??????????? ???????? ???? ???????
Національна академія наук України
Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова
ЗАЙЦЕВ ВАДИМ СЕРГІЙОВИЧ
УДК 669.1-52
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РОЗРОБЛЕННЯ
ТА ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДІВ, ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ
ТА СИСТЕМ ІНФОРМАЦІЙНОЇ ПІДТРИМКИ АСУ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИМИ ТЕХНОЛОГІЯМИ
В МЕТАЛУРГІЙНОМУ ВИРОБНИЦТВI
05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування
Автореферат дисертації на здобуття
наукового ступеня доктора технічних наук
Київ 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Приазовському державному технічному університетi.
Офіційні опоненти : Заслужений діяч науки України,
доктор технiчних наук, професор
Кондалєв Андрій Іванович,
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник,
доктор технiчних наук
Романович Станіслав Семенович,
Інститут проблем математичних машин та систем НАН України, провідний науковий співробітник,
доктор технiчних наук, професор
Бойко Віталій Іванович,
Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедрою «Автоматизація виробничих процесів».
Провідна установа : науково-виробнича корпорація «Київський інститут автоматики», держпідприємство «Компас», Міністерство промислової політики України.
Захист відбудеться 30.09.1999 р. о 14 00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.194.03 при Інституті кібернетики
ім. В.М. Глушкова НАН України за адресою :
252680 МСП Київ 187, проспект Академіка Глушкова, 40.
З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічному архіві інституту.
Автореферат розiсланий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої
ради Романов В. О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
Актуальність теми. Підвищення продуктивності виробництва, якості продукції, її надійності і, як наслідок, покращення економічних показників визначаються зараз ступенем оснащеності виробництва комплексними автоматизованими системами керування на базі широкого використання обчислювальної та мікропроцесорної техніки. Успішна робота АСУ визначається своєчасним збиранням, передачею та переробкою інформації та прийняттям на цій основі оптимальних рішень.
Технологічні процеси в чорній металургії характеризуються суттєвою нестаціонарністю в часі, що ускладнює використання математичних моделей і вимагає їх подальшого та безперервного удосконалення. Удосконалення математичних моделей, які дозволяють ідентифікувати нестаціонарний динамічний процес та управляти цим процесом, створення адекватних систем керування можливі тільки на основі одержання та своєчасної обробки інформації про поточні значення вихідних і вхідних величин.
Ефективна організація роботи технологічного металургійного комплексу передбачає рішення трьох груп керуючих завдань, які в практичному відношенні утворюють три рівні.
До вищого рівня належать завдання організації, синхронізації та координації окремих технологічних ділянок та виробництв.
До середнього рівня належать завдання оптимізації окремих ділянок та процесів. До нижчого ієрархічного рівня належать завдання контролю та стабілізації окремих режимних параметрів.
Оскільки нижчий рівень організації роботи технологічного комплексу може функціонувати самостійно, тоді як середній та вищий не можуть функціонувати без нижчого, зрозуміло, що розвязання завдань контролю є невідємною складовою частиною АСУ будь-якого виду.
У прокатному виробництві одним із заходів, який спрямований на використання внутрішніх резервів, є зниження втрат придатного металу з обріззю і при прокатці з плюсовими допусками. Зазначені втрати виникають через те, що людина, яка у більшості випадків зараз керує технологічним потоком, не завжди може приймати оптимальні рішення.
Аналіз показує, що втрати придатного металу з обріззю і при прокатці з плюсовими допусками можна зменшити. Вирішальне значення при цьому має підвищення точності реалізації технологічних операцій на всіх ділянках прокатної переробки, які входять у поточну лінію.
Витратні коефіцієнти металу при виробництві прокату, який розкроюється мірними довжинами, в переробних цехах суттєво залежать від параметрів заготовок, які надходять із заготовочного стану або МБЛЗ. Виходячи із умови мінімуму втрат у переробному цеху і враховуючи технологічні умови прокатки, можна розробити вимоги до розкрою металу на заготовочних станах та МБЛЗ. У свою чергу зміна параметрів заготовок впливає на раціональну вагу злитків, які надходять на заготовочний стан. Транспортні перевезення між цехами на металургійному підприємстві можуть розглядатися як технологічні ділянки в загальному ланцюзі переробки. Такими ділянками є, наприклад, перевезення розплавленого чавуну із доменного цеху в мартенівський та конверторний цехи, точніше в їх міксерні відділеня, перевезення агломерату, окатишів, вапна, коксу та інших з місць їх виробництва, перевезення розплавленого шлаку до місць його переробки тощо. Означені ділянки на металургійному підприємстві характеризуються певною кількістю транспортних засобів (чавуновозні та шлаковозні ковші, хопери для перевезень сипких речовин, коксовози та ін.).
Перелічені транспортні засоби експлуатуються на території металургійного комбінату і, як правило, за межі підприємства не виходять. Крім транспортних засобів, які не виходять за межі підприємства, для нормальної роботи використовуються постійні транспортні засоби для перевезення сировини, заготовок та готової продукції від місць виробництва до місць використання між підприємствами, які розташовані, як правило, в різних місцях. У цьому випадку транспортні засоби змушені частину свого шляху здійснювати залізницею системи Міністерства шляхів сполучення.
