УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ХОЛСТООБРАЗОВАНИЯ И НАМАТЫВАНИЯ

Полезная модель относится к области производства нетканых материалов, в частности к процессу подачи, формирования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, и может быть использовано в других областях промышленности, где находят применение транспортирующие и наматывающие механизмы.
Известно устройство для управления процессом подачи, формирования и наматывания волокнистого материала, содержащее электропривод подачи волокнистого материала, электропривод органов чесания, электропривод термокамеры, электропривод наматывающего устройства, обеспечивающие постоянство натяжения холста с помощью датчика натяжения, выполненное с возможностью синхронного управления для стабилизации линейной плотности продукта и обеспечения процесса формирования, вытягивания и наматывания холста с заданным натяжением [1].
Недостатком устройства является отсутствие единого непрерывного процесса подачи, формирования, термообработки, транспортирования и наматывания волокнистого продукта.
Технический результат - повышение точности и быстродействия управления процессом подачи, формирования, термообработки, транспортирования и наматывания волокнистого продукта по заданной линейной плотности за счет оптимизации и согласования частот вращения рабочих органов электротехнического комплекса.
Указанный результат достигается тем, что устройство для управления процессом холстообразования и наматывания, содержащее электропривод механизма подачи, вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ, на первый вход которой поступает сигнал задания поверхностной плотности, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого связан с выходом датчика массы, вход которого кинематически соединен со стержнем весовой коробки, и через аналогово-цифровой преобразователь со вторым входом микро-ЭВМ, выход суммирующего устройства через регулятор напряжения подключен к асинхронному двигателю, вал которого через многоступенчатый редуктор соединен с приводными валами отбойного валика, уравнивающего гребня, подводящей решетки, игольчатой решетки, электропривод уплотняющего щитка и эксцентрика, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения съемного вала, который кинематически связан со съемным валом, выход суммирующего устройства через усилитель мощности подключен к двигателю постоянного тока, вал которого через двухступенчатый редуктор соединен с приводными валами кривошипно-шатунного механизма уплотняющего щитка и эксцентрика, кинематически связанного с весовой коробкой, электропривод питающей решетки и укатывающего валика, вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения съемного вала, выход суммирующего устройства через регулятор напряжения подключен к асинхронному двигателю, вал которого через двухступенчатый редуктор соединен с приводными валами питающей решетки и укатывающего валика, электропривод органов чесания, вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, преобразователя частоты и асинхронного двигателя, выходной вал которого через многоступенчатый редуктор связан с валами органов чесания, электропривод съемного вала, вход которого подключен к пятому выходу микро-ЭВМ, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения раскладчика преобразователя прочеса, который кинематически связан с валом раскладчика преобразователя прочеса, выход суммирующего устройства через усилитель мощности подключен к двигателю постоянного тока, вал которого через редуктор механически соединен со съемным валом, кинематически связанным с датчиком частоты вращения съемного вала, электропривод транспортера преобразователя прочеса, вход которого подключен к шестому выходу микро-ЭВМ, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения раскладчика преобразователя прочеса, который кинематически связан с валом раскладчика преобразователя прочеса, выход суммирующего устройства соединен через преобразователь частоты с асинхронным двигателем, вал которого через редуктор соединен с приводным валом транспортера преобразователя прочеса, электропривод раскладчика преобразователя прочеса, вход которого подключен к седьмому выходу микро-ЭВМ, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого подключен к выходу электронного переключателя, один из входов которого соединен через цифро-аналоговый преобразователь с восьмым выходом микро-ЭВМ, второй его вход подключен к выходу бесконтактного датчика линейной плотности холста, установленного в зоне транспортера термокамеры, и через аналогово-цифровой преобразователь к третьему входу микро-ЭВМ, выход суммирующего устройства соединен через преобразователь частоты с асинхронным двигателем, вал которого через редуктор связан с приводным валом раскладчика преобразователя прочеса, электропривод транспортера термокамеры, вход которого подключен к девятому выходу микро-ЭВМ, состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, регулятора напряжения и асинхронного двигателя, вал которого через редуктор кинематически соединен с приводным валом транспортера термокамеры и валом датчика частоты вращения транспортера термокамеры, электропривод наматывающего устройства, вход которого подключен к десятому выходу микро-ЭВМ, на четвертый вход которой поступает сигнал задания натяжения, состоящий из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения, установленного в свободной зоне наматывающего устройства, третий вход суммирующего устройства соединен с выходом датчика частоты вращения транспортера термокамеры, который кинематически связан с приводным валом транспортера термокамеры, выход суммирующего устройства соединен через регулятор напряжения с асинхронным двигателем, выходной вал которого соединен кинематически через редуктор с валом наматывающего устройства, при этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью задания требуемых значений поверхностной плотности холста и натяжения при наматывании, а также вырабатывает сигналы задания скоростей рабочих органов, соответствующих заправочному и рабочему режимам.
