Исследование и оптимизация взаимосвязанных электромеханических систем автоматизированных технологических линий по производству оптоволоконного кабеля

В современном мире телекоммуникации и связь играют все большую роль. Растут потребности в скоростях и объемах передачи информации. Если еще 5 лет назад объемы измерялись килобитами и мегабитами, то, вступив в новый век, актуальными стали являться только гигабитные технологии. В связи с такими тенденциями развития появилась потребность в надежных высокоскоростных каналах передачи данных, наиболее перспективными из которых являются оптические. Это привело к существенному увеличению использования оптоволоконного кабеля при построении сетей за последние пять лет, и рост, по мнению аналитиков, будет сохраняться.

Технологический процесс производства оптоволоконного кабеля состоит из ряда операций, основными из которых являются:

1) Вытяжка оптического волокна;

2) Окраска оптического волокна;

3) Производство оптических модулей;

4) S-Z — скрутка оптических модулей вокруг силового элемента (стальная проволока или стеклопруток);

5) Нанесение первичной полимерной оболочки;

6) Бронирование кабеля силовыми элементами (стальная проволока, высокомолекулярные арамидные пряди или стеклопруток);

7) Нанесение наружной полимерной оболочки.

Оптический модуль представляет собой изготовленную методом экструзии полимерную трубку, внутри которой располагаются скрученные между собой оптические волокна.

В зависимости от конструкции кабеля операции бронирования и наложения оболочки могут повторяться несколько раз. Существуют кабели, конструкция которых не предусматривает силовых элементов, в частности это кабели, предназначенные для внутренней прокладки в помещениях, в кабельной канализации, трубах и т. д., а также кабели, присоединяемые к внешним силовым элементам [70]. Такие кабели имеют только одну полимерную оболочку. г.

Большая часть стадий производства оптоволоконного кабеля связана с нанесением оболочки методом экструзии. Для выполнения данной операции служат экструзионные кабельные линии, относящиеся к широкому классу агрегатов непрерывно-поточного действия.

Стремление к повышению производительности за счет увеличения рабочих скоростей, а также повышение требований к качеству продукции выдвинули ряд новых проблем перед разработчиками автоматизированных электромеханических систем (ЭМС) экструзионных кабельных линий по производству оптоволоконной кабельной продукции.

Существующие в настоящее время в ряде фирм автоматизированные линии по производству данного вида кабеля не всегда удовлетворяют предъявляемым технологическим требованиям, что приводит к повышенному браку продукции. Таким образом, задача исследования функционирования многодвигательного электропривода экструзионных кабельных линий, улучшения качественных показателей его работы, а также повышения производительности является весьма актуальной.

Для производства кабеля производители часто используют оборудование зарубежных фирм, таких как Rosendahl, Nextrom, Hitec, Fusion и т. д. Как правило, это целые линии для производства кабеля, со своими автоматизированными системами управления (АСУ) и четко определенными параметрами. Однако стоимость такого оборудования весьма высока и составляет от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов, причем значительную часть стоимости при этом составляет система управления линией. В настоящее время в России практически отсутствуют фирмы, занимающиеся производством линий кабельного производства в целом, однако существует возможность приобретения отдельных агрегатов s кабельного производства (экструдеров, гусеничных и колесных тяг, приемных и отдающих устройств и т. д.). При этом возникает задача создания системы управления кабельной линией.

Следует также отметить, что задача разработки системы управления также актуальна в связи с потребностью в модернизации устаревших систем, которые все еще применяются на производстве и часто не отвечают современным технологическим требованиям, а также требованиям безопасности.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка, исследование и внедрение на производстве автоматизированной системы электропривода (СЭП) экструзионной кабельной линии с прямым регулированием натяжения кабеля, а также разработка современной АСУ ТП экструзионной кабельной линии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработка рационального математического описания ЭМС экструзионных линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля с учетом характеристик механических передач и вырабатываемого кабеля;

— разработка способов оптимизации динамики СЭП поточных линий по производству кабеля с учетом действующих возмущений;

— проведение многофакторного имитационного моделирования и исследование многодвигательных ЭП (МЭП) поточных линий на ЭВМ с применением современных программных пакетов (Simulink);

— диагностика и экспериментальные исследования МЭП на объекте;

— разработка и внедрение АСУ экструзионной кабельной линией с учетом реализации прямого регулирования натяжения кабеля;

— модернизация СЭП действующей в ООО «Оптен — Кабель» высокопроизводительной экструзионной кабельной линии.

Некоторые из перечисленных задач решались в работах профессора Санкт-Петербургского института машиностроения В. М. Шестакова [32, 33, 76, 77, 78, 79], в работах, проводимых В. Н. Егоровым [32, 33], Г. М. Ивановым [35], а также в работах ряда зарубежных авторов. Кроме того, необходимо отметить труды в областях, близких к исследуемой: это системы с упругими связями и непрерывно-поточные агрегаты бумагоделательной промышленности. Здесь большая роль принадлежит таким ученым, как В. М. Шестаков [32, 33, 76, 77, 78, 79], Ю. А. Борцов [9, 10, 11, 12, 13], В. Л. Вейц [18, 19, 20, 21], С. А. Ковчин [42, 43], Г. Г. Соколовский [66].