Для автоматизації контролю за рухомими обєктами залізничного транспорту виникла і дуже актуальною є необхідність зчитування інформації з цих обєктів. Створення технічних засобів контролю за місцезнаходженням вагонів та зайнятістю ділянок залізничних колій дозволяє успішно розвязувати ряд завдань, які повязані з автоматизацією операцій обліку кількості грузів, які перевозяться з використанням транспортних засобів.
Автор розглядає різні технологічні ділянки у звязку з тим, що пристрої, запропоновані для інформаційного забезпечення АСУ ТП на цих ділянках, використовують ті самі явища та конструкції пристроїв, які створюються з різною метою, мають багато спільного. Для створення нових засобів та пристроїв автор пропонує більш широко використовувати явища, які виникають при поширенні та відбитті акустичних та електромагнітних хвиль.
Перераховані приклади технологічних ділянок аж ніяк не вичерпують необхідності та можливості запропонованих засобів та пристроїв, а наведені лише для ілюстрації ефективності їх використання з метою контролю та вимірювання за допомогою акустичних та електромагнітних хвиль.
У дисертації наводяться описи деяких інших пристроїв автоматичного контролю та формування необхідної інформації, які розроблені з безпосередньою участю автора, які є одними з перших розробок у цій галузі, представляють певний інтерес і сьогодні.
Звязок роботи с науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з державними програмами по створенню АСУ ресурсозберігаючими технологіями, зокрема з договором між Приазовським державним університетом та Міністерством промисловості України «Створення системи стабілізації ваги литих слябів на МБЛЗ» №М-010209 від 30.06.95 та договорами з металургійними підприємствами України.
Мета і напрямок досліджень. Метою дисертаційної роботи є вирішення наукової та практичної проблем створення нових методів, технiчних засобів та систем інформаційної підтримки сучасних АСУ ресурсозберігаючими технологіями в металургійному виробництві.
Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі завдання:
1. Визначення на основі теоретичних та експериментальних досліджень основних чинників, які впливають на величину втрат на обраних технологічних ділянках виробництва.
2. Вибір параметрів технологічних процесів та виробів, які підлягають контролю, та точності їх визначення на основі аналізу математичних моделей та технологічних інструкцій.
3. Розробка нових засобів та пристроїв для контролю обраних параметрів і застосування їх у виробничих умовах.
4. Розробка автоматичних систем для зниження втрат виробництва на основі використання розроблених пристроїв.
Методи досліджень. Оцінка правильності та ефективності розробок на всіх стадіях здійснювалася на основі експериментальних і теоретичних досліджень. У дисертації використаний математичний апарат теорії ймовірностей, чисельні методи розвязання диференціальних рівнянь у часткових похідних, лінійної алгебри та матриць, векторний аналіз.
Наукова новизна роботи. В роботі отримані наступні наукові результати:
1. Сформульовані вимоги до виду і точності вхідної інформації та доведена можливість створення автоматичної системи дозування заготовок за масою на основі використання засобів, створених автором.
2. Розроблена оригінальна система для реалізації розкрою заготовок за масою, виходячи з мінімуму втрат.
3. На основі аналізу сучасного стану АСУ на промисловому транспорті теоретично обгрунтована необхідність створення засобів автоматичного зчитування інформації з рухомих обєктів та контролю за їх місцезнаходженням.
4. Розроблений комплексний інформаційний критерій, що дозволяє порівнювати технічні засоби контролю та вимірювання за такими параметрами, як точність, надійність, швидкодія та економічні показники.
5. Теоретично обгрунтована можливість використання явищ інтерференції та дифракції акустичних хвиль для вимірювання геометричних розмірів акустистично непрозорих тіл.
6. Теоретично обгрунтована можливість вимірювання відстаней з допомогою акустичних хвиль у неоднорідному повітряному середовищі та розроблена методика таких вимірювань.
7. Досліджена променева картина при нормальному та похилому падінні акустичних хвиль у неоднорідних середовищах, зокрема поблизу поверхні нагрітого тіла.
8. Розроблені нові способи та пристрої контролю та вимірювання за допомогою акустичних хвиль,у тому числі засобі обліку виробів, безконтактного вимірювання відстаней, вимірювання відстаней до поверхні нагрітого тіла, визначення теоретичного радіуса рулону в процесі намотки довгомірного матеріалу, визначення махового моменту рулону смуги в процесі намотки та прилад для зчитування інформації з кодових пластин рухомих обєктів.
9. Теоретично обгрунтована можливість передачі енергії в контур, що рухається, достатньої для роботи кодових датчиків, за допомогою електромагнітного поля.
10. Запропонована більш раціональна порівняно з методом інтегральних рівнянь методика розрахунку передачі енергії в системі з двох контурів.
11. Теоретично обгрунтована можливість вимірювання відстаней до поверхні провідного тіла за допомогою систем із двох контурів (що індуктує електромагнітне поле та вимірювальний).
12. Розроблені нові засоби та пристрої контролю та вимірювання за допомогою електромагнітних полів, у тому числі пристрої для зчитування різної інформації з рухомих обєктів залізничного транспорту (постійна, що формується на обєкті, змінна), крапковий колійний датчик, система контролю зайнятості залізничної колії.
Практична цінність одержаних результатів. Нові засоби та пристрої дозволяють покращити інформаційну підтримку АСУ.
