В.А. Старовойтов Автоматическая система регулирования температуры в электротермической печи (ЭТП)

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа действия ЭТП (объект управления) и технических средств автоматического управления (управляющее устройство) температурой в ней.

Получение практических навыков работы с аппаратурой автоматического контроля и управления в эксплуатационных режимах ЭТП.

2.ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

2.1.Изучение настоящих методических указаний и ознакомление с техническими средствами, размещенными на стенде.

2.2.Практическая реализация типовых технологических процессов в ЭТП при непрерывном исследовании режимов: разогрев - выдержка - охлаждение с одновременным их документированием на диаграмме вторичного измерительного прибора.

2.3.Анализ переходных процессов в ЭТП. Определение автоматическим путем динамической характеристики (переходной) управляемого объекта.

3.ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет составляется в одном экземпляре для группы из 4-5 исполнителей с указанием группы и фамилий. Он должен содержать полученный при проведении работы документ (отрезок диаграммы с кривой переходных процессов) или его копию, выполненную на кальке. Кроме того должен быть представлен расчет переходной характеристики ЭТП при охлаждении.

4.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

4.1.Электротермические устройства

В промышленных технологиях довольно широко применяют нагревание продуктов, штучных изделий, промежуточных теплоносителей электрическим током. По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, индукционные и дуговые [1, c. 158-160]. Наиболее распространены

2

электропечи сопротивления, которые в свою очередь подразделяются на печи прямого действия (электроток пропускается непосредственно через нагреваемое тело) и печи косвенного действия. Для последних применяются специальные электронагревательные элементы, которые нагреваются под действием проходящего по ним тока. Выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией.

В зависимости от конструкции теплонагревателей нагревание может осуществляться до различных температур. Так для трубчатых электронагревателей (ТЭНов) максимальные температуры соответствуют 250-3500С и обычно они используются в установках для нагрева воздуха, воды и водных растворов, масел в электропечах, сушильных шкафах, а также в пресс-формах, штампах. ТЭНы выпускаются дли-

ной от 250 до 6000 мм мощностью от 0,1 до 25 кВт [2, c. 168-172].

Разработанные в последнее время металлокерамические электронагреватели с удельным электросопротивлением в сотни раз большим, чем у часто применяемого нихрома, позволяют достаточно дол-

го работать в режиме «включено-выключено» при температуре до

7000С.

Более высокие температуры (1000-11000С) позволяют реализовать открытые нагреватели, изготовляемые из проволоки либо ленты нихрома (сплав 20% Cr, 30-80% Ni и 0,5-50% Fe) или хроможелезоалюминиевых сплавов. Такие элементы (обычно в виде спирали укладываются в пазах огнеупорной футеровки (кирпич) электротермических печей (ЭТП).

Преобладание того или иного механизма переноса тепла определяется как температурой нагревателя, так и конструкцией ЭТП или установки.

В представленные на рис. 1а калорифере пучок оребренных ТЭНов обдувается потоком холодного воздуха с помощью вентилятора 2, и доминирующим в теплопереносе является механизм вынужденной конвекции. В термоэлектрической печи (рис. 1б) нихромовая спираль 1 размещена в пазах жаростойкой керамики 2, прилегающей к трубе 3, по которой протекает нагреваемый продукт, и при таком уровне температур доминируют, очевидно, процессы теплопроводности.

3

Рис. 1. Электротермические устройства: а - калорифер; б - термоэлектрическая печь (ЭТП)

Наиболее распространенный режим нагрева ЭТП показан на рис.2. С начала цикла регулятору задается температура Θз = Θнагр, и эта уставка остается неизменной в течение всего цикла, во время нагрева и выдержки. В период нагрева мощность печи Р остается неизменной, равной номинальной мощности печи, что обеспечивает быстрый рост температуры внутри печи. В период выдержки идет выравнивание температур внутри изделий, находящихся в печи, потребление мощности постепенно падает и к концу выдержки опускается до значения тепловых потерь электропечи. После завершения периода выдержки электропечь отключается.

