книги из ГПНТБ / Любутин О.С. Автоматизация производства стеклянного волокна

каждого из них составляют уравнение статики и уравне­ ние связи между звеньями. При разбивке объекта на звенья чаще всего полагают, что каждое звено есть эле­ мент с сосредоточенными параметрами и в первом при­ ближении движение его выходной координаты описыва­ ется дифференциальным уравнением первого порядка в полных производных. Обоснование этих допущений пред­ ставляет значительные трудности, усугубляемые тем, что не имеется каких-либо априорных качественных или ко­ личественных критериев проверки справедливости сде­ ланных упрощении и предположений.

Затем к уравнению статики каждого звена добавля­ ется часть, учитывающая изменение во времени выходнон координаты при небольших вариациях входных ве­ личин за малый промежуток времени Д/(Д/-> 0). Таким образом получают уравнения в приращениях, из кото­ рых впоследствие вычитают уравнения статики. Разде­ лив приращения выходных координат на Д/, получают систему дифференциальных уравнений в обыкновенных производных.

Наибольшие трудности возникают при нахождении численных значений коэффициентов полученных уравне­ ний. Для этого необходимо знать геометрию агрегата, коэффициенты теплопередачи, теплоемкостей и т. п. Для получения этих сведений в большинстве случаев (в про­ изводстве стекловолокна, в частности) необходима по­ становка специальных экспериментов.

Критерием правильности составленных уравнений яв­ ляется совпадение с точностью 15—40% [56] численных решений с экспериментальными переходными функция­

процессов, а также получение уравнений динамики про­ ектируемых объектов.

При применении экспериментально-аналитического

дующего подбора численных значений коэффициентов. Критерием подбора служит близость численного реше-

100

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

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

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

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

(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:

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:

Здесь комплексы физических величин, характеризующих конструктивные и технологические параметры, представ­ лены в виде постоянных времени:

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:

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

103

На рис. 39 приведены графики переходных процессов изменения температур стеики t\, стекломассы t2 и фильерной пластины t3 при ступенчатом изменении тепловы­

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-

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

рительный и регулирующий блоки высокоточного регу­

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

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

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.

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

вызывая резкие и значительные изменения температуры фильерной пластины, значительно изменяют величину греющего тока, протекающего по сосуду, что нарушает нормальную работу последнего, поскольку эти измене­ ния тока являются реакцией регулятора на импульсы, еще не проникшие через фильерную пластину и не выз­ вавшие изменения температуры стекломассы.

С другой стороны, необходимо иметь в виду, что пе­ ремещение термопары по стенке сосуда вверх увеличи­ вает разницу в динамических характеристиках каналов, отражающих влияние загрузки стеклошариков на тем­ пературу стеики сосуда и температуру фильерной пла­ стины. При этом чем выше взята точка регулирования температуры стенки, тем быстрее доходит сюда управ­ ляющий импульс по сравнению с каналом «изменение температуры фильерной пластины — загрузка стеклоша­ риков». В таком случае регулятор, реагируя на темпера­ туру стенки, будет оказывать упреждающее регулирую­ щее воздействие на температуру фильерной пластины. Поэтому для автоматического регулирования температу­ ры стенки устанавливать термопару рекомендуется в точке, расположенной под изоляцией в средней части бо­ ковой наклонной стенки сосуда на расстоянии 20—30 мм от фильерной пластины.

Для описания динамических свойств канала регули­ рования температуры с достаточной для практики точ­ ностью можно воспользоваться дифференциальным урав­

зоны, например, в результате обрыва и загрузки стек­ лошариков (рис. 41, б), измеряется минутами со значи­ тельно большим динамическим отклонением от заданно­ го значения. Поэтому возмущения со стороны подфиль­ ерной зоны и загрузки стеклошариков являются наиболее серьезными. По этой причине оптимальную настройку

регулирование теплового режима стеклоплавильного со­ суда сводится к системе автоматического регулирования (САР) температуры стенки в рекомендуемой точке. Сле-

109