Більше того, без цих засобів та пристроїв створення деяких АСУ ТП у принципі утруднене. До таких АСУ ТП можна віднести системи, які забезпечують отримання заготовок заданої маси, системи стеження за рухомими обєктами залізничного транспорту, системи визначення рівня розплаву в чавуновозних і сталерозливних ковшах, більш точного обліку вантажопотоків.
Реалізація результатів роботи. На основі розроблених засобів та пристроїв створені та впроваджені
1. Удосконалена автоматична система вагового дозування заготовок на ножицях блюмінга 1170 комбінату "Азовсталь".
2. Апаратура контролю положення вагона у вагоноперекидачеві Маріупольського морського порту.
3. Акустичний пристрій для контролю наявності металу.
4. Удосконалена система керування летучими ножицями на комбінаті ім.Ілліча.
5. Система для вимірювання рівня розплаву в чавуновозних ковшах
6. Система для вимірювання зазору між валками та погодження лінійних швидкостей валків у листопрокатному цеху 4500 МК ім.Ілліча.
У дослідну експлуатацію була впроваджена система автоматичного зчитування номерів вагонів при зважуванні вантажів на вагах у залізничному цеху МК"Азовсталь".
Правильність теоретичних висновків та практичну цінність розробок автора підтверджують результати випробувань у промислових умовах, а саме:
1. Випробування апаратури автоматичного зчитування інформації електронноіндукційного принципу дії, розробленої Приазовським державним технічним університетом з пересувного поїзда на експериментальному кільці ст.Щербинка.
2. Випробування макетного зразка системи автоматичного зчитування інформації з пересувного поїзда в Мінському метрополітені.
3. Приймальні випробування колійної педалі (реверсивного колійного датчика контролю ходження пересувного поїзда) на експериментальному кільці ст.Щербинка.
4. Дослідно-промислові випробування системи безперервного контролю ширини листів у процесі прокатки в листопрокатному цеху 4500 МК ім.Ілліча.
5. Приймальні випробування системи автоматичного зчитування інформації з пересувного поїзда в Мінському метрополітені.
6. Попередні випробування модернізованої електронноіндукційної системи зчитування інформації з пересувного поїзда на ст.Щербинка.
Усі перелічені заходи по впровадженню та випробуванням систем підтверджуються актами впровадження, актами та протоколами випробувань. Результати роботи використовуються в навчальному процесі в лекційних курсах "Теоретичні основи електроавтоматики", "Основи автоматизації, АСУ та застосування мікропроцесорів", "АСУ промисловим транспортом", а також у лабораторному практикумі, курсовому та дипломному проектуванні при підготовці спеціалістів за спеціальністю "Автоматизація технологічних процесів та виробництв".
Основні положення, які виносяться до захисту.
1. На основі аналізу технологічних умов та інструкцій обгрунтовані технічні рішення, які виникають при виробництві мірного прокату і створенні технічних засобів та систем реалізації цих рішень.
2. Теоретично обгрунтовані основи створення методів та технічних засобів інформаційної підтримки сучасних АСУ, які використовують акустичні хвилі.
3. Теоретично обгрунтовані основи створення методів, технічних засобів та систем інформаційної підтримки сучасних АСУ, які використовують електромагнітні поля та хвилі.
4. Комплекс засобів та пристроїв для виявлення виробів, контролю та вимірювання відстаней та геометричних розмірів виробів, у тому числі в неоднорідних середовищах.
5. Комплекс засобів для зчитування інформації з пересувних обєктів, які не мають автономних джерел живлення, для виявлення пересувних обєктів залізничного транспорту та контролю зайнятості ділянок залізничної колії.
6. Комплекс пристроїв для отримання та обробки технологічної інформації з метою створення локальних АСУ ТП та інформаційного забезпечення АСУ більш високих рівней.
Апробація роботи. Дисертаційна робота та окремі її розділи доповідалися та обговорювалися на Всесоюзній науково-технічній конференції "Розробка та впровадження АСУ прокатними станами" (Москва, 1975), на Республіканській міжгалузевій науково-технічній конференції "Шляхи скорочення застосування ручної та тяжкої, а також некваліфікованої працї " (Київ, 1975), на Всесоюзній науково-технічній конференції "Автоматизація листових станів гарячої прокатки" (Москва, 1977), на Всесоюзній науково-технічній конференції "Прогресивні технологічні процеси у виробництві холоднокатаного листа" (Ліпецьк, 1985), на Всесоюзній науково-технічній конференції "Розробка та впровадження АСУ ТП у прокатному виробництві" (Москва, 1987), на Всесоюзній науково-технічній конференції "Завдання технічного переозброєння листопрокатного виробництва" (Дніпропетровськ, 1987), на Всесоюзній науково-технічній нараді "Керування перевезеннями на основі автоматизації зчитування інформації з пересувного потягу" (Ростов-на-Дону, 1990), на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Ждановського металургійного інституту (Приазовського державного технічного університету) (Маріуполь, 1977-1988, 1990-1999) та ін.
Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шести глав, висновку, списку літератури із 162 найменувань та додатку.
Обсяг дисертації складає 314 сторінок, з яких основний зміст викладено на 273 сторінках друкованого тексту, 84 рисунки, 7 таблиць.
Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 18 статтях у науково-технічних журналах, у 15 авторських свідоцтвах та патентах, у 11 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність проблеми, сформульовані мета та напрямок досліджень та розробок, викладені загальна характеристика роботи, відомості про апробацію роботи та стислий зміст роботи.
У першій главі на основі обробки експериментальних даних та аналізу одержаних даних вироблені вимоги до обсягу і точності інформації, необхідної для створення АСУ ТП, мінімізуючої втрати при виробництві мірного прокату (рейок та листів).
При прокатці мірного прокату для зниження втрат необхідно, по-перше, стабілізувати масу заготовок та вагу погонного метра (п.м.) прокату з тим, щоб дисперсїї цих випадкових величин були знижені до можливо менших значень, по-друге, здійснити прокатку в полі мінусових допусків, враховуючи при цьому, що величина допуску, яка визначає мінімум втрат, залежить від ваги литої заготовки та товщини листів, що прокатуються.
За таких умов маса заготовок повинна бути приблизно 1,01Qном, де Qном – номінальна маса заготовок.
Вимірювання геометричних розмірів прокату необхідно здійснювати з такою точністю:
товщина листів 0,1мм;
товщина та ширина заготовок 1мм;
довжина заготовок 5мм.
При намотці смуг металу в рулон виникає проблема визначення поточного значення радіуса рулону, що намотується. Ця інформація необхідна для визначення поточного значення махового моменту рулону в процесі намотки.
Маховий момент моталки з рулоном Мg автор пропонує визначати за формулою
(1)
де GD2м - маховий момент моталки;
g - прискорення сили ваги;
- питома вага металу;
b - ширина смуги;
Rpi - поточне значення радіуса рулону;
hi - товщина смуги у і-му витку;
і - порядковий номер витка;
nм - швидкість обертання моталки.
Радіус рулона Rpi пропонуєтся визначити з виразу
(2)
де L - відстань від осі моталки до місця установки вимірювального перетворювача;
xi - виміряна відстань від поверхні намотуваного матеріалу до місця установки вимірювального перетворювача.
Комплекс пристроїв для систем локальної автоматизації стану 4500 МК ім.Ілліча розроблений з метою автоматизації операцій по контролю за поточними значеннями деяких важливих параметрів прокатки. За завданням необхідно було розробити системи для вимірювання зусиль при прокатці, для вимірювання зазора між валками, погодженого керування головним приводом та валками, систему для вимірювання ширини листів.
Узагальнюючи викладене у першій главі, необхідно зазначити наступне:
1. На основі аналізу залежності втрат, які виникають при виробництві мірного прокату, винайдені оптимальні значення статистичних характеристик ваги заготовок і ваги п.м. готового мірного прокату, які забезпечують мінімум втрат.
2. На основі аналізу залежностей ваги п.м. готового мірного прокату від точності визначення ваги заготовок, довжини розкатки та температури металу сформульовані вимоги до точності дозування заготовок за масою і до точності вимірювальних пристроїв.
3. Отримані аналітичні вирази для визначення динамічного моменту моталки з рулоном із використанням інформації про радіус рулону, що отримані внаслідок прямих вимірювань.
4. Стисло сформульовані вимоги до систем локальної автоматизації на стані 4500 МК ім.Ілліча.
У другій главі на основі аналізу перевезень на окремих ділянках сформульовані вимоги до інформаційного забезпечення АСУ.
Проаналізоване транспортування рідкого чавуну в чавуновозних ковшах із доменного цеху в конверторний та мартенівський цехи, перевезення агломерату на ділянці аглофабрика - доменний цех, перевезення коксу на ділянці коксохімічний завод - доменний цех.
Наведені матеріали за станом та тенденціями розвитку АСУ транспортними перевезеннями на залізничному транспорті.
Однією із вузлових проблем є правильний вибір засобів та пристроїв інформаційного забезпечення АСУ.
До таких необхідно віднести пристрої автоматичного зчитування інформації з пересувних обєктів, у тому числі інформації змінної та такої, що формується на пересувному обєкті, пристрої контролю зайнятості ділянки залізничної колії на основі застосування крапкових колійних безконтактних датчиків, пристроїв автоматичного зважування вантажів та ін.
При перевезеннях рідкого чавуну велике значення має зниження втрат тепла. На теплові втрати та, в кінцевому підсумку, на температуру чавуну, який зливається в міксер, найбільшого впливу надає маса чавуну, який наливається в ківш, час транспортування наповнених та порожніх ковшів, втрати при наливі та зливі ковшів, у відділеннях десульфурації та скачування шлаку.
Контроль кількості чавуну, що наливається в ківш, можливий або шляхом вимірювання рівня розплаву, або шляхом його зважування. Скорочення часу транспортування можливо при створенні системи стеження за місцем знаходження налитих та порожніх ковшів, для чого необхідно обладнати ковші пристроями для зчитування інформації про їх номер, а також обладнати пристроями контролю зайнятості колії всі технологічні ділянки при транспортуванні ковшів.
При перевезенні агломерату та коксу для точного обліку вантажів, що перевозяться, необхідний повагонний контроль.
Обладнання кожного хопера коксовозу пристроями для зчитування інформації про їх номер дозволить вести повагонний облік їх тари (вага тари коливається в межах 0,5 - 1,5 т за рахунок залишків сипких), ваги брутто, потім за допомогою ЄOM обчислювати вагу нетто, враховувати загальну кількість перевезеного матеріалу за зміну, добу, тиждень тощо.
У третій главі зроблений аналіз існуючих засобів та пристроїв інформаційного забезпечення АСУ та обраний напрямок подальших розробок.
У процесі розробки АСУ виникає проблема вибору засобів інформаційного забезпечення з тих, що вже існують або необхідність розробки нових пристроїв для отримання необхідної інформації. Для порівняльної оцінки різних вимірювальних пристроїв автор пропонує використовувати комплексний інформаційний критерій
(3)
де qu - кількість інформації, яка отримана внаслідок вимірювання;
- інтенсивність відмов всіх елементів, які входять у склад пристрою;
с - купівельна вартість (ціна) пристрою;
v - швидкодія.
Кількість інформації qu, яка отримана внаслідок вимірювання, дорівнює спаду невизначеності:
(4)
тобто різниці єнтропій Н до та після вимірювання (xn - показання приладу).
Інтенсивність відмови всіх елементів, які входять у пристрій, визначається за виразом
(5)
де i - інтенсивність відмови одного елемента;
Ni - число елементів і-го типу;
S - число елементів пристрою.
Були проаналізовані існуючі технічні засоби для отримання інформації про геометричні розміри прокату та для зчитування інформації з пересувних обєктів, які не мають автономних джерел живлення.
Розглянутий фотоімпульсний вимірювач положення металу, який може бути використаний для визначення довжини прокату, лазерний вимірювач довжини смуги та швидкості її руху, використання вимірювального ролика для визначення довжин металу, що відрізується.
Розглянуті пристрої для визначення ширини прокату за допомогою фотоелектричних перетворювачів та телевізійного вимірювача поперечних розмірів.
Проаналізовані також існуючі конструкції вимірювачів товщини прокату. Для цієї мети придатні фотоімпульсні перетворювачі, телевізійні методи із використанням лазерів як джерела світла, радіолокаційні пристрої, акустичні методи та пристрої.
При аналізі пристроїв для контролю геометричних розмірів були розглянуті конструкції ВНДУМетмаш, фірм "Exsаtest", "Brown Bovery", "Philco Lonsdale Division", "Krautkremer" та ін.
При аналізі проблеми зчитування інформації з пересувних обєктів були коротко розглянуті основні методи (оптичні, акустичні, феромагнітні, радіоактивні, електромагнітні).
При аналізі було виявлено, що оптичні методи, які базуються на використанні телевізійної техніки або на використанні відбиття лазерного променя від світлочуттєвих елементів, що закріплюються на вагоні, представляються малоперспективними через великі забруднення як оптики, так і номерів вагонів.
Застосування радіоактивних методів, яке базується на використанні радіоактивних речовин для кодування номера вагону, вимагає прийняття спеціальних заходів для захисту людей.
Акустичні методи, які засновані на відбитті падаючої звукової хвилі від кодової пластини, достатньо прості, дешеві та надійні. Однак на відкритому повітрі тракт вимірювання піддається зовнішнім впливам (вітер, налипання пилу на кодові платини). Пристрій добре працює в закритих приміщеннях.
Феромагнітні методи засновані на тому, що пластина вагону намагнічується з раніш обраною полярністю та чередуванням областей намагнічування так, щоб вони відповідали тільки даному вагонові.
У розробках Харківського та Московського інститутів інженерів транспорту такою частиною вагону обрана колесна пара. Але при русі вагону виникають удари, вібрації, які руйнують зони штучного намагнічування, в звязку з чим необхідно передбачати спеціальні блоки в складі пристрою, які забезпечують повторний запис інформації в місцях зчитування. Це різко ускладнює систему, знижує її надійність.
Головки, що зчитують та намагнічують, необхідно установлювати близько від залізничного полотна та вагонів.
Останнім часом перевага надається електромагнітним методам. При цьому на пересувному обєкті встановлюється кодовий датчик, який починає передавати інформацію при попаданні на нього направленої електромагнітної хвилі.
Функції кодового датчика здійснюють приймач-перетворювач, ПЗП із занесеним в нього номером обєкта та передавач, несуча хвиля якого модулюється інформацією, яка міститься в ПЗП.
Як правило, ці системи працюють у метровому та сантиметровому діапазонах. Відома розробка в країнах СНД (система "Лотос", Україна), системи фірм "RCA", "Дженерал електрик", "Вестингауз" (США) та ін.
Усі ці системи працездатні, достаньо ефективні, але мають ряд вад. Суттєвий вплив на роботу пристроїв надають погодні умови (дощ, туман, наявність на корпусі датчика провідної пилюки та ін.). При наявності декількох паралельних колій між блоком зчитування та обєктом з кодовим датчиком можливо екранування датчика іншими обєктами, які знаходяться на цих паралельних коліях. Системи, які використовують радіоапаратуру, що працює в сантиметровому діапазоні, коштують дорого та складні в обслуговуванні.
Широке розповсюдження на транспорті отримують останнім часом системи, які одержують первинну інформацію від крапкових шляхових датчиків і спрацьовують при проходженні зони контролю кожної колесної пари.
На базі використання таких датчиків можуть бути створені системи контролю зайнятості ділянки залізничної колії шляхом підрахування осей вагонів та локомотивів, які ввійшли на ділянку та вийшли з неї, підтвердження прослідування поїзда в повному складі, виявлення довжини базових вагонів, лічби осей у пристроях контролю перегрітих букс та включення (відключення) дорожнього обладнання, включення проїзної та попереджувальної сигналізації, гіркової автоматики та ін.
Відомі різні конструкції крапкових колійних датчиків. Фірма "Siemens" (Німеччина) розробила магнітоконтактний датчик на основі геркону, індуційний електромагнітний датчик, датчик вихретоковий. Фірми "Servo" та "Дженерал електрик" (США) розробили магнітоіндукційні датчики. Фірма "Sumimoto Electric Indastri LTD" (Японія) розробила пєзоелектричні дорожні датчики та ін.
Перелічені типи датчиків мають певні вади. Так, магнітоіндукційні датчики, які засновані на явищі наведення ЕДС, працюють тільки при пересуванні колеса та не реєструють колесо, якщо воно нерухоме, навіть якщо знаходиться в зоні дії такого датчика.
Вихретокові датчики вимагають свердлення головки рейки, при безпосередньому впливові колес капсули таких датчиків швидко зношуються.
Найбільш надійний індукційний електромагнітний датчик фірми "Siemens" має велику вагу (близько 20 кг), складну електронну схему, що знижує його надійність та підвищує вартість.
За допомогою комплексного інформаційного критерію зроблено висновок про доцільність розробки більш простої та надійної конструкції вимірювання ширини (висоти) литих та катаних заготовок.
Такі ж висновки отримані і при порівнянні пристроїв інформації, які працюють у діапазоні СВЧ та в середньохвильовому діапазоні, а також при обгрунтуванні доцільності розробки крапкового резонансного колійного датчика.
У четвертій главі на основі явищ, повязаних із випромінюванням, розповсюдженням та відбиттям акустичних хвиль описуються нові способи та пристрої інформаційного забезпечення АСУ, створені автором або за його беспосередньою участю. Застосування акустичних методів повязане з тим, що пристрої, які використовують акустичні хвилі, як правило, прості, компактні, порівняно недорогі, характеризуються відсутністю проникаючих випромінювань.
Основні труднощі, які виникають при використанні акустичних методів, повязані з наявністю на промислових підприємствах акустичних перешкод у широкому частотному діапазоні, а також з різною швидкістю поширення звуку в середовищах, що мають неоднорідні характеристики в напрямку розповсюдження та відбиття акустичних хвиль.
На металургійних підприємствах достатньо високий рівень акустичних перешкод практично на всіх ділянках технологічного переділу, у тому числі в прокатних цехах.
Наявність розплавленого та нагрітого металу створює досить високі градієнти температурного поля в середовищах, де виникає поширення та відбиття акустичних хвиль.
Згадані фактори необхідно враховувати при розробці вимірювальних акустичних пристроїв через те, що вони суттєво впливають на точність вимірювань.
На основі аналізу рівней промислових перешкод установлений частотний діапазон застосовуваних акустичних хвиль.
Бажано, щоб застосовувалися хвилі з частотами вище 18 кГц, щоб вони не сприймалися людиною.
Верхня межа частот застосовуваних акустичних хвиль повинна визначатися із урахуванням умов в місці їх застосування. Не слід використовувати частоти вище 25 кГц, бо із зростанням частоти суттєво зростає затухання.
Крім того, в діапазоні 20-25 кГц можна використовувати будь-які джерела звуку (електродинамічні, пєзоелектричні, газострумінні, магнітострикційні).
Досліджені температурні поля над нагрітим металом (листовий, заготовки). Отриманий розподіл температури добре апроксимується показовими функціями у вигляді
,
де а - коефіцієнт згасання, м-1;
х - відстань від нагрітої поверхні до точки виміру;
Tmax - температура на поверхні нагрітого тіла.
Проаналізоване відбиття звуку від холодних плоскої та сферичної поверхностей, які відбивають.
Отримані співвідношення, що характеризують послаблення звуку в залежності від відстані джерела звуку до поверхні, яка відбиває.
Плоска звукова хвиля, яка розповсюджуюеться в бік нагрітого тіла, проходить послідовно через виділені шари, відбивається від меж цих шарів. При цьому потужність хвилі, яка відбивається, буде визначатись за виразом
(6)
де Р0 - потужність випромінюваної акустичної хвилі;
Р - потужність акустичної хвилі в місці прийому;
- кругова частота.
Другий додаток у дужках являє собою змітну фазу при проходженні звукової хвилі через шар, температура якого дорівнює Т. Відбитий сигнал буде мати цю фазу подвоєною (із урахуванням зворотного ходу). Таким чином, у точці вимірювання відбитого сигналу буде мати місце суперпозиція гармонійних хвиль малої ампітуди різних фаз.
Фаза послідовних відбиттів зростає при переході від шару до шару зі зростанням пробігу хвилі. При збільшенні пробігу на половину довжини хвилі фаза відбиття змінюється на 2. Тому фаза послідовних відбиттів буде проходити повне коло, які змінюють властивості середовища повільно, внески меж, розташованих на відстані половини хвилі, майже точно знищують одне одного.
Як наслідок відбиття залишається близьким до нуля, що підтверджується експериментально.
Відбитого сигналу від нагрітої поверхні більше ніж на 200 0С практично немає.
При вімірюванні відстаней до нагрітих нижче цієї температури поверхностей необхідно враховувати зміну швидкості поширення звуку в залежності від температури середовища.
Поряд з рухом середовища та його вологістю темепратура середовища вносить похибки при вимірюваннях відстаней.
У роботі отримана залежність, яка звязує між собою вимірювану відстань х та час поширення сигналу.
(7)
де Тн - температура в місці встановлення прийомно-випромінюючої апаратури;
х - вимірювана відстань;
Т - температурний коефіціент швидкості звуку, град.-1;
с0 - швидкість звуку при Т = 0 С;
а - коефіціент, м-1.
Теоретичний аналіз явища дифракції дозволив обгрунтувати можливість використання цього явища для вимірювання геометричних розмірів акустично непрозорих тіл. Дослідження променевої картини поля при нормальному та похилому падінні акустичних хвиль у неоднорідному нагрітому середовищі, зокрема поблизу поверхні нагрітого тіла, накладає обмеження на область температур, за яких доцільно використовувати акустичні хвилі. Таким граничним значенням є температура середовища та тіл не більше 50 - 70 С.
На основі вищевикладеного розроблені засоби та пристрої, які використовують для вимірювання відстаней та виявлення обєктів, акустичні хвилі.
Засіб обліку виробів заключається в тому, що випромінюють акустичну хвилю, частота якої змінюється за заданим періодичним законом. Наявність відбитої хвилі при появі виробів призводить до періодичної зміни інтерференційного растру, який виражається у зміні ширини зон підвищеного та зниженого тисків.
Приймачі реєструють за період зміни частоти не менше двох разів підвищення сигналу, один раз при збільшенні частоти, другий раз при її зниженні.
Зміни довжини акустичної хвилі, а отже і зрушення інтерференційного растру можна визначити за формулою
(8)
де в - зміна довжини хвилі;
с - швидкість звуку;
0 - вихідне значення частоти акустичних коливань;
во - довжина хвилі при частоті о ,
(9)
Засіб безконтактного вимірювання відстаней полягає в тому, що опромінюють поверхню обєкта, відстань до якої вимірюється за допомогою акустичного перетворювача. При цьому виникає стояча хвиля. При зміні частоти коливань у точці прийому будуть спостерігатися максимуми та мінімуми сигналу. Фіксуючи частоти, за яких у точці прийому реєструють максимуми та мінімуми сигналу, можна визначити шукану відстань від точки прийому до обєкта за формулами
(10)
або
(11)
де L - шукана відстань;
c(T) - швидкість звуку в середовищі при температурі Т;
n - число екстремумів звукового тиску, зафіксованих приймачем або при зменшенні частоти від о до 1, або при збільшенні її від о до 2.
Такий засіб дозволяє надійно вимірювати відстані до обєкта в будь-якому діапазоні їх змін.
Пристрій зчитування інформації з кодових пластин рухомих обєктів залізничного транспорту полягає в тому, що на рухомому обєкті закріплюється кодова пластина, на якій інформація про номер обєкта представлена в двійковому коді у вигляді западин та виступів на пластині, на якій западини та виступи розташовані рівномірно. На ці пластини спрямовується акустична хвиля, а відбиті від кожної пластини сигнали фіксуються окремими приймачами.
При русі обєкта на вхід приймачів потрапляють сигнали, що відбиті від кодової пластини (інформаційні) та від пластини з рівномірно розташованими западинами та виступами (масштабні). Останні призначені для виключення впливу швидкості пересування обєкта. Оскільки приймачі встановлені в пучностях стоячої хвилі, а глибина западин складає чверть довжини хвилі, то виступи, які відповідають одиниці, дають на приймачеві підвищений рівень сигналу, а западини, які відповідають нулю, - мінімальний рівень сигналу. Передбачається корекція частоти хвилі так, щоб довжина хвилі залишалася незмінною при зміні температури середовища.
Засіб вимірювання відстані x до поверхні нагрітого тіла, зокрема для контролю рівня розплаву в ковшах, полягає у тому, що в напрямку нагрітої поверхні випромінюється звуковий сигнал. За моментами випромінювання та прийому відбитого сигналу визначається час пробігу хвилею відстані 2x. За допомогою пірометра визначається температура поверхні нагрітого тіла, за допомогою термопари - температура середовища в місці встановлення приймача. Шукана відстань визначається із залежності
, (12)
де ТF - температура поверхні, яка відбиває;
ТН - температура середовища в місці випромінювання та прийому звукового сигналу;
- час поширення звукового сигналу від випромінювача до приймача.
Вираз (12) є розвязком виразу (7) щодо вимірюваної відстані.
Засіб визначення теоретичного радіуса рулону в процесі намотування довгомірного матеріалу дозволяє контролювати поточне значення радіуса рулону і підвищує точність одержання рулонів заданих геометричних розмірів та маси.
На поверхню рулону випромінюється зондуючий імпульс, переднім фронтом зондуючого імпульсу запускається лічильник масштабних імпульсів, зупинка якого здійснюється переднім фронтом відбитого сигналу. Пірометром визначається температура поверхні рулону, термопарою - температура середовища.
Відстань x до поверхні рулону визначається із (12), поточне значення радіуса рулону - із (2).