4

Рис. 2. Идеализированный режим нагрева ЭТП сопротивления периодического действия

4.2. Прибор регистрирующий РП160

Прибор регистрирующий РП160 и элементы управляющего устройства предназначены для измерения и регистрации напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в электрические сигналы силы и напряжения постоянного тока или в активное сопротивление. Это могут быть, в принципе, электрические сигналы естественные или унифицированные от преобразователей давления, расхода, температуры и т.п. Однако для того, чтобы избежать переградуировки прибора, следует использовать преобразователи, тип которых указан на шкале прибора.

Прибор предназначен для утопленного щитового монтажа

(рис.3).

РП160 относится к группе автоматических одноканальных следящего уравновешивания регистрирующих приборов, типичными представителями которых ранее были приборы серии КС (КСУ, КСП, КСМ и др.). Однако в отличие от последующих, имевших еще ламповые усилители и контактные сигнализирующие устройства, в конст-

5

рукции РП160 использованы уже более компактные и экономичные микросхемы. При этом конструктивно каждый типоразмер прибора состоит из ряда унифицированных модулей, настраиваемых отдельно от прибора, что облегчает его ремонт и обслуживание.

Рис. 3. Внешний вид прибора РП160: 1 - модуль питания; 2 - модуль сравнения; 3 - модуль управления; 4 - модуль усилителя; 5 - модуль входного усилителя; 6 - диаграмма ленточная; 7 - шкала; 8, 10 - указатели задачи; 9 - указатель; 11 - защелка крышки

6

Принцип действия прибора основан на сравнении двух сигналов напряжения постоянного тока: выходного сигнала первичного преобразователя Uвх и сигнала обратной связи URP1, который снимается с подвижного контакта реохорда RP1 (см. рис. 4).

Рис. 4. Схема электрическая функциональная: У - входной усилитель; СУ - суммирующий усилитель; RP1 - реохорд; КП - компаратор; ДШ - дешифратор; К - коммутатор; РС - реверсивный счетчик; Г - генератор прямоугольных импульсов; Д1, Д2 - делители частоты; М1 - исполнительный элемент следящей системы; М2 - исполнительный элемент лентопротяжного механизма; Р - редуктор; ЛПМ - лентопротяжный механизм

Сигнал первичного преобразователя Uвх с выхода усилителя У поступает на суммирующий усилитель СУ, куда подается сигнал обратной связи URP1.

Усиленный разностный сигнал ±∆U с выхода суммирующего усилителя СУ поступает на компаратор КП.

Компаратор КП формирует два сигнала: сигнал знака ∆U (±∆U), определяющий направление вращения ротора М1 («реверс»), и сигнал, обеспечивающий подключение напряжения +24В к обмоткам статора М1 («порог»).

Порядок коммутации этого напряжения на обмотках статора М1 в зависимости от значения ∆U, знака ∆U и заданного быстродей-

7

ствия прибора определяется реверсивным счетчиком РС, который управляется прямоугольными импульсами от генератора Г через делители частоты Д1 и дешифратором ДШ.

При ∆U ≠ 0 ротор М1 начнет вращаться в ту или иную сторону, в зависимости от знака ∆U.

Ротор М1, кинематически связанный с подвижным контактом реохорда RP1, будет вращаться до тех пор, пока ∆U не станет равной нулю.

В момент равновесия (∆U = 0) положение указателя на шкале прибора определяет значение измеряемого параметра.

Частота коммутации напряжения +15В на обмотках статора дополнительного элемента М2 (скорость перемещения диаграммной ленты) задается генератором прямоугольных импульсов Г и делителями частоты Д2, порядок коммутации напряжения на обмотках М2 определяется коммутатором К.

При наличии устройства сигнализации (в нашем случае оно имеется) прибор обеспечивает сигнализацию отклонения измеряемого параметра от заданного значения. Принцип действия сигнализации основан на сравнении в модуле А4 (модуль сравнения) двух сигналов (напряжений постоянного тока): напряжения на реохорде RP1, определяющего в момент равновесия следящей системы значение измеряемого параметра и напряжения на движках резисторов задачи, определяющих заданное значение параметров. Световая сигнализация осуществляется с помощью светодиодов на панели модуля сравнения.