На фигуре 1 приведена структурная схема устройства для управления процессом холстообразования и наматывания.
На фигуре 2 представлены возможные законы изменения скорости игольчатой решетки.
На фигуре 3 приведена блок-схема алгоритма работы микро-ЭВМ.
Управляемая электротехническая система формирования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта содержит электроприводы механизма подачи, уплотняющего щитка и эксцентрика, питающей решетки и укатывающего валика, органов чесания, съемного вала, транспортера преобразователя прочеса, раскладчика преобразователя прочеса, транспортера термокамеры, наматывающего устройства.
Электропривод механизма подачи (1), вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ (2), на первый вход которой поступает сигнал задания поверхностной плотности, состоящий из цифро-аналогового преобразователя (3), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (4), второй которого вход связан с выходом датчика массы (5), вход которого кинематически соединен со стержнем (6) весовой коробки (7), и через аналогово-цифровой преобразователь (8) со вторым входом микро-ЭВМ (2), выход суммирующего устройства (4) через регулятор напряжения (9) подключен к асинхронному двигателю (10), вал которого через многоступенчатый редуктор (11) соединен с приводными валами отбойного валика (12), уравнивающего гребня (13), подводящей решетки (14), игольчатой решетки (15).
Электропривод уплотняющего щитка и эксцентрика (16), вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из цифро-аналогового преобразователя (17), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (18), второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения (19) съемного вала (20), который кинематически связан со съемным валом (20), выход суммирующего устройства (18) через усилитель мощности (21) подключен к двигателю постоянного тока (22), вал которого через двухступенчатый редуктор (23) соединен с приводными валами кривошипно-шатунного механизма (24) уплотняющего щитка (25) и эксцентрика (26), кинематически связанного с весовой коробкой (7).
Электропривод питающей решетки и укатывающего валика (27), вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из цифро-аналогового преобразователя (28), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (29), второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения (19) съемного вала (20), выход суммирующего устройства (29) через регулятор напряжения (30) подключен к асинхронному двигателю (31), вал которого через двухступенчатый редуктор (32) соединен с приводными валами питающей решетки (33) и укатывающего валика (34).
Электропривод органов чесания (35), вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (36), преобразователя частоты (37) и асинхронного двигателя (38), выходной вал которого через многоступенчатый редуктор (39) связан с валами органов чесания (40).
Электропривод съемного вала (41), вход которого подключен к пятому выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из цифро-аналогового преобразователя (42), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (43), второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения (44) раскладчика (45) преобразователя прочеса, который кинематически связан с валом раскладчика (45) преобразователя прочеса, выход суммирующего устройства (43) через усилитель мощности (46) подключен к двигателю постоянного тока (47), вал которого через редуктор (48) механически соединен со съемным валом (20), кинематически связанным с датчиком частоты вращения (19) съемного вала (20).
Электропривод транспортера преобразователя прочеса (49), вход которого подключен к шестому выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из цифро-аналогового преобразователя (50), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (51), второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения (44) раскладчика (45) преобразователя прочеса, который кинематически связан с валом раскладчика (45) преобразователя прочеса, выход суммирующего устройства (51) соединен через преобразователь частоты (52) с асинхронным двигателем (53), вал которого через редуктор (54) соединен с приводным валом транспортера (55) преобразователя прочеса.
