Разработка системы автоматизированного управления геометрическими размерами стеклотрубок, вырабатываемых методом горизонтального вытягивания

Современное стекольное производство представляет ообой сложный комплекс разнородных структурных единиц, объединенных целью переработки сырья в стеклянные изделия: трубы, листы, емкости и др. Основными производственными единицами стекольных цехов являются отделения подготовки шихты, отекловаренные печи и участки выработки изделий из жидкой стекломассы".

Значительный удельный вес среди номенклатуры выпускаемых изделий стекольных цехов имеют стеклотрубки и капилляры, потребность в которых в нашей стране растет из года в год. Они находят широкое применение в приборостроении, медицинской, радио — и электротехнической промышленностях благодаря хорошим диэлектрическим, механическим и другим физико-химическим свойствам стекла, дешевизне и относительной цростоте изготовления*.

Основным способом производства трубок в настоящее время является способ горизонтального вытягивания / способ Даннера / / I /, которым вырабатывают более д0% всех отеклотрубок. По сравнению с другими способами выработки стеклотрубок производительность данного способа в несколько раз выше, он не требует сложного технологического оборудования и позволяет вытягивать трубки широкой номенклатуры / от 2 до 60 мм диаметром, с толщиной стенки от 0,2 до 5 ш/• 1.

В настоящее время большинство отечественных предприятий, выпускающих стеклотрубки, оснащено механизированными линиями вытяжки, позволяющими облегчить труд оперативного технологического персонала. Однако, управление процессом выработки ведется в условиях неполной информации о параметрах процесса и параметрах качества вырабатываемой стеклотрубки. Как правило, У операторов отсутствует информация о таких параметрах процесса как давление воздуха, подаваемого на раздув трубки, скорость вытягивания, температура стекломассы в зоне формования и т. п, 0 толщине стеши и наружном диаметре стеклотрубки, являющимися основнши параметрами, оцределяющими качество стеклотрубок, оператор судит лишь по периодическим ручным замерам микрометром и щгангешщкулем уже готовых, отрезанных трубок спустя минуту и более после того, как етеклотрубка уже сформировалась.

Естественно, что управление процессом в таких условиях не может быть эффективным и в основном зависит от опыта и интуиции оператора.

В связи с этим задача разработки автоматизированных систем управления технологическим процессом выработки, обеспечивающих повышение качества поддержания геометрических размеров формуемых трубок, является весьма актуальной.

Известно, что для разработки эффективных автоматизированных систем управления необходима идентификация объекта управления, а для обеспечения возможности их практической реализации — наличие измерительных устройств параметров цроцесса и регулирующих органов, воздействующих на него.

Анализ литературных источников / 2 — 41 / показывает, что несмотря на существование большого разнообразия методов и способов измерения диаметра и толщины стенки стеклотрубок до последнего времени конкретные приборы измерения этих величин отсутствуют, а устройства для измерения отдельных параметров цроцесса формования в раде случаев хотя и имеются, но мало приспособлены к условиям технологического процесса выработки стеклотрубок / 42 /.

Описание динамики данного процесса, необходимое для создания эффективной системы управления, до настоящего времени отсутствует. Имеются лишь единичные сообщения, в которых линия вытяжки рассматривается в ввде статической табличной модели / 43 / или описывается линейными уравнениями регрессии / 44 /.

Учитывая недостаточность данных по вопросам исследования и анализа линии вытяжки с позиций управлениямалую приспособленность и отсутствие ряда устройств контроля параметров процесса становится очевидной необходимость рассмотрения этих вопросов с целью разработки эффективных систем управления процессом выработки стеклотрубок.

Однако, следует учитывать некоторые специфические особенности, присущие стекольному производству. В энергетике, металлургии, тяжелом машиностроении и в ряде других отраслей промышленности в настоящее время функционирует множество автоматических и автоматизированных систем управления различной сложности. Их широкое, повсеместное распространение в этих отраслях промшленности в большей или меньшей степени устранило психологический барьер «боязни» автоматизации, позволило накопить опыт и повысить квалификацию контингента работников, связанных с эксплуатацией и обслуживани-. ем систем и средств автоматизации. Стекольное же производство, несмотря на более двух-тысячелетнее развитие, значительно отстало в использовании достижений теории управления и, по-преж-кему, в своем большинстве остается традиционно «ручным» производством. Если механизация стекольного производства, начавшаяся в средине пятидесятых годов, уже достигла определенных успехов, то использование средств и систем автоматизации до настоящз-го времени не приобрело достаточно широкого распространения. В связи с этим большинство стекольных предцриятий не располагают достаточным опытом работы и эффективной эксплуатации относительно сложных систем автоматизации и, как психологически, так и по наличию кваляфиц1цэованных специалистов, мало подготовлены к их внедрению.

Линия горизонтальной вытяжки стеклотрубок / как показано ниже, гл.2*/ является колебательным объектом с запаздыванием и переменными коэффициентами, находящимся в условиях детерминированных и стохастических возмущений. Управление такими объектами линейными автоматическими системами, как правило малоэффективно / 45- 46 /. Применение других типов систем / нелинейных, оптимальных, цифровых и т. п./ позволяет успешно оправляться с подобными задачами управления / 46 /• Однако, такие системы по сравнению с линейными значительно сложнее / 47- 48 /, что, учитывая специфику стекольного производства, ставит под сомнение их жизнеспособность в ближайшем будушем. Поэтому весьма актуальной является задача разработки относительно простой /в техническом исполнении и обслуживании/ системы управления, позволяющзй на достаточно сложном с позиций управления объекте получить требуемое качество регулирования геометрических размеров производимых стеклотрубск.