На основі отриманої інформації здійснюється розрахунок теоретичного радіуса рулону з урахуванням транспортного запізнення:
(13)
де h - товщина металу;
- середнє значення зазору між витками;
Ri - поточне значення радіуса рулону;
v(t) - закон зміни лінійної швидкості матеріалу;
t - проміжок часу, через який треба визначити теоретичне значення радіуса рулону.
Засіб визначення махового моменту рулона смуги в процесі намотки також заснований на отриманні інфрормації про поточне значення радіуса Ri за допомогою акустичного далекоміра. Маховий момент визначається із виразу (1).
За допомогою акустичних датчиків досягнуто також підвищення надійності роботи вагоноопрокидувача. З метою недопущення пошкодження вагонів, які знаходяться поблизу піднімаючої платформи з розвантажуваним вагоном, команда на розвантаження подається тільки при відсутності вагонів у зоні, яка контролюється акустичними датчиками.
У прийомний тракт пристрою введений селективний підсилювач, що дозволяє пропускати та підсилювати коливання тільки робочої частоти. Пристрій для вимірювання ширини листів заснований на вимірюванні рівней акустичних сигналів, величина яких залежить від ступеню перекриття звукових трактів крайями листів. Як джерела звуку можуть бути використані електродинамічні або газострумінні випромінювачі. Досягнута точність визначення ширини листів 10 мм (незалежно від ширини листів).
У пятій главі на основі явищ, повязаних із випромінюванням, поширенням та відбиттям електромагнітних хвиль та явищ в електромагнітних полях описуються нові пристрої інформаційного забезпечення АСУ, створені автором обо за його беспосередньою участю.
У ряді випадків отримання інформації за допомогою електромагнітних полів та хвиль є більш кращим, ніж використання інших фізичних явищ (акустичних, за допомогою проникаючих випромінювань та ін.).
Це стосується перш за все зчитування інформації з обєктів, що пересуваються з великою швидкістю, контролю та вимірюванню у суттєво неоднорідних середовищах.
Саме для таких умов були розроблені пристрої, що використовують електромагнітні поля. Це пристрої для зчитування інформації з пересувних обєктів, у тому числі з обєктів, які не мають автономних джерел живлення, пристрої для контролю геометричних розмірів нагрітих тіл, що проводять струм, крапкові колійні датчики та ін. При зчитуванні інформації з обєктів, що не мають автономних джерел живлення, на обєкт необхідно в місці зчитування передавати енергію, що запезпечує роботу кодових датчиків.
Теоретично обгрунтована та розроблена раціональна методика розрахунку передачі енергії в рухомий контур у системі із двох контурів.
При використанні цієї методики обсяг обчислень істотно менше порівняно із загальним методом складання та розвязання інтегральних рівнянь.
У даній роботі обраний індукційний засіб передачі електромагнітної енергії в контур, що рухається.
У місці зчитування інформації розташовується індуктор, який створює електромагнітне поле частотою 880 кГц. При русі обєкта в поле індуктора потрапляє прийомний контур, в якому ЕДС, що наводиться, забезпечує роботу кодового датчика (рис. 1).
Взаємна індуктивність М між контуром, що рухається, та індуктором визначається із виразу
(14)
де о - магнітна проникливість повітря (вакууму);
w - число витків індуктора;
Rк - висота прийомного контуру;
Rо - відстань між прийомним контуром та індуктором;
x - перекриття контуру та індуктора.
Рис. 1. Схема заміщення системи індуктор-прийомний контур
Оскільки величина взаємоіндуктивності є величиною перемінною, що залежить від швидкості v пересування обєкта (x = vt, де t - час), то система рівнянь, що описує поведінку системи контур-індуктор, включає в себе перемінну величину М (див. рис. 1). Розбиваючи проміжок часу знаходження контуру над індуктором на n інтервалів та приймаючи, що на протязі n-го інтервалу взаємоіндуктивність М є величиною постійною, для цього інтервалу система рівнянь у символічній формі має вигляд
, (15)
,
де I1n, I2n - струми відповідно в індукторі та контурі;
Ru , Lu - відповідно активний опір та індуктивність індуктора;
М - взаємоіндуктивність ;
Rg , xg=L - відповідно активний та реактивний опір контуру із датчиком;
Е - ЄДС у індукторі;
- кругова частота.
Розвязуючи систему рівнянь (15) для кожного n-го проміжку часу з урахуванням значення взаємоіндуктивності М для цього ж проміжку із виразу (15) можна отримати залежності струмів та повних потужностей у прийомному контурі від часу проходження прийомним контурам зони індуктора (рис. 2).
Рис. 2. Залежнiсть струму 1 та потужності 2 у прийомному контурі від часу
У загальному випадку, коли контури мають довільне розташування, розрахунок роблять за допомогою лінійного інтеграла по відповідному контуру та інтеграла по об’єму біля точки, у котрій шукають векторний потенціал магнітного поля та напруженість електричного поля.
При створенні пристроїв для контролю відстаней до поверхні нагрітого тіла, що проводить струм, та для виявлення цих тіл у зоні, яка контролюєтся, розглянута задача розрахунку електромагнітного поля контура з круговим струмом при наявності тіла, що проводить, та наявністю у цьому полі додаткового контуру (рис. 3).
Точка М лежить на поверхні провідного тіла, що контролюється, точка М1 належить вимірювальному контурові.
При розрахунку величини