Электропривод раскладчика преобразователя прочеса (56), вход которого подключен к седьмому выходу микро-ЭВМ (2), состоящий из цифро-аналогового преобразователя (57), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (58), второй вход которого подключен к выходу электронного переключателя (59), один из входов которого соединен через цифро-аналоговый преобразователь (60) с восьмым выходом микро-ЭВМ (2), второй его вход подключен к выходу бесконтактного датчика линейной плотности холста (61), установленного в зоне транспортера (62) термокамеры, и через аналогово-цифровой преобразователь (63) к третьему входу микро-ЭВМ (2), выход суммирующего устройства (58) соединен через преобразователь частоты (64) с асинхронным двигателем (65), вал которого через редуктор (66) связан с приводным валом раскладчика (45) преобразователя прочеса.
Электропривод транспортера термокамеры (67), вход которого подключен к девятому выходу микро-ЭВМ (2), состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (68), регулятора напряжения (69) и асинхронного двигателя (70), вал которого через редуктор (71) кинематически соединен с приводным валом транспортера (62) термокамеры и валом датчика частоты вращения (72) транспортера (62) термокамеры.
Электропривод наматывающего устройства (73), вход которого подключен к десятому выходу микро-ЭВМ (2), на четвертый вход которой поступает сигнал задания натяжения, состоящий из цифро-аналогового преобразователя (74), выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства (75), второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения (76), установленного в свободной зоне наматывающего устройства (77), третий вход суммирующего устройства (75) соединен с выходом датчика частоты вращения (72) транспортера (62) термокамеры, который кинематически связан с приводным валом транспортера (62) термокамеры, выход суммирующего устройства (75) соединен через регулятор напряжения (78) с асинхронным двигателем (79), выходной вал которого соединен кинематически через редуктор (80) с валом наматывающего устройства (77).
Функциональные назначения элементов системы автоматического регулирования.
Система электропривода играет существенную роль в обеспечении эффективности работы управляемого электротехнического комплекса. Изменение частоты вращения влияет на производительность, равномерность физико-механических свойств и качество конечного продукта.
Электропривод управляемого электротехнического комплекса обеспечивает следующие основные требования:
1. Диапазон изменения частот вращения рабочих органов должен быть равен диапазону изменения производительности.
2. Пуск двигателей электроприводов должен быть плавным и продолжаться не более 30 секунд.
3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: в пуско-тормозных с заданной интенсивностью и в режиме стабилизации скоростных режимов в свободной зоне при изменении диаметра наматывания.
4. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянную частоту вращения электроприводов с отклонением, равным не более 0,5-1%.
5. Система автоматического регулирования должна быть устойчивой во всех режимах и ограничивать имеющие место колебания питающего напряжения в установившемся режиме в пределах ±5%.
Практически построение для данного режима задачи сводится к разработке оптимальной CAP. Использование, в частности, электропривода по системе «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, увеличением коэффициента полезного времени. Кроме того, применение ресурсосберегающих микропроцессорных регуляторов напряжения позволяет снизить уровень потребления электрической энергии, особенно в режиме холостого хода, а также обеспечить управление интенсивностью пуско-тормозных режимов.
Авторами разработан лабораторный стенд, моделирующий устройство для управления процессом холстообразования и наматывания, основу которого составили: многофункциональный регулятор напряжения МРН000, управляющий асинхронным короткозамкнутым двигателем 4A90L4 мощностью 7,5 кВт; комплектный регулируемый электропривод постоянного тока ЭПУ-2-1Е с двигателем постоянного тока ПБСТ-52 мощностью 5,5 кВт; комплектный электропривод постоянного тока типа АТЕЗ-50/230Р мощностью 2,5 кВт; датчики частоты вращения ДЧ 53/18, комплектный параметрический асинхронный регулируемый электропривод серии КПЭ, комплектный асинхронный электропривод с векторным управлением «Размер 2М-5-21», комплектный синхронный электропривод ЭПБ2.
Устройство работает следующим образом.
Перед пуском устройства напряжение подается на блоки питания микро-ЭВМ, аналогово-цифровые преобразователи, усилители мощности, регуляторы напряжения, преобразователи частоты, датчики частоты вращения, датчик массы, бесконтактный датчик линейной плотности, датчик натяжения.
Пуск линии производится в двух режимах: заправочном и рабочем с автоматическим переключением. Заправочный режим начинается с одновременного включения электроприводов 1, 16, 27, 35, 41, 49, 56, 67. При этом устанавливается заданная частота вращения рабочих органов. В данном режиме скорость транспортера термокамеры минимальна.
