На правах рукописи

Михайлов Игорь Николаевич

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ЭНЕРГОЕМКОСТЬЮ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Султан-заде Назим Музаффарович кандидат технических наук, профессор Пушенко Сергей Леонардович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет»

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

по адресу 127994, Москва, Вадковский пер., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан «19»ноября 2011 г.

Учный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В соответствии с указом Президента №899 от 07 июля 2011 года «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологии и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» энергосбережение является одним из приоритетных направлений развития науки, технологии и техники. На долю промышленности в Российской Федерации приходится порядка 45% от всего энергопотребления в стране. Из них второе место по значениям потребляемой электроэнергии после топливной отрасли занимает машиностроение и металлообработка.

Важнейшей составляющей энергосбережения является энергоемкость машиностроительных технологических процессов обработки резанием. В настоящее время энергоемкость технологических процессов в России существенно превышает энергоемкость аналогичных процессов в промышленно развитых странах. Это особенно важно и по той причине, что высокая энергоемкость технологических процессов приводит к энергопотреблению при их реализации, достигающему до 70% от общего потребления энергии машиностроительным предприятием.

Одним из методов снижения энергоемкости при реализации машиностроительных технологических процессов является метод компенсации реактивной составляющей потребляемой при их реализации мощности. Этот метод целесообразно реализовывать средствами автоматизации, что позволяет не только учитывать реальные параметры технологического процесса и оборудования, но и повысить эффективность компенсации и, как следствие этого, снизить энергоемкость технологических процессов и повысить конкурентоспособность изготавливаемой продукции.

В этой связи работа, направленная на повышение энергоэффективности машиностроительных технологических процессов, посредством снижения их энергоемкости методами автоматизации является актуальной.

машиностроительных технологических процессов посредством автоматизированной системы компенсационной минимизации потребления энергии при их реализации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить взаимосвязи между параметрами машиностроительных технологических процессов обработки резанием, номинальной мощностью электрооборудования станка и потребляемой при реализации этих процессов электрической энергией.

2. Разработать на основе установленных взаимосвязей алгоритмы для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов.

3. Исследовать возможность реализации разработанных алгоритмов для автоматизации управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов при разных параметрах технологических переходов и разных видах обработки.

машиностроительных технологических процессов.

Методы исследования автоматического управления, технологии машиностроения, теоретических основ электротехники, теории эксперимента. При обработке результатов экспериментальных исследований применялись современные информационные технологии.

Научная новизна работы заключается в:

установлении количественной и качественной взаимосвязи электрической энергией;

процессов при разных параметрах технологических переходов и параметрам технологического процесса и характеристикам машиностроительных технологических процессов посредством потребляемой мощности;

методике создания автоматизированной системы управления процессов без изменения других показателей качества эти Практическая значимость работы заключается в методике адаптации автоматизированных систем управления энергоемкостью к реальным машиностроительным технологическим процессам и оборудованию;

создании автоматизированной системы управления энергоемкостью компенсационной минимизации потребляемой энергии при их реализации.

Реализация работы Результаты работы были использованы при выполнении шести научноисследовательских работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также в учебном процессе в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» при изучении дисциплин «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств» и «Автоматизация обеспечения безопасности машиностроительных производств».

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных конференциях «Производство. Технология. Экология – ПРОТЭК», ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2008, 2009 г.

2. Научно-методической конференции «Машиностроение – традиции и инновации» (МТИ), ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г. Москва, 2009 г.

3. Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение», РГСУ, г. Ростов-на-Дону, 2010, 2011 г.

4. Международной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты безопасности жизни, охраны окружающей среды, сохранения и восстановления биоразнообразия в регионах», Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности, г. Великий Новгород, 2011 г.

5. Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», г.

Москва, 2011 г.

6. Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», МГТУ им. Баумана, г. Москва, 2011 г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, Роспатент принял решение о выдаче патента на полезную модель Структура и объем работы Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы (74 наименования), изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены предмет и объекты исследований, дана общая характеристика диссертационной работы В первой главе приведены результаты анализа существующих методов и средств снижения энергоемкости машиностроительных технологических процессов, проанализированы возможности их автоматизации и обоснована задача исследований.

Проанализированы работы ученых: В.А. Веникова, О.В. Веселова, А.С.

Верещаки, А.И. Вольдека, С.Н. Григорьева, И.В Жежеленко, М.Г. Косова, В.И. Кочкина, В.Г. Митрофанова, О.П. Михайлова, О.П. Нечаева, Ю.М.

Соломенцева, В.К. Старкова, И.В. Харизоменова, Ю.И. Хохлова, С.А.

Цирука, Л.Э. Шварцбурга и др., занимающихся вопросами автоматизации технологических процессов, повышения уровня технологического оборудования, качества технологических процессов, а также автоматизированным снижением потребления энергии.

Важнейшим направлением автоматизации технологических процессов является автоматизация управления энергопотреблением при реализации этих процессов. Низкая энергоэффективность технологических процессов обусловлена рядом их характерных особенностей.

К основной особенности относится то, что значительное место занимают технологические операции, на реализацию которых требуется мощность, существенно меньшая номинальной мощности электродвигателей, например, такие как снятие фасок, чистовая обработка и др. Также следует отметить наличие холостых ходов, обусловленных подводом или заменой инструмента, разворотом заготовки и т.д. Все это приводит к тому, что значения мощности резания, необходимой для реализации технологического процесса значительно ниже номинальной мощности электрического двигателя станочного оборудования, следствием чего является значительное увеличение энергоемкости этих процессов.

