее время комплекс совершенствуется по следующим направлениям:

Изучение параметров управления и поиск корреляционных зависимостей параметров плавки.

Определение абсолютного значения угла сдвига фаз между первыми гармониками тока и напряжения индуктора.

Бесконтактное измерение уровня расплава.

Разработка алгоритмов управления.

Литература

1. Петров Ю. Б. Индукционная плавка окислов. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 104 с.

2. Вавилов А. В., Чеплюк С. И., Лопух Д. Б. Разработка измерительного стенда для контроля и управления индукционной плавкой в холодном тигле // Тез. докл. Тринадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов, 1 - 2 марта, 2007 г. - Москва, 2007.

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

Размещено на Allbest.ru