Программа в микро-ЭВМ поддерживает постоянную загрузку чесальной машины и следит за формированием холста.
Электропривод (1) и приводимые им в движение рабочие органы должны обеспечивать постоянство массы порции за счет изменения скоростного режима рабочих органов по заданному закону. Замена коромысла весового механизма на тензорезисторный датчик массы типа SBA (5) позволяет повысить точность измерения массы до 0,02%.
Принцип работы датчика (5) заключается в увеличении активного сопротивления на его выходе при действии сил растяжения со стороны стержня (6) весовой коробки (7).
u.p.
Сигнал датчика массы (5) используется для отключения и включения электропривода (1), а также для изменения производительности игольчатой решетки. В зависимости от коэффициента усиления сигнала датчика (5) скоростной режим игольчатой решетки (v) может быть обеспечен от линейного (фиг.2, а) до экспоненциального (фиг.2, б). При малом коэффициенте снижение скорости игольчатой решетки происходит линейно с существенным временем выстоя после отключения электропривода (1). При большом коэффициенте усиления скорость изменяется по экспоненте с малым временем выстоя. Коэффициент усиления датчика рассчитывается по максимальной требуемой производительности самовеса и не изменяется во время работы. Предпочтительным является экспоненциальный закон (фиг.2, б), т.к. при этом уменьшается влияние инерционности рабочих органов на варьирование массы порции.
Микро-ЭВМ, используя сигнал датчика (5), преобразованный аналогово-цифровым преобразователем 8, обеспечивает соответствие массы волокна заданному значению в момент отключения электропривода.
Работа электропривода механизма подачи (1) происходит следующим образом. При запуске линии сигнал от датчика массы (5) соответствует нулевой массе, что приводит к включению электропривода механизма подачи (1). Скорости рабочих органов достигают заданных значений. Волокнистый материал подается в весовую коробку (7). Масса волокна в коробке увеличивается. За счет обратной отрицательной связи, образуемой в контуре «Электропривод - Весовая коробка - Датчик массы» скорость рабочих органов уменьшается в соответствии с заданным законом. В момент, когда масса волокна достигла заданного значения (400 г), микро-ЭВМ, реагируя на сигнал датчика (5), отключает электропривод (1).
Электропривод эксцентрика и уплотняющего щитка (16) обеспечивает формирование непрерывного питающего слоя волокнистого материала, образуемого на питающей решетке, и постоянство его линейной плотности. Цикл работы весовой коробки (7) рассчитывается таким образом, что за данное время масса волокна в коробке достигает заданного значения, а на питающей решетке остается некоторое количество волокна.
Электропривод питающей решетки и укатывающего валика (27) обеспечивает загрузку чесальной машины при максимально возможной производительности линии.
Электропривод органов чесания (35) поддерживает скорости рабочих органов чесальной машины (40) на постоянном уровне,
Электропривод съемного вала (41) должен обеспечивать согласование производительности чесальной машины и механического преобразователя прочеса. За счет датчика частоты вращения (19), установленного на съемном валу (20), происходит согласование загрузки чесальной машины и коэффициента съема прочеса. При пуске линии сигнал с датчика (19) равен нулю, следовательно, запуск электроприводов (16) и (27) производится синхронно с электроприводом (41). Если частота вращения съемного вала уменьшается, то за счет двух обратных положительных связей, образуемых датчиком (19) и суммирующими устройствами (18) и (29), частота вращения последних (16) и (27) уменьшается. Таким образом, загрузка чесальной машины и коэффициент съема выравниваются.
Электропривод транспортера преобразователя прочеса (49) обеспечивает расчетную линейную скорость перемещения прочеса, снимаемого с чесальной машины. Синхронно работающий с ним электропривод раскладчика преобразователя прочеса (56) обеспечивает формирование волокнистого холста с заданной поверхностной плотностью за счет возвратно-поступательного движения раскладчика (45). На валу редуктора (66) раскладчика установлен датчик частоты вращения (44), который образует обратные положительные связи с электроприводами (41) и (49). При пуске линии сигнал с датчика (44) равен нулю, следовательно, запуск электроприводов (41) и (49) производится синхронно с электроприводом (56). Повышение частоты вращения раскладчика приводит к увеличению сигнала управления электроприводами (41) и (49), и их частота вращения повышается. Таким образом, скорость съемного вала (20), а значит, и коэффициент съема прочеса согласуются с требуемой производительностью механического преобразователя прочеса.