При исследовании и решении вышеизложенных задач, а также для экспериментальной проверки и внедрения полученных результатов, за основу была взята экструзионная кабельная линия «ЕХ-80», являющаяся частью производственного комплекса ООО «Оптен» (Санкт-Петербург).

Данная линия предназначена для нанесения изоляции на кабели с номинальными диаметрами от 6 до 30 мм.

Настоящая диссертационная работа охватывает исследование комплекса режимов функционирования экструзионных кабельных линий, таких как пуск, работа в установившемся режиме и торможение.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, которые выносятся на защиту:

1) Рациональное математическое описание взаимосвязанных систем электропривода (СЭП) экструзионных кабельных линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля с учетом взаимосвязи электрических и механических факторов и вариации режимов функционирования.

2) Закономерности вариации параметров электромеханических систем (ЭМС) в процессе производства различных типов кабеляоценка степени влияния наиболее существенных возмущений на динамику СЭП.

3) Способы оптимизации динамики взаимосвязанных СЭП экструзионных кабельных линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля при основных возмущениях, действующих в системе.

4) Оригинальная структура программного задатчика скоростей агрегатов экструзионной кабельной линии, применение которого позволило добиться требуемой точности поддержания диаметра кабеля на этапах разгона и торможения линии и снизить расход дорогостоящих материалов.

5) Новый подход к созданию АСУ ТП кабельных линий, основанный на интеграции управления различными процессами, характерными для кабельных линий, в единой управляющей программе, что дало возможность существенно снизить затраты на создание АСУ ТП, обеспечить эффективное ведение технологической базы данных и интеграцию АСУ ТП в единую информационную сеть предприятия.

6) Эффективные алгоритмы управления, на базе которых разработана распределенная АСУ ТП экструзионной кабельной линии, реализующая требуемое множество режимов работы, прямое регулирование натяжения кабеля на секциях отдающего и приемного устройств, качественный человеко-машинный интерфейс оператора.

Полученные в диссертационной работе результаты были использованы при модернизации взаимосвязанной СЭП экструзионной линии «ЕХ-80», при модернизации системы управления экструзионной линии «ЕХ-45», а также при разработке систем управления линии бронирования кабеля «БМ 18/400» и линии цветовой маркировки оптического волокна «ЛЦМ-400». Получены акты практического использования результатов работы.

Работа выполнена в рамках гранта Министерства Образования РФ (шифр гранта: АОЗ-3.14−326).

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXII неделе науки СПбГТУ (2003 г.), секции ЭМС МЭА (2004 г.), ежегодной научно-практической конференции СПбГИ (ТУ) (2004 г.), а также на научно-технических семинарах кафедры ЭТ, ВТ и, А СПбИМаш.

По работе имеется 5 публикаций.

Выводы по 5-й главе.

1. Выполнен сравнительный анализ существующих в настоящее время программно-аппаратных платформ для создания АСУ ТП, в результате которого произведен выбор средств для создания АСУ современной кабельной линии.

2. Сформулирован общий подход к построению современных АСУ непрерывно-поточных агрегатов кабельного производства. Отмечено, что для создания АСУ целесообразно применение распределенных систем на базе модулей удаленной связи с объектом (УСО). Показано, что выбранные программно-аппаратные средства наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям.

3. Разработаны рациональные алгоритмы функционирования экструзионных кабельных линий в заданном множестве режимов, которые легли в основу написания управляющей программы АСУ ТП.

4. Выполнены экспериментальные исследования процесса наложения полимерной оболочки на этапах разгона и торможения экструзионной линии. Установлено, что нелинейность характеристики расхода пластиката оказывает существенное влияние на точность поддержания диаметра в указанных режимах работы линии. В результате анализа проведенных исследований разработана новая структура программного задатчика скоростей (ЗС) секций. Применение разработанного ЗС на экструзионной кабельной линии «ЕХ-45» (ООО «Оптен — Кабель») позволило добиться требуемого качества функционирования СЭП и снизить затраты на дорогостоящее сырье.

5. На базе выбранных программно-аппаратных средств и с использованием созданных алгоритмов функционирования разработана АСУ ТП кабельной линии. Полученные результаты внедрены на производственной базе ООО «Оптен — Кабель» при модернизации АСУ экструзионной кабельной линии «ЕХ — 45», а также разработке систем управления линии наложения бронепокрытия «БМ-18/400» и линии окраски оптического волокна «ЛЦМ-400». Применение предложенных рекомендаций по созданию АСУ ТП автоматизированных линий кабельного производства позволило существенно сократить затраты на разработку, а также обеспечило базу для формирования единой информационной сети предприятия. Использование SCAD, А — системы «Good Help» дало возможность создать качественный человеко-машинный интерфейс оператора.

