Анализ методов регулирования температуры камерных печей сопротивления.
Автор: В. М. Сандалов, С. А. Панишев
Источник: АПК России. –2020. – №3. – С. 492 – 498.
Аннотация
В рамках модернизации электрооборудования предложена непрерывная система регулирования температуры камерной печи. Разработана модель печи в программном комплексе VisSim, выполнены расчеты точности стабилизации температуры для релейного и цифрового регуляторов. Показано, что реализация ПИД-регулятора на базе терморегулятора ТРМ-101 позволяет повысить точность поддержания температуры во всех режимах до уровня ±0,2 °С.
Анализ.
Промышленные предприятия выпускают множество изделий из металла. Важной составляющей технологического процесса является термическая обработка металла. Технологический процесс требует поддержания температуры на уровне ±5 °С от 1100 °С. Химические и физические процессы, протекающие при термообработке, обуславливают состав и характеристику образующихся фаз, их соотношение, размер, форму и взаимное расположение структурных элементов, изменение массы и объема тела. Тем самым эти процессы определяют весь комплекс физических, механических и химических свойств, а также получение изделий заданных размеров и форм.
Также печи широко используются в агропромышленном комплексе для сушки плодов, овощей, зерна, рыбы, мяса и т. д.; при получении удобрений; для обогрева различных технологических помещений, для производства мяса птицы, субпродуктов, колбасных изделий, мясных полуфабрикатов, цыплят и кормов и т. д.
Цикл термообработки изделий состоит из периодов нагрева, выдержки в области максимальных температур и охлаждения.
Подавляющее большинство печей на предприятиях обеспечивают релейный закон управления, который позволяет управлять только двумя крайними положениями силового коммутатора – «включено» и «выключено».
В стандартных регуляторах температуры отсутствует контроль температуры на нагревательных элементах печи. Это приводит к их перегреву и существенному снижению срока службы. Для решения этой проблемы целесообразно разрабатывать модели, позволяющие сэкономить время на подборке оптимальных динамических характеристик, а также настройке регулятора с ограничением температуры нагревательных элементов.
Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана весьма малой и доведена до 0,1–0,2 °С. Однако действительные колебания температуры печи могут быть во много раз большими из-за инерционности печи, а также динамического запаздывания в системе регулятор – пе
Основным источником этого запаздывания является инерция датчика – термопары. Чем больше это запаздывание, тем больше колебания температуры нагревателя превышают зону нечувствительности регулятора. Так, стандартная термопара в фарфоровом наконечнике с защитным чехлом имеет запаздывание около 20–60 с.
Можно достичь уменьшения запаса мощности, если печь не включать и выключать, а переключать с одной ступени мощности на другую
Для того чтобы осуществить такое переключение, необходимо иметь возможность регулировать мощность печи. Такое регулирование может быть осуществлено следующими способами.
Самый эффектный из всех способов регулирования температурного режима в электрических печах – импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов.
Электрическая печь сопротивления с точки зрения управления представляет собой сложную систему, состоящую из нагревательных элементов, на которые поступает мощность футеровки, обеспечивающей теплоизоляцию от окружающей среды, воздушного пространства печи, в котором находится нагреваемое изделие и термопреобразователя (датчика температуры, устанавливаемого в пространстве печи). Все элементы системы взаимодействуют друг с другом, оказывая влияние путем изменения поступающих возмущений. Кроме того, каждый элемент имеет свои теплотехнические характеристики и особенности теплоотдачи.
На рисунке 1 представлена структурная схема ЭПС.
Все элементы модели взаимодействуют с помощью обратных связей. Так, нагревательные элементы отдают тепло в нагревательную камеру, а она в свою очередь, имея меньшую температуру, отнимает у нагревательного элемента теплоту, не давая ему разогреваться. Такие же процессы происходят и в случае с нагревательной камерой и корпусом печи. Температура окружающей среды учитывается в модели как возмущающее воздействие, поступающее на вход звена.
Параметры элементов, входящих в модель ЭПС, рассчитываются на основе законов теплопередачи или определяются на основе экспериментов.
Модель позволяет проводить анализ и синтез регулятора температуры, рассчитывать распределение температур внутри печи как в динамике, так и в статике, а также осуществлять сравнение различных вариантов выполнения регулятора температуры
По структурной схеме (рис. 1) была составлена имитационная модель системы регулирования температуры в программе VisSim. Модель ЭПС с релейным регулированием температуры представлена на рисунке 2.