С учетом требований к жесткости механической характеристике электродвигателей станочного оборудования следует отметить несколько основных методов снижения энергоемкости технологических процессов. К ним относятся методы, которые условно можно назвать технологическими – соответствующими мощности электродвигателя (подбор соответствующего мощностям резания оборудования для реализации технологического параметрическими – при которых известными способами компенсируется реактивная составляющая потребляемой мощности, возникающая за счет недогрузки двигателя (компенсационный метод).

машиностроительных технологических процессов без непосредственного вмешательства в технологический процесс.

технологических переходов их реализация осуществляется с разными мощностями резания. По этому для эффективной компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, связанной с тем, что мощность технологических переходов существенно меньше номинальной мощности электродвигателя, необходимо применять средства автоматизации.

В работе проанализированы существующие средства автоматизации для компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, отмечено их достоинство и недостатки и показано, что они не охватывают в полной мере все многообразие режимов работы станочного оборудования.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с теоретическим обоснованием построения автоматизированной системы управления энергоемкостью машиностроительных технологических процессов, обеспечивающий минимизацию энергоемкости.

машиностроительных технологических процессов является характерная для металлорежущих станков недогрузка электродвигателей – мощность, необходимая для реализации машиностроительного технологического процесса и определяемая силами резания, в большинстве случаев существенно меньше номинальной мощности станка.

На рис. 1, в качестве примера приведена типовая нагрузочная характеристика при реализации технологического процесса токарной обработки многоступенчатого вала на универсальном токарно-винторезном станке 16К20.

Аналогичные нагрузочные характеристики были получены и для других изделий с различными технологическими переходами.

программы «Режимы резания», разработанной в ФГБОУ ВПО МГТУ электродвигателя станка алгоритм программы был дополнен блоком «КПД станка».

Анализ нагрузочных характеристик показал, что в реальных условиях мощность на валу электродвигателя при реализации технологических процессов обработки резанием в 3 – 5 раз меньше номинальной мощности двигателя комплектного электропривода станка.

Недогрузка электродвигателя приводит к существенному снижению коэффициента мощности электротехнического оборудования станка. В таблице 1 в качестве примера приведены справочные данные по значение коэффициента мощности электродвигателя станка 16К20 при изменении нагрузки относительно ее номинального значения Рн.

Значение коэффициентов мощности при изменении нагрузки Мощность на валу электродвигателя Коэффициент мощности электродвигателя P, кВт Рис. 1. Нагрузочная характеристика обработки ступенчатого вала на токарном станке Как следует из таблицы 1 снижение коэффициента мощности при недогрузке электродвигателя достигает более 1,5 кратных значений и является причиной существенного увеличения в относительных единицах технологических процессов.

В этом случае недогрузка электродвигателей приводит к увеличению энергоемкости технологических процессов. Действительно, недогрузка электродвигателей приводит, с одной стороны, к уменьшению значений потребляемой мощности, но, с другой стороны, к увеличению ее реактивной составляющей, т.е. реализация технологического процесса осуществляется с мощностями, существенно большими, чем необходимо для их реализации.

Причем, это увеличение определяется значением коэффициента мощности.

где – мощность, потребляемя при реализации технологического процесса;

– мощность необходимая для реализации технологического Это увеличение обратно пропорционально коэффициенту мощности и доходит, также до 1,5 кратных значений.

Кроме того, что не менее важно, при низких коэффициентах мощности реализация технологического процесса происходит при токах, существенно необходимые для реализации технологического процесса, что снижает экономические показатели этого процесса и его показатели безопасности.

Анализ электрических параметров электродвигателя, в первую очередь значений потребляемой мощности при реализации машиностроительных технологических процессов, потребляемых при этом токов и коэффициентов мощности проведен на Г-образной схеме замещения для одной фазы электродвигателя (рис. 3), учитывающей электромагнитные процессы, происходящие в двигателе (x0,x1,x2’), тепловые процессы в сердечнике и его обмотках (r0,r1,r2’) и нагрузку на его валу (S).

Рис. 3. Г-образная схема замещения асинхронного электродвигателя где R’=r2’*(1-s)/s, s=(n0- n)/ n0 – скольжение, n0= 60*f/p – синхронная скорость, f – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов, n – скорость вращения двигателя, После преобразования были получены значения эквивалентных активного (Rэ) и реактивного (Xэ) сопротивлений этой схемы.

Эти значения позволили проанализировать электрические параметры электродвигателя, при допущении, что рабочий участок механической характеристики принимался прямолинейным.

Анализ проводился посредством программы Mathcad и показал, что при снижении нагрузки относительно номинальной в 2 раза при общем уменьшении потребляемого для реализации технологического процесса тока с 20,20А до 12,17А его превышение относительно требуемого значения составило 23% (превышение при номинальной нагрузке составило 13%). При этом энергоемкость технологического процесса увеличилась на 29%. Таким образом, при общем уменьшении токов, потребляемых для реализации энергоемкость технологических процессов увеличивается, т.к. увеличивается относительная величина реактивной составляющей этих токов.

автоматической компенсации реактивной составляющей потребляемого при реализации этих технологических процессов тока.

Алгоритм реализации этого метода в автоматическом режиме представлен на рис.4.

Реализация алгоритма осуществляется следующим образом. Задается диапазон регулирования коэффициента мощности, который определяет число ступеней дискретного регулирования. Число этих ступеней определяется технологических процессов, а также номенклатурой компенсаторных устройств. После проверки наличия питания в сети происходит измерение текущих значений напряжения и потребляемого тока с последующим определением коэффициента мощности. В случае, если фактический коэффициент мощности меньше требуемого, происходит последовательное подключение компенсирующих устройств вплоть до достижения желаемых значений. Дополнительно происходит сравнение величины коэффициента мощности с максимальным заданным, и, в случае его превышения, происходит отключение устройств компенсации. Это позволяет избежать эффекта перекомпенсации, который обусловлен изменением знака фазового угла.

Отключение компенсатора кi