Upload
others
View
12
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Algoritam za upravljanje sistemom elektromotornih pogona premotača
sa smanjenim brojem davača na bazi estimacije procesnih veličina
Odabrana poglavlja
iz elektromotornih pogna
Sadržaj
• Prikaz postrojenja premotača
• Prikaz algoritma upravljanja premotačem
• Mogućnosti za rad sa smanjenim brojem davača
• Prikaz rezultata snimljenih na realnom postrojenju
• Zaključak
• Diskusija
2 od 38
Tehnološki proces proizvodnje papira ili kartona
3 od 38
Kontinualno
kuvanje
Evaporatori Mlin za krec
Tretman
otpadnih
voda
Para za kogeneracijuIzbeljivanje
Precišcavanje
RefajnersBoiler
Proizvodnja
pare i
el. energije
Papir mašina
Premotac
Usitnjeno
drvoSkidanje kore
Skladište drveta
ili celuloze
Drvo
Premotač
Osnovni delovi premotača
• Odmotač
– Ima ulogu da zateže papir za pravilno sečenje
• Sekcija uzdužnog sečenja
– Formiraju se rolne potrebne širine i odsecaju se krajevi rolne
• Namotač
– Formiraju se rolne potrebnog prečnika i čvrstoće
– Slojevi moraju biti pravilno složeni
4 od 38
Tipovi premotača
• Odmotač, najčešće centralnog tipa
– sa mehaničkom kočnicom (pneumatskom, hidrauličkom … )
– sa električnim kočenjem
• Sekcija noževa
– Horizontalno ili vertikalno postavljena
• Namotač može biti centralnog ili tangentnog tipa
– Sa dva bubnja: sa dva čelična bubnja, sa vazdušnom potporom, potpora sa trakom, sa obloženim bubnjem…
– Sa jednim bubnjem, rolne na dve strane…
5 od 38
Tipovi premotača
6 od 38
Premotač sa dva čelična bubnja Namotač sa jednim bubnjem - Dve rolne
Namotač sa
vazdušnom potporom Namotač sa potporom sa trakom
Metso paper Voith
Voith Voith
Prednji
bubanj
Pritisni valjak
sa merenjem
pozicije
Odmotač
Namotana
rolna
Zadnji
bubanj
Rolna odmotača
Noževi
Merenje sile
zatezanja
Izbacivanje
namotanih
rolni
Namotač 2 Namotač 1
Mehanizam
za prihvatanje
namotanih
rolni
Struktura razmatranog premotača
Voith
7 od 38
Opšti tehnički podaci
Parametar Jedinice Vrednost Širina [mm] 3200 Maks radna brzina [m/min] 1200 Maks. prečnik nam. rolne [mm] 1800 Maks. prečnik rolne odm. [mm] 2800 Gramatura, min–max [g/m2] 230 – 500 Debljina kartona, min–max [m] 280 – 576 Maks. