Dziś jest czwartek, 5 grudzień 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8566 -0.21% 1EUR 4.2777 -0.04% 1GBP 5.0651 +0.4%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Produkcja w Polsce w kontekście Czwartej Rewolucji Przemysłowej
więcej
72 edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu - Kielce - Relacja
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
12 grudzień 2019
XII EDYCJA SEMINARIUM Z ZAKRESU "Eksploatacji urządzeń elektrycznych w strefach zagrożenia wybuchem Ex ATEX" 
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
27 czerwiec 2012.

Synteza układu stabilizującego energię promieniowania cieplnego w zespołach uplastyczniających maszyn wytwarzających opakowania z PET

Synteza układu stabilizującego energię promieniowania cieplnego w zespołach uplastyczniających maszyn wytwarzających opakowania z PET

Streszczenie: Przedstawiono nowe rozwiązanie układu stabilizującego energię promieniowania cieplnego emitowanego w zespołach uplastyczniających preformy z PET. Typowymi elementami grzejnymi są lampowe promienniki podczerwieni zasilane z przekszta łtników elektrycznych, pracujących w torze otwartym. Takie rozwiązanie charakteryzuje się wrażliwością na zakłócenia powodowane zmianami napięcia w sieci energetycznej. Wpływ tych zakłóceń może być kompensowany przez układ regulacji ze sprzę- żeniem zwrotnym od temperatury uplastycznionych preform. Jednak metoda ta charakteryzuje się długimi czasami regulacji, spowodowanymi dużą inercją obiektu sterowania, opóźnieniem w torzepomiarowym temperatury a także dyskretnym (okresowym) charakterem pomiaru. Istotą zaproponowanego rozwiązania jest utworzenie wewnętrznego obwodu regulacji z pomiarem mocy emitowanego promieniowania oraz wewnętrznym regulatorem sterującym przekształtnikiem. Nowe rozwiązanie może stanowić autonomiczny układ wykorzystywany w zespołach grzewczych maszyn lub też tworzyć wewnętrzny obwód układu kaskadowego, sterującego temperaturą uplastycznianych preform w maszynach wytwarzających opakowania z PET.
Słowa kluczowe: sterowanie kaskadowe, synteza sterowania, uplastycznianie preform z PET

1. Sformułowanie problemu

Aktualnie można zaobserwować gwałtowny rozwój technologii formowania wyrobów z poli(tereftalanu etylenu) - PET metodą rozciągania z rozdmuchiwaniem (butelek, słoików itp.). Dla poprawnego przebiegu tej technologii podstawowe znaczenie ma faza nagrzewania (uplastyczniania) wstępnie uformowanych pojemników zwanych preformami [1]. Zazwyczaj w procesie uplastyczniania preform wykorzystywane jest promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie podczerwieni. Uplastycznianie odbywa się w tunelu wyposażonym w elektryczne promienniki podczerwieni w kształcie prętów, umieszczonych prostopadle do osi podłużnej preformy. Pogrupowane elementy grzewcze tworzą od kilku do kilkunastu niezależnie sterowanych stref rozmieszczonych wzdłuż osi preformy. Przyładowe rozwiązanie konstrukcyjne wnętrza tunelu uplastyczniaj ącego, z siedmioma strefami grzewczymi oraz z przenośnikiem łańcuchowym, zostało pokazane na rys. 1.

Istotą uplastyczniania w takim rozwiązaniu jest dostarczenie energii cieplnej do materiału preform przez promieniowanie. Aby nie dopuścić do przegrzania materiału na powierzchni zewnętrznej oraz elementów konstrukcyjnych tunelu, wnętrze jest intensywnie schładzane przez wentylatory wyciągowe.

Elementy grzewcze zasilane są z reguły napięciem przemiennym, a dostarczana moc elektryczna jest sterowana bezstopniowo w torze otwartym z wykorzystaniem przekształtników z modulacją fazową [2]. Jest to rozwiązanie ekonomiczne (brak kosztownych układów pomiaru mocy czynnej - sprzężeń zwrotnych) ale wrażliwe na czynniki zakłócające, przede wszystkim na niestabilność parametrów sieci energetycznej (napięcia).

W nowoczesnych zespołach uplastyczniających stosowane są układy regulacji ze sprzężeniem zwrotnym od temperatury uplastycznionych preform, mierzonej przetwornikami pirometrycznymi [3]. Wadami tego rozwiązania są długie czasy regulacji spowodowane dużą inercją obiektu sterowania, toru pomiarowego temperatury, czystym opóźnieniem układu transportowego preform, a także dyskretnym (okresowym) charakterem pomiaru [4].


Rys. 1. Widok wnętrza zespołu ogrzewającego preformy

Istotą zaproponowanego i opisanego w pracy rozwiązania jest utworzenie wewnętrznego obwodu regulacji mocy elektrycznej, ze sprzężeniem zwrotnym od zmierzonego natężenia promieniowania emitowanego przez promienniki. Rozwiązanie to może stanowić autonomiczny układ wykorzystywany w zespo łach grzewczych różnych maszyn lub tworzyć obwód wewnętrzny układu kaskadowego stabilizującego temperaturę uplastycznianych preform w maszynach wytwarzających opakowania z PET.

2. Obiekt sterowania

Na rys.  2. przedstawiony został schemat blokowy układu regulacji temperatury uplastycznianych preform. Obiektem sterowania jest proces transportu energii cieplnej do materiału ścian preform. Oznaczenia zamieszczone na rys. 2. określają:


Rys. 2. Schemat blokowy układu regulacji temperatury uplastycznianych preform

PR1 - proces przemiany energii elektrycznej głównie w energię promieniowania elektromagnetycznego,
PR2 - proces absorpcji energii promienistej w materiale ścian uplastycznianych preform,
W - urządzenie wykonawcze nastawiające moc prądu elektrycznego zasilającego elementy grzewcze (typowo przekształtniki elektryczne z modulacją fazową),
R1 - regulator temperatury preform (z algorytmem PID),
UZ(t) - napięcie w sieci energetycznej (wartość skuteczna),
u1 (t) - sygnał sterujący związany z nastawianiem mocy elektrycznej zasilającej elementy grzewcze,
PEL (t) - moc prądu elektrycznego dostarczanego do elementów grzewczych (sygnał nastawiający wygenerowany przez urządzenie wykonawcze W),
PPC (t) - moc energii promienistej wydzielonej w pasmach absorpcji materiału preform,
TPET0- wartość zadana temperatury uplastycznionej preformy,
TPET (t)- temperatura materiału uplastycznionych preform,
e1 (t) - uchyb regulacji temperatury preform,
UP1 - urządzenie pomiarowe określające temperaturę uplastycznionych preform (typowo pirometr),
y1 (t) - sygnał reprezentujący temperaturę ogrzanych preform,
z(t) - zakłócenia oddziałujące na proces uplastyczniania.

Głównym czynnikiem zakłócającym przebieg procesu uplastyczniania jest zmiana wartości skutecznej napięcia zasilającego UZ (t). Dodatkowo silnie odkształcony przebieg napięcia jest przyczyną zakłóceń w pracy przekształtnika W (sterownika tyrystorowego z modulacją fazową) i powoduje niepożądane skokowe zmiany mocy PEL (t), dostarczanej do promienników podczerwieni.

Negatywny wpływ niestabilności mocy elektrycznej PEL (t), dostarczanej do promienników a także innych zakłóceń z(t) na proces uplastyczniania, jest kompensowany przez główny obwód regulacji z regulatorem R1 oraz sprzężeniem zwrotnym, utworzonym od temperatury uplastycznionych preform TPET (t). Jednak jakość dynamiczna sterowania tego obwodu regulacji jest niezadawalająca w przypadku zakłóceń UZ (t) o charakterze skokowym i amplitudzie przekraczającej 20 V (5 % napięcia znamionowego). Stosunkowo długie czasy regulacji wynikają z dużej inercji obiektu sterowania (zastępcza stała czasowa ponad 100 s), czystego opóźnienia zwią- zanego z transportem preform poza tunel (czas opóźnienia nawet do 15 s) oraz algorytmem uśredniania wyników pomiarów temperatury (zastępcza stała czasowa do 20 s) [4].