Заключение

.

Основным научным результатом диссертации является разработка, исследование и внедрение на производстве автоматизированной системы многодвигательного электропривода экструзионной кабельной линии с прямым регулированием натяжения кабеля, а также разработка и внедрение современной АСУ ТП на высокопроизводительной кабельной линии.

Существенные научные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Получены НСС электромеханических систем кабельных линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля. НСС характеризуются высокой физической наглядностью и являются основой для комплексного исследования динамики электромеханических систем агрегатов рассматриваемого класса. Адекватность полученных моделей подтверждена в процессе экспериментальных исследований на действующей экструзионной кабельной линии.

2. Установлены закономерности вариации параметров упругих колебаний 2-го рода для отдающего и приемного устройств в процессе перемотки кабеля, а также при изменении скорости линии и расстояния между смежными секциями. Показано, что увеличение скоростей поточных линий и сокращение расстояния между смежными секциями является рациональным как с точки зрения повышения их производительности, так и улучшения динамического поведения взаимосвязанных систем.

3. Рассмотрены принципы и разработаны способы оптимизации динамики взаимосвязанных СЭП линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля. Отмечено, что в электроприводах с широким изменением параметров объекта целесообразно применять настройку контура скорости на скорректированный оптимум, что обеспечивает высокое быстродействие и стабильность работы СЭП при внешних и внутренних (параметрических) возмущениях.

4. Проведены исследования частотным методом динамики взаимосвязанной СЭП с прямым регулированием натяжения кабеля при основных возмущениях, действующих на экструзионных кабельных линиях. В результате исследований синтезирована модифицированная ПДкоррекция, введение которой в СЭП позволяет эффективно подавить упругие колебания 2-го рода, а также снизить колебания натяжения кабеля, вызванные различными возмущениями.

5. Разработаны имитационные модели и методика многофакторного исследования СЭП линий с косвенным и прямым регулированием натяжения кабеля. Показано, что разработанные модели могут быть использованы для исследования динамики взаимосвязанных СЭП кабельных линий в заданном множестве технологических режимов при учете вариации параметров систем.

6. Выполнено исследование динамики СЭП при основных возмущающих воздействиях. Установлено, что возмущения, вызванные изменением радиуса барабана с кабелем на секциях ОУ и ПУ, а также изменением скорости ведущей секции оказывают существенное влияние на динамику взаимосвязанной СЭП.

7. Исследована динамика действующей экструзионной кабельной линии «ЕХ-80» (ООО «Оптен») с косвенным регулированием натяжения кабеля, в процессе производства различных типов кабельной продукции. Проведено экспериментальное определение основных параметров ЭМС экструзионной кабельной линии. В ходе исследований выявлены наиболее существенные возмущающие воздействия, действующие на линии.

8. С целью более точного подержания натяжения кабеля на секциях ОУ и ПУ линии «ЕХ-80» в структуру СЭП введены микропроцессорные регуляторы натяжения и модифицированная ПД — коррекция. Применение прямого регулирования натяжения кабеля, а также предложенных средств коррекции позволило снизить динамические отклонения натяжения кабеля, вызванные действующими в системе возмущениями приблизительно на 45% и, таким образом, обеспечить требуемое качество функционирования оптимизированной СЭП.

9. Сформулирован рациональный подход к построению современных АСУ ТП непрерывно-поточных агрегатов кабельного производства. Создана классификация SCADA — систем, а также разработаны эффективные алгоритмы и управляющие программы экструзионных линий. Внедрение предложенных рекомендаций на объекте позволило сформировать распределенную систему управления, обеспечивающую требуемое функционирование линии в заданном множестве режимов, прямое регулирование натяжения кабеля на секциях отдающего и приемного устройств, а также качественный человеко-машинный интерфейс диспетчера (оператора).

10. Выполнены экспериментальные исследования процесса наложения полимерной оболочки на этапах разгона и торможения экструзионной линии. Анализ полученных данных показал, что нелинейность характеристики расхода пластиката оказывает существенное влияние на точность поддержания диаметра в указанных режимах работы. В результате проведенных исследований была разработана новая структура программного задатчика скоростей (ЗС) секций. Применение разработанного ЗС на экструзионной кабельной линии «ЕХ-45» (ООО «Оптен») позволило добиться требуемого качества вырабатываемой продукции и снизить затраты на дорогостоящее сырье.

Полученные в диссертационной работе результаты были использованы при модернизации взаимосвязанной СЭП экструзионной линии «ЕХ-80», при модернизации системы управления экструзионной линии «ЕХ-45», а также при разработке систем управления линии бронирования кабеля «БМ 18/400» и линии цветовой маркировки оптического волокна «ЛЦМ-400». Получены акты внедрения и практического использования результатов работы.