Электропривод транспортера термокамеры (67) обеспечивает движение сформированного холста внутри термокамеры в течение заданного времени. В заправочном режиме скорость транспортера (62) устанавливается на минимальном уровне 0,2 м/мин для слежения за линейной плотностью формирующегося холста с помощью установленного в начальной зоне транспортера датчика линейной плотности (61). Принцип работы датчика заключается в уменьшении амплитуды колебаний ультразвуковой волны при прохождении от излучателя к приемнику через волокнистый материал. В заправочном режиме обратная отрицательная связь, образуемая датчиком линейной плотности (61) и суммирующим устройством (58), отключена электронным переключателем (59).
Как только сигнал, поступающий от датчика линейной плотности (61) через аналогово-цифровой преобразователь (63) к третьему входу микро-ЭВМ (2), будет соответствовать линейной плотности сформированного холста, микро-ЭВМ переключается в рабочий режим работы линии. При этом скорость транспортера термокамеры (62) устанавливается на уровне, соответствующем технологическому регламенту, а электронный переключатель (59) включает обратную отрицательную связь, образуемую датчиком линейной плотности (61) и суммирующим устройством (58). За счет данной обратной связи в рабочем режиме поддерживается постоянство линейной плотности готового холста, выходящего из термокамеры. При превышении линейной плотности допустимого порога сигнал датчика линейной плотности (61) уменьшает сигнал управления электроприводом раскладчика преобразователя прочеса (56). Скорость раскладчика (45) уменьшается, и за счет обратных связей корректируются скорости остальных рабочих органов.
Электропривод наматывающего устройства (73) запускается в рабочем режиме и обеспечивает наматывание готового холста с заданным натяжением. Электропривод (73) имеет обратную положительную связь, образованную датчиком частоты вращения (72), установленным на валу транспортера термокамеры (62), и суммирующим устройством (75). Данная обратная связь обеспечивает синхронный пуск электроприводов (67) и (73).
Намотка осуществляется по заданной в микро-ЭВМ программе и корректируется с помощью датчика натяжения (76). Датчик измеряет натяжение в свободной зоне между направляющими и наматывающими валами. При увеличении натяжения сигнал от датчика уменьшает сигнал управления электроприводом (73), что приводит к снижению частоты вращения вала привода наматывающего устройства. Диапазон регулирования частоты вращения составляет 35:1. Скорость приема определяется производительностью термокамеры и обеспечивается в пределах 4-5 м/мин.
Работа микро-ЭВМ (2) осуществляется в соответствии с алгоритмом (фиг.3). Переменные, используемые в блок-схеме алгоритма, означают соответственно: U1-U9 - сигналы задания скорости для электроприводов (1, 16, 27, 35, 41, 49, 56, 67, 73); Uэл.п - сигнал для электронного переключателя, принимающий значения логического «0» или «1»; M - текущее значение массы от датчика (5); Мзад - заданное значение массы; ЛП - текущее значение линейной плотности от датчика (63); ЛПзад - заданное значение линейной плотности. Алгоритм начинается с введения в память микро-ЭВМ требуемых значений поверхностной плотности холста и натяжения при наматывании. Далее происходит вычисление значений скоростей рабочих органов, соответствующих заправочному режиму. Следующая часть алгоритма представляет собой двухуровневый цикл слежения за значением линейной плотности холста и массы порции, который обеспечивает постоянное формирование порций волокна. Выход из цикла происходит при равенстве значения линейной плотности холста расчетному. Далее микро-ЭВМ вычисляет скорости рабочих органов в соответствии с рабочим режимом, и начинается цикл слежения за значением массы порции. В каждом режиме существует возможность останова электротехнического комплекса, который происходит путем подачи соответствующих сигналов на выходы микро-ЭВМ, после чего алгоритм заканчивается.
Источники информации
1. Поляков А.Е., Поляков К.А., Серяков И.Н., Трыков Р.В., Бордовская Т.П. Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания. Патент на полезную модель №86191. Бюл. №24, 2009.