3. Pośredni pomiar mocy promieniowania cieplnego

Poprawę jakości dynamicznej sterowania temperaturą preform w procesie uplastyczniania można uzyskać przez wprowadzenie dodatkowego, wewnętrznego układu stabilizacji mocy elektrycznej, dostarczanej do elementów grzewczych zespołu uplastyczniającego. W tym celu mogą być zastosowane autonomiczne sterowniki mocy z układami pomiarowymi mocy czynnej, działające w torze zamkniętym [5]. Ponieważ w maszynach do wytwarzania pojemników z PET stosuje się nawet do 20 niezależnie sterowanych stref grzewczych (do 3 kW każda), łączny koszt takich regulatorów mocy jest znaczny (w stosunku do ceny kompletnej maszyny).

Autorzy zaproponowali metodę alternatywną, polegającą na utworzeniu wewnętrznego obwodu stabilizacji mocy promieniowania cieplnego, emitowanego przez promienniki podczerwieni. Ogólny schemat blokowy tego obwodu regulacji przedstawiono na rys. 3. Oznaczenia na rysunku określają:

GRW - właściwości regulatora obwodu wewnętrznego (regulatora mocy promieniowania),
GO - właściwości obiektu sterowania w obwodzie wewnętrznym (promiennika podczerwieni zasilanego sterownikiem tyrystorowym),
GH - właściwości toru sprzężenia zwrotnego (toru pomiarowego mocy promienistej),
u1 (t) - sygnał wartości zadanej dla mocy elektrycznej dostarczanej do promiennika podczerwieni (tożsamy z sygnałem na rys. 2),
y2 (t) - pośrednia miara mocy elektrycznej faktycznie dostarczanej do promiennika podczerwieni,
e2 (t) - uchyb regulacji mocy,
u2 (t) - sygnał sterujący (nastawiający) moc elektryczną.

W roli przetwornika pomiarowego GH strumienia energii promienistej zastosowano termoparę listkową. Przeprowadzone próby wykazały, że właściwości dynamiczne takiego przetwornika mogą być opisane transmitancją członu inercyjnego pierwszego rzędu [6], ze stałą czasową wynoszącą około 11 s. Oznacza to, że wpływ zakłóceń na proces uplastyczniania (w szczególno ści zmian napięcia zasilającego UZ (t)) może być "dostrzeżony" w sygnale y2 (t) po czasie kilkukrotnie mniejszym niż w sygnale TPET (t). Przedstawiony na rys. 3 wewnętrzny obwód sterowania mocą, wraz z obwodem zewnętrznym z rys. 2, tworzą kaskadowy układ regulacji [6] temperatury uplastycznianych preform.

4. Synteza układu sterowania mocą promieniowania cieplnego

W syntezie wewnętrznego obwodu regulacji mocy promieniowania cieplnego (rys. 3) zastosowano metodę modelu [7]. Poszukiwano takich właściwości toru głównego oraz sprzężenia zwrotnego, dla których właściwości całego obwodu (transmitancja zastępcza GOW ) będą proporcjonalne lub o bardzo niewielkiej inercji. Rozpatrywano trzy rozwiązania.

Zgodnie z rozwiązaniem pierwszym (A), w torze głównym znajdują się:

  • obiekt, którym jest promiennik podczerwieni zasilany sterownikiem tyrystorowym, o transmitancji:

  • przetwornik pomiarowy w postaci termopary listkowej o transmitancji:

    gdzie: kP - wzmocnienie statyczne przetwornika pomiarowego,
    TP - stała czasowa przetwornika pomiarowego,
  • algorytm sterowania o transmitancji:


    gdzie:


Rys. 3. Schemat blokowy wewnętrznego obwodu regulacji mocy promieniowania cieplnego

K - całkowite wzmocnienie statyczne układu, TA - dobierany parametr algorytmu sterowania (zwykle TA ~TP ),warunek dodatkowy KkP < 1.