Рис. 1. Структурная схема, учитывающая неоднородность ЭПС как объекта управления
Рис. 2. Модель ЭПС с релейным регулированием в программе VisSim
Блок управления БУ обеспечивает релейный принцип управления, сравнивая текущую температуру Тнк нагревательной камеры (НК) с заданной температурой Тз. Блок коммутации БК учитывает запаздывание (З) системы регулирования и обеспечивает подачу мощности (Р) на нагревательные элементы (НЭ). Если температура НК меньше заданной, то БК включен, если больше – выключен
Блоки НЭ, НК и К представлены инерционными звеньями с передаточной функцией:
Коэффициентами задаются теплоемкости: нагревательных элементов Тнэ, камеры Тнк и корпуса Тк. Коэффициентами теплоотдачи kНЭ, kНК, kК учитывается теплообмен между нагревателями НЭ, камерой НК и корпусом К.
Параметром То задается температура окружающей среды.Теплоемкости и коэффициенты теплопередачи элементов печи были подобраны с учетом времени нагрева реальной печи. Экспериментальные данные представлены на рисунке 3 ["2"], где ТЭ – температура камеры. Расчетная температура нагревательных элементов ТНЭ, нагревательной камеры ТНК и корпуса печи ТК, полученые в результате моделирования, представлена на рисунке 4. Эксперимент проводился на электрической камерной печи ПК 7,5.12,7/12, мощностью 54 кВт при помощи терморегулятора «Варта» ТП 703 с дискретностью измерения температуры 1 °С и термопары ТХА в керамическом чехле с погрешностью измерения 1 °С
Результаты сравнения двух кривых приведены в таблице 1.Коэффициент корреляции, рассчитанный с помощью программы Excel, равный 0,98, показывает, что результаты моделирования соответствуют экспериментальным данным.
Рис. 3. Экспериментальные данные нагрева печи
Таблица 1 – Результаты сравнения
На полученной модели был рассчитан процесс релейного регулирования температуры.На рисунке 5 представлены результаты расчета – график зависимости температуры на нагревательном элементе ТНЭ и в нагревательной камере ТНК от времени. При этом были учтены запаздывания системы, такие как запаздывание датчика температуры, время реагирования исполнительного органа.На рисунке 6 представлена расчетная температура нагревательной камеры при различных запаздываниях системы.
Рис. 5. Результаты моделирования
Рис. 6. Расчетная температура нагревательной камеры
Таблица 2 – Зависимость амплитуда колебаний от запаздывания
Результаты анализа амплитуды колебаний от запаздывания сведены в таблицу 2. Для моделирования импульсного регулирования была изменена модель. Схема модели, реализованная в программе VisSim, изображена на рисунке 7. Терморегулятор ТР обеспечивает импульсное регулирование, непрерывно изменяя мощность Р, подаваемую в печь, в зависимости от ошибки регулирования. Задание температуры осуществляется в нем.
Рис. 7. Схема в программе VisSim
Рис. 8. Расчет переходных процессов
Таблица 3 – Результаты расчетов
Блок запаздывания БЗ, как и в первом случае, учитывает запаздывание системы регулирования, так же установлена дискретность измерения температуры. Блок ЭПС состоит из элементов НЭ, НК и К, описанных ранее. Мощность, подаваемая в печь, ограничена блоком «лимит» и составляет от 0 до номинального значения – 54 000 Вт. Были проведены расчеты статических и динамических показателей для различных значений температуры уставки (рис. 8). Результаты сведены в таблицу 3.Разработанная уточненная математическая модель печи соответствует реальности. При релейном регулировании происходят пульсации температуры в нагревательной камере и на нагревательном элементе, которые зависят от запаздывания контура регулирования. Колебания температуры на нагревательных элементах превосходят значение в 100 °С, этот фактор уменьшает срок их службы.На математической модели проанализирован импульсный метод регулирования и поддержания температуры. Импульсное регулирование с настроенным пропорциональным и тегральным каналами обеспечивает регулирование во всех пределах температур с точностью ±0,2 °С. Колебания температуры на нагревательных элементах в установившемся режиме составляет ±3 °С.
Список использованной литературы
1. Кручинин В. А., Махмудов К. М., Миронов Ю. М. Автоматическое управление электротермическими установками : учебник для вузов. М. : Энергоатомиздат, 1990. 416 с.
2. Горячих Е. В., Щербаков А. В. Разработка способов и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления. М. : МЭИ, 2016. 125 с.
3. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М. : Наука, 2004. 325 с
4. Малафеев С. И., Малафеева А. А. Системы автоматического управления. Владимир : ВлГУ, 1998. 218 с.
5. Малафеев С. И., Малафеева А. А. Моделирование и расчет автоматических систем управления : учеб. пособие. Владимир : ВлГу, 2003. 56 с.