Дискретные сигналы (I = 0,5 A; U = 220B), формируемые этим модулем, при соответствующем усилении можно использовать и для позиционного регулирования, т.е. включения и отключения какоголибо исполнительного устройства, например, электромагнитного пускателя, электромагнитного клапана и т.п. Обычно так и поступают на практике. В качестве усилителей используют дополнительные промежуточные реле (входящие в комплект поставки или же нет). Последние в зависимости от схемы их включения обеспечивают им двухили трехпозиционное регулирование (сигнализацию) [3, c. 150155].

Тепловые процессы, проходящие в ЭТП, из-за их массивности и большой загрузки достаточно инерционны. ЭТП сопротивления являются объектами с самовыравниванием. Благодаря этому при невысоких требованиях к точности часто применяют дискретный метод

8

регулирования температур в его простейшей форме - двухпозиционной. Наиболее привлекателен в этом плане процесс регулирования двухпозиционный с искусственной зоной нечувствительности, позволяющий уменьшить режим колебаний и облегчить работу механических устройств (магнитные и контактные элементы электромагнитного пускателя).

Таким образом, если рассматривать устройства сравнения РП160 с выходными тиристорными ключами и промежуточными реле как двухпозиционный регулятор приборного типа с зоной (неоднозначности) нечувствительности (рис. 5а), то его статическая характеристика может быть представлена в виде графика на рис. 5б или в аналитических выражениях (закон регулирования).

µ= µ1 при ε ≥ а; µ = -µ2 при ε ≤ -а;

µ= µ1 при -а < ε < а и dε/dt < 0;

µ= -µ2 при -а < ε < а и dε/dt > 0.

Рис.5. Структурная схема (а) и статическая характеристика с зоной неоднозначности (б) двухпозиционного регулятора

Из рассмотренных выражений и рис. 5б следует, что данный регулятор постоянно оказывает на объект воздействие, отличное от их значения, необходимого для равновесного состояния системы (при ε=0). В результате этого автоматическая система с таким регулятором работает в автоколебательном режиме в окрестностях ее равновесного состояния. Сам процесс регулирования температуры ЭТП при этом заключается в ее изменении по «пилообразной» кривой вблизи заданного значения в пределах зоны нечувствительности.

9

Однако действительные колебания температуры электропечи могут быть намного большими, если учесть динамическое запаздывание в системе регулятор-ЭТП. Такое запаздывание имеется в самом регуляторе, в коммутационной аппаратуре, но основным источником этого запаздывания является инерция измерительного термопреобразователя (ТСП) с защитным чехлом.

Влияние этой инерции иллюстрируется графиком на рис. 6 [5, c. 79-84]. На графике сплошная кривая Θн - температура нагревателя печи, а пунктирная Θтп - температура спая регулирующего ТСП. При включении ЭТП температура нагревателя Θн начинает увеличиваться и параллельно начинает расти температура ТСП. Так как термопара заключена в кожух и между ней и нагревателем имеется тепловое сопротивление, то кривая Θтп отстает от кривой Θн на время запаздывания t0. Поэтому, когда температура нагревателя доходит до значения Θз+Θ1, отключения печи не происходит, и она продолжает нагреваться. Лишь в момент 2, когда верхней границы зоны нечувствительности регулятора достигнет Θз+Θ1 температура спая ТСП Θтп, произойдет выключение ЭТП. Если регулятор и силовой блок сработают мгновенно, то кривая Θн тотчас же начнет падать по экспоненциальной кривой остывания 3-5. Однако температура спая ТСП Θтп еще некоторое время будет продолжать увеличиваться, нагрев будет происходить благодаря не успевшим остыть нагревателям. Кривая Θтп пересечет кривую Θн. В точке 4 температура Θтп достигнет нижней границы зоны нечувствительности Θз-∆Θ2, печь включится, и температура нагревателей вновь начнет расти. Однако в момент включения температура нагревателей будет ниже Θз-∆Θ2. Таким образом, в результате действия динамического запаздывания t0 колебания температуры нагревателей и ТСП оказываются существенно большими, чем зона нечувствительности регулятора, а время цикла регулирования увеличивается с (∆t1+∆t2) до (∆t′1+∆t′2).

Чем больше запаздывание t0, тем больше будут колебания температуры Θн = (∆Θ1 + ∆Θ′1) превышать зону нечувствительности регулятора.