Файл: Любутин О.С. Автоматизация производства стеклянного волокна.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.07.2024
Просмотров: 118
Скачиваний: 0
ния дифференциального уравнения и экспериментальной переходной функции. Для большей достоверности значе ний коэффициентов уравнений значения подбирают не сколько раз с последующим усреднением результатов. Полученные таким образом уравнения статики и дина-
Рнс. 38. Структурная схема
математической |
модели |
стекло |
||
плавильного сосуда |
||||
1—загрузка |
стсклошарнков; |
2—элек |
||
трообогрев; |
3 — обрыв |
стекловолок |
||
на; 4— намотка |
нити |
на |
бобину |
мики справедливы только для одного конкретного объ екта или процесса.
Экспериментальный метод получения математическо го описания позволяет наиболее быстро и просто иметь достаточно точное описание конкретного объекта. Мето дика получения характеристик исследуемого объекта достаточно хорошо разработана [58].
На рис. 38 представлена структурная схема стекло плавильного сосуда. Этому рисунку соответствуют сле дующие особенности производства стекловолокна: плав ление стеклянных шариков и нагрев стекломассы вслед ствие пропускания электрического тока; наличие нагре той до высокой температуры фильерной пластины, неизолированной со стороны окружающей среды и пото му подвергающейся ее воздействиям; одновременное вы тягивание через фильеры сотен стеклянных волокон, со бираемых в нить; дискретный характер загрузки стеклян
ных шариков; |
сравнительно |
частая (через 4—6 мин) |
смена бобин |
с намотанным |
стекловолокном. |
10)
Как объект регулирования температуры стеклопла вильный сосуд представляет собой систему с распреде ленными параметрами, температура в различных точках которого, и тем более в направлении движения стекло массы, различна. С точки зрения выработки стеклово локна для нас важна температура стекломассы над фнльерной пластиной t2. Величина ее в свою очередь за висит от температуры стенки сосуда і\ и, следовательно, от электрической мощности N, режима загрузки стекло шариков и влияния среды со стороны фнльерной плас
тины |
(температуры |
скорости движения воздуха и на |
|||||
личия |
обрыва |
стеклонити), воздействующих |
через |
тем |
|||
пературу фнльерной пластины /3 . |
|
по описа |
|||||
Так как составить |
систему регулирования |
||||||
нию объекта |
в частных |
производных мы не можем, то |
|||||
при описании |
процесса |
|
выработки |
стекловолокна |
как |
||
объекта регулирования |
|
теплового режима примем |
сле |
||||
дующие упрощающие допущения: |
|
|
|
||||
платиновая стенка |
и |
граничащая |
с ней стекломасса |
рассматриваются как системы с сосредоточенными пара метрами;
внешняя поверхность стенки идеально изолирована; характеристики материала стенки (теплоемкость и удельный вес, а также коэффициенты теплоотдачи) при нимаются неизменными в рассматриваемом интервале
изменения температур; |
|
|
|
передачей |
тепла за |
счет теплопроводности по |
стенке |
к фнльерной |
пластине |
ввиду малой толщины |
стенки |
(0,5 мм) пренебрегаем; процессы, наблюдающиеся при движении стекломас
сы в фильерах и в зоне формования стекловолокна, не рассматриваются.
Тогда рассматриваемый объект в переходном режи ме будет характеризоваться следующей системой обык новенных дифференциальных уравнений:
1) |
нагрев |
стенок: |
|
|
|
CiViVidtt + cc12F12 (^ — t2) dx = |
k[ qdx; |
(24) |
|
2) |
нагрев |
стекломассы: |
|
|
|
c2y2V2dt2 |
+ a23F23 (t2 —13 ) dx = a12F12 |
(tL — Q dx; |
(25) |
3) |
нагрев фнльерной пластины: |
|
|
|
с3У3Ѵзаіз + |
«34^34 (h — tù àx = a2 3 F2 3 |
(/a —13 ) dx + |
|
|
|
|
+ K_qdx, |
|
(26) |
102
здесь с — теплоемкость; у — удельный вес; У —объем; а — коэффи циент теплоотдачи; F — площадь.
После некоторых преобразовании уравнения (24)— (26) удобно представить в следующем виде:
|
Tl^L-dx + |
ti |
= tt |
+ kLq; |
(27) |
|
7 , 2 - 7 L + ^ 2 |
= |
^ i |
+ ^ 3 ; |
(28) |
|
dx |
|
|
|
|
T3 |
— + ts = ado + aji + k„q. |
(29) |
|||
|
dx |
|
|
|
|
Здесь комплексы физических величин, характеризующих конструктивные и технологические параметры, представ лены в виде постоянных времени:
|
|
т21 |
= с27г^2 |
|
|
|
|
|
«12^12 |
•^23 |
|
^32 |
= |
СзУзУ.з . |
«23^23 |
а32^32 |
|||
7*, |
СзѴз^з . |
|
|
-^ЛіТгЗ |
34 |
«34^31 |
|
|
Г » + Г М |
|
т л = - |
Тзітзі |
|
|
|
|
Т'зг Т 1 |
34 |
|
а коэффициенты равны: ft',
*і = — = - ; h = k\Tu;
Для решения системы уравнений (27)— (29) используем преоб разование Лапласа по переменной т. Тогда система уравнений при мет вид:
( 7 > |
+ І ) М Р ) |
= М Р ) + |
М ( Р ) ; |
|
(30) |
( Г І Р + |
1 ) М Р ) = FL А (р) + |
«з h (р); |
(Зі ) |
||
(Тз Р + 1 ) U (Р) = а 2 |
(Р) + «4 ^ |
(р) + ft, |
<7 (Р) - |
(32) |
Из системы уравнений (30) — (32) посредством соответствующих преобразований можно получить в операторном виде выражения для переходных характеристик интересующих нас температур от внеш
них воздействий — теплового потока q и температуры внешней сре ды t,.
Температура стенки
t |
_ [аз ЧЛ- h 1(Т2р + 1) (7\ р + О - Д2 аз!) Я (Р) + |
аз я« h (Р) |
|
(TiP+l)(T2p+l)(Tsp+l)-ai(T3pi-l)-a2a3(TiP+l) |
' |
|
|
(33) |
103
Температура |
|
стекломассы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
[о,*! |
(Т3р+ |
n + |
|
fljfc, |
( 7 \ р - |
D I X |
|
|
|||||
|
'2 |
(Р) |
= (Ті |
р + ]) |
( Т 2 |
р + |
I) |
( Т 3 |
р + |
I) - |
|
0 l x |
|
|
|||
|
|
|
|
Xg(p) |
+ |
\aaat{T,p |
|
+ |
|
\)\tt(p) |
|
|
|
(34) |
|||
|
|
|
|
Х ( Г 3 р - | - 1 ) - я . А ( Г , р + 1) |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Температура |
фнльеріюй |
пластины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
<э (р) |
= |
{gi а а |
*і |
+ |
|
р + |
1 ) ( Г 2 ) р |
+ |
1) - |
я,]} X |
|
|||||
|
|
|
|
( 7 \ р + 1 ) ( 7 2 р + 1 ) ( Г 3 р + 1 ) - а і Х |
|
|
|||||||||||
|
|
X q (Р) -1- а., |
[(7*1 Р + |
1) (Г 2 |
р + |
|
|
I ) - |
аЛ h |
(р) |
(35) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a, a3(TlP+ |
|
|
1) |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Соответствующие переходные функции после применения обрат |
|||||||||||||||||
ного преобразования Лапласа к выражениям |
(33) — (35) |
будут иметь |
|||||||||||||||
следующий вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а) |
при |
возмущении |
по |
тепловыделению |
|
|
|
|
|
||||||||
/і (т) = L" |
|
а3 |
* а - ? - * і 1(ТіР+ |
1 ) ( Г а р |
+ |
1) — аг |
о,] |
<7(Р) |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
Л(р) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(36) |
к (т) = |
—1 |
о 3 |
й „ С Г і Р + |
І) + |
|
о, /г, ( Т з р + |
1) |
|
(37) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
Л(р) |
|
|
|
|
|
<7(р) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
/з (X) = |
/ - 1 |
ai a, At • *2 [ ( Г , р + І ) ( Г а р + 1 ) - а г |
] |
|
(38) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
<?(р) |
б) при возмущении по температуре |
внешней среды |
|||||||
|
|
h |
(т) |
= /.— ! |
а3 |
аА |
|
|
|
|
|
|
|
А(Р) |
|
|
|
|
|
|
|
сіз at |
(7\ |
р + |
1) |
(Р) |
|
'2 (1) = |
£ |
|
Л(р) |
' j |
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
h (т) |
= L—1 |
a,î(TlP+ |
1 ) ( Г 2 р + |
1) |
<4 (Р) |
|||
|
|
Л(р) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь |
А (р) = [ТіР |
+ |
1){ТіР |
+ |
1) ( Г а Р + |
1) - Ai (T'a Р + |
||
|
|
+ 1) — f l j f l j ( T l P + 1). |
|
(39)
(40)
(41)
На рис. 39 приведены графики переходных процессов изменения температур стеики t\, стекломассы t2 и фильерной пластины t3 при ступенчатом изменении тепловы
деления q и температуры внешней |
с р е д ы . К р и в ы е |
по |
||||
лучены |
при |
решении уравнений |
(39) — (41) |
при |
Т\ = |
|
— 8 сек, Т2=3 |
сек, Г 3 = 1 5 сек. |
|
получения |
|||
Схема |
экспериментальной |
установки для |
||||
динамических |
характеристик |
стеклоплавильного сосуда |
||||
представлена |
на рис. 40. Показанная на схеме |
контроль- |
104
ио-нзмерительиая и регулирующая аппаратура дает возможность непрерывно регистрировать параметры с вы сокой точностью (до десятых долей градуса по отклоне нию температуры и до единиц ватт потребляемой мощ ности) в виде записи на одной диаграммной ленте.
Эксперименты прово дили на стандартном 200-фильерном стекло плавильном сосуде с обо гревом от сети перемен ного тока напряжением 380 е через силовой тран-
! |
J t |
5 |
t |
Ï D s |
|
|
Z, |
пин |
|
|
|
Рис. 39. Кривые |
переходных |
|
|||
процессов |
при |
|
возмущении |
|
|
по тепловыделению |
и по тем |
Рис. 40. Схема эксперименталь |
|||
пературе |
внешней |
среды |
ной установки |
сформатор типа ОСУ-20/0,5. Контролировали следующие параметры: температуру стенки сосуда t\, температуру стекломассы t2, температуру фильериой пластины /3 , на пряжение тока UJ и силу тока І\ в первичной цепи тран сформатора, напряжение тока Ѵ% на сосуде, число обо ротов п наматывающего аппарата. Уровень стекломас сы Ii автоматически регулировался регулятором уровня. Для измерения температуры стенки рабочий конец термопары был приварен к средней части боковой на клонной стенки сосуда. Термопару для измерения тем пературы стекла устанавливали в платиновом патроне, погруженном в стекло до оси сосуда. Термопара для
105
измерения температуры |
фильерной |
пластины |
приварена |
к поверхности в средней |
ее части |
рядом с |
фильерами. |
Для измерения э. д. с. термопар |
использованы изме |
рительный и регулирующий блоки высокоточного регу
лятора температуры типа |
ВРТ-2. При этом регулирую |
||
щий |
блок устанавливали |
для работы в качестве |
усили |
теля. |
Выходные сигналы |
от всех регулирующих |
блоков |
ВРТ-2 регистрировали на многоточечном регистрирую щем приборе РП типа Н-370. Схема для измерения на пряжения на сосуде включала термопреобразователь ти па ВРТ-2 и прибор для регистрации тока типа Н-370. Также контролировали значения напряжения первичной цепи (вольтметром V) и тока (амперметром А) через трансформатор тока н число оборотов наматывающего аппарата (с помощью стробоскопа).
Экспериментальные динамические характеристики регистрировались в виде кривых разгона и импульсных функций. Использование последних было вызвано необ ходимостью получения четкого графика начального уча стка кривой разгона и нежелательностью нанесения дли тельного возмущения сравнительно большой величины, нарушающей нормальный ход технологического процес са. Возмущения по тепловыделению в стенке наносились скачкообразным изменением ручного задания регулято ра. Величина возмущения выбиралась таким образом (разная для различных типов сосудов), чтобы отклоне ние температуры стенки находилось в пределах 5° С. Для получения импульсных характеристик величина воз мущения была больше (4000 er, 5 сек):
Возмущение изменением температуры окружающей среды в ступенчатой форме нанести не представлялось возможным. Однако почти идеальным ступенчатым воз мущением со стороны подфильерной зоны является обрыв стеклонити, равнозначный скачкообразному умень шению температуры среды. Кстати, именно обрыв стек лонити и является наиболее резким воздействием на про цесс изменения температуры со стороны подфильерной зоны. Возмущение со стороны загрузки стеклошариков наносилось либо прекращением загрузки, либо уменьше
нием числа загружаемых стеклошариков на |
30%. |
|
Как видно из аналитических |
выражений |
(36) — (41) |
и экспериментальных данных |
(рис. 41), динамические |
характеристики стеклоплавильного сосуда по различным каналам связаны между собой и имеют различные вы-
106
ражения в зависимости от температуры стенки сосуда, стекломассы, фильерноп пластины или внешнего воздей ствия— электрической мощности, загрузки стеклошарнков, обрыва стеклонити, влияния окружающей среды, скорости намотки.
Канал «потребляемая мощность — температура стен ки», используемый в качестве регулирующего, резко от личается по величине постоянной времени от других ка-
а>
Рис. 41. Эксперименталь ные кривые разгона и пе реходных процессов в САР при возмущении по току и обрыву нити
налов. Кривая разгона по этому каналу имеет два уча стка (рис. 41, а). Длительность первого составляет 20— 30 сек. Затем значение температуры медленно прибли жается к новому установившемуся состоянию с общей длительностью переходного процесса, равной 20—30 мин. Первый участок кривой разгона имеет экспоненциаль ный характер с постоянной времени 5—10 сек, величина которой целиком определяется тепловой емкостью стен ки сосуда. Общая же длительность переходного процесса зависит от тепловой емкости стекломассы, заключенной Б сосуде, постоянная, времени нагрева которой находит ся в пределах 5—10 мин.
Совершенно иные динамические характеристики по каналам, характеризующим изменение температуры •стенки от возмущений, поступающих со стороны загруз
ки |
стеклянных |
шариков (сверху) и со |
стороны фильер- |
|||
ной |
пластины |
в |
результате |
обрыва |
стеклонити |
(рис. |
•41, б), изменения параметров |
окружающей среды |
и ско |
||||
рости вытягивания |
(снизу) |
(рис. 41, е). Длительность |
||||
переходных процессов по этим каналам |
велика, целиком |
107
определяется тепловой емкостью и теплопроводностью стекломассы и составляет 20—30 мин при наличии чи стого запаздывания до 1,5—2 сек.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ДВУХСТАДИЙНОМ ПРОЦЕССЕ ВЫРАБОТКИ СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА
Анализ динамических характеристик стеклоплавиль ного сосуда дает возможность выбрать регулируемый параметр, место расположения датчика температуры, а также регулятор и определить его оптимальные настрой ки. Особое значение имеет выбор места установки дат чика температуры — термопары, тем более, что темпера тура в различных точках стеклоплавильного сосуда раз лична.
С точки зрения процесса выработки стекловолокна важна прежде всего температура идущей на формование стекломассы в нижней части сосуда. Однако использо вание этой температуры в качестве регулируемой в од ноконтурной системе автоматического регулирования, где управляющим воздействием является электрическая мощность обогрева, не обеспечивает высокого качества процесса регулирования вследствие большой инерцион ности канала «электрическая мощность — температура стекломассы». Минимальное время для устранения вли яния колебаний тока пли напряжения обогрева на про цесс выработки может быть обеспечено только разме щением горячего спая термопары в самом тепловыделя ющем элементе, в данном случае в одной из точек стек лоплавильного сосуда. При этом при выборе точного места установки термопары руководствуются следующи ми соображениями.
Наиболее выгодно |
было бы поместить термопару на |
|||||
фильерной пластине. |
В этом |
случае |
мы |
учитывали |
бы |
|
влияние |
не только колебаний |
мощности |
обогрева, но и |
|||
влияние |
возмущений, |
проникающих |
в стекломассу |
че |
||
рез фильерную пластину со |
стороны |
окружающей |
сре |
ды (обрыв волокна, температура и скорость движения окружающего воздуха и др.) практически в момент на чала их воздействия, своевременно нейтрализуя их изме нением мощности обогрева. Однако фильерная пластина весьма чувствительна к воздействиям со стороны подфильерной зоны и мощности обогрева. Эти воздействия.
108