В связи с изложенным целью наотоядзй работы явилась разработка системы автоматизированного управления, обеспечивающей уменьшение дисперсии колебаний геометрических размеров поперечного сечения цилиндрических стеклотрубок выбранного типоразмера, вырабатываемых на линиях горизонтальной вытяжки*.

Научная новизна. В представленной работе осуществлены исследования и анализ линии горизонтальной вытяжки стеклотрубок с позиций теории автоматического управления. В работе:

— установлено, что механизированная линия горизонтальной вытяжки стеклотрубск является двухмерным объектом с перекрестными4 связями, коэффициенты передач которых являются функциями управляющих параметров;

— показано, что замена обычно используемого параметра управления — «толщина стеши» стеклотрубки, на параметр — «площадь поперечного сечения», позволяет представить объект в более простом для целей управления виде: отпадает необходимость учета перекрестной, связи влияния давления воздуха раздува на толщину отенки трубки;

— впервые выведены уравнения динамики линии вытяжки. Экспериментальная проверка этих уравнений указывает на возможность описания динамики процессов вытяжки выведенными дифференциальными уравнениями;

— установлено, что основные колебания геометрических размеров стеклотрубок обусловлены: а/ транспортированием стеклотрубки от зоны формования до места ее отрезкиб/ действием инерционных сил, пропорциональных площади поперечного сечения стеклотрубки;

— предложены способы управления, позволяющие уменьшить амплитуду этих колебаний: а/ применением двухконтурной системы управления диаметромб/ введением в контур регулирования диаметра дополнительного звена запаздывания так, чтобы суммарное запаздывание составляло половину периода подавляемых колебаний.

Практическая ценность выполненной работы: предложен способ автоматизированного управления геометрическими размерами стеклотрубок, не требующий информации о толщине стенки, цриборы измерения которой до настояшзго времени отсутствуют-^ для повышения точности измерения отклонений давления воздуха, подаваемого внутрь формуемой трубки, приведены формулы расчета и разработано устройство, базирующееся на серийно выпускаемых приборах измерения давленияразработано устройство, позволяющее получать информацию, необходимую для определения скорости вытягивания, обеспечивающей требуемую толщину стенки стеклотрубкиразработана и практически реализована система автоматизированного управления, обеспечивающая уменьшение дисперсии колебаний геометрических размеров поперечного сечения цилиндрических стеклотрубок в 1,5−3,5 раза по сравнению с ручным управлением.

Внедрение результатов работы. Разработанная система автоматизированного управления внедрена в 1981 году на линии вытяжки № 1 печи № б ПО «Термоприбор» /г.Клин/ и линии вытяжки печи № 4 завода «Дружная Горка» /Ленинградская обл./.

Результаты работы частично использованы в принятых к реализации проектах АСУ ТП для технологических линий выработки Саранского ПО «Светотехника» и Полтавского завода газоразрядных ламп.

Годовой экономический эффект по результатам функционирования системы в 1982 году на заводе «Дружная Горка» на печи № 4 составил 27,6 тыс. руб., срок окупаемости — 0,3 года.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Автоматизация производства и управления», Институт автоматики, Киев, 1978 г.- Всесоюзном семинаре «Автоматизация процессов производства строительных материалов», /шифр СА80−228/, РДЭНТП, Киев, 1980 г.

Публикации. Основное содержание диссертации освещено в 7 опубликованных работах и одном авторском свидетельстве СССР.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы и приложений: содержит 49 рисунков, б таблиц. Основной текст изложен на 186 страницах машинописного текста.

Основные выводы работы.

1. Линия горизонтальной вытяжки отеклотрубок является колебательным взаимосвязанным объектом управления со значительными транспортными запаздываниями и наличием перекрестных связей, что осложняет задачу ее автоматизации.

2. Выходная величина объекта — наружный диаметр, имеет широкий спектр колебаний, наибольшую амплитуду из которых имеют колебания, период которых зависит от: а/ времени транспортирования трубки от зоны формования до конца линии вытяжкиб/ типоразмера /площади сечения/ вырабатываемых стеклотрубок.

3. Уменьшить амплитуду этих колебаний возможно: а/ введением в систему регулирования диаметра трубки дополнительного контура стабилизации давления воздуха в «луковице» — б/ введением в систему дополнительного запаздывания так, чтобы общее запаздывание в системе составляло ½ периода подавляемых колебаний диаметра.

4. Использование нового параметра управления — площадь поперечного сечения стеклотрубки, позволяет упростить систему управления и повысить качество ее работы.

5. Большие коэффициенты передач по каналу «наружный диаметр — давление воздуха» требуют повышенной точности измерения и регулирования приращений давления воздуха в «луковице». Для измерения отклонений этого давления можно использовать предложенное устройство.

6. Система автоматизированного управления геометрическими размерами стеклотрубок обеспечивает поддержание толщины стенки с погрешностью не превышающей 0,1 мм и уменьшение дисперсии колебаний диаметра в 2 — 3,5 раза по сравнению с ручным управлением.

7. Использование данной системы на линии вытяжки печи № 4 завода «Дружная Горка» в 1982 году позволило повысить выход годных стеклотрубок на 5,88%, что обеспечивает годовую экономию 48,3 тыс. руб. С учетом затрат на разработку и создание системы годовой экономический эффект составляет 27,6 тыс. руб., срок окупаемости капитальных затрат — 0,3 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Данная работа является одной из первых попыток создания системы автоматического управления геометрическими размерами отеклотрубок на основе изучения линии горизонтальной вытяжки как объекта управления.