Rozwiązanie drugie (B). W torze sprzężenia zwrotnego zawarta jest transmitancja (2), a tor główny utworzono przez obiekt o transmitancji (1) oraz algorytm sterowania o transmitancji:

gdzie: Ti - czas całkowania, kR - wzmocnienie statyczne.
Dla czasów całkowania:

układ będzie charakteryzował się aperiodyczną charakterystyką skokową o stałych czasowych:

Z kolei dla Ti:

charakterystyka skokowa będzie miała przebieg oscylacyjny o tłumieniu §





 


Rys. 4. Wybrane odpowiedzi skokowe układu regulacji mocy w wariantach (A), (B), (C)

Częstość drgań własnych nietłumionych tego układu wyniesie:

natomiast okres oscylacji drgań tłumionych będzie miał warto ść:

Rozwiązanie trzecie (C) charakteryzuje tor główny o transmitancjach:

oraz sprzężenie zwrotne utworzone przez przetwornik (2) i element korygujący o transmitancji:

gdzie: T1 - stała czasowa (T1 > TP ), a - parametr o dobieranej wartości (a = 0,05-0,1 lub a = Ti /TP ). Na rys. 4. przedstawione zostały wybrane odpowiedzi skokowe wewnętrznego obwodu regulacji mocy o właściwościach GOW wed ług trzech omówionych rozwiązań (A), (B) i (C) dla wybranych wartości parametrów: kR , Ti , TA , a.

5. Wnioski

Zaproponowano i omówiono metodę automatycznej regulacji mocy cieplnej, wydzielanej w zespołach uplastyczniających preformy z poli(tereftalanu etylenu). Jej istotą jest utworzenie sprzężenia zwrotnego od strumienia energii promienistej emitowanej wewnątrz zespołu.

Przeanalizowano trzy różne warianty układu regulacji dla tych samych warunków technologicznych, z których:

  • rozwiązanie pierwsze (A) charakteryzuje zerowy błąd statyczny położenia oraz czas regulacji zbliżony do trzykrotnej wartości stałej czasowej TP przetwornika pomiarowego promieniowania (ok. 30 s),
  • wariant drugi (B), z klasycznym regulatorem PI, jest najprostszy w realizacji technicznej. Cechuje go zerowy błąd statyczny a czas regulacji kształtuje się w zakresie od 15 s dla Ti > TP do 30 s dla Ti < TP ,
  • rozwiązanie trzecie (C) charakteryzuje bardzo krótki czas regulacji, który wynosi 1 s dla kR = 2. Jednak w rozwiązaniu tym występuje błąd statyczny położenia zależny od wzmocnienia statycznego kR . Dla kR = 2 błąd ten nie przekracza 3 %.

Z przedstawionego porównania wynika, że w przypadku szybkozmiennych (skokowych) zakłóceń napięcia zasilania, tak jak ma to miejsce w warunkach przemysłowych, najbardziej przydatne jest rozwiązanie trzecie (C).

Bibliografa

1. Brooks D.W., Giles G.A.: PET Packaging Technology, Wiley-Blackwell, New York 2002.
2. Frąckowiak L.: Przekształtniki i łączniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000.
3. Stączek P.: Metoda pomiaru temperatury powierzchni preform z PET w procesie uplastyczniania, Budowa Maszyn i Zarządzanie Produkcją, 2010, 14, 83-88.
4. Stączek P., Płaska S.: Identyfkacja właściwości dynamicznych zespołu uplastyczniającego preformy z PET w maszynach rozdmuchowych, "Archives of Mechanical Technology and Automation", 2010, 30, 169-174.
5. [www.olicorp.ch/products/power/].
6. Kaczorek T., Dzieliński A., Dąbrowski W., Łopatka R.: Podstawy teorii sterowania, WNT, Warszawa 2006.
7. Larminat P.: Automatyka - układy liniowe. T. 3, Sterowanie, WNT, Warszawa 1983.

 

prof. dr hab. inż. Stanisław Płaska

Ur. 1947 r., profesor nauk technicznych, od 1991 r. założyciel i kierownik Katedry Automatyzacji Politechniki Lubelskiej, specjalizuje się w metodach sterowania procesami technologicznymi, opisie matematycznym procesów, technikach monitorowania, diagnostyki i nadzorowania procesów, zarządzania jakością, komputerowej integracji wytwarzania.
e-mail: automat@pollub.pl
dr Paweł Stączek

Ur. 1972 r., doktor nauk technicznych w dyscyplinie Mechanika i Budowa Maszyn, adiunkt w Katedrze Automatyzacji Politechniki Lubelskiej, specjalizuje się w modelowaniu, optymalizacji oraz sterowaniu systemów wielowymiarowych.
e-mail: p.staczek@pollub.pl
Źródło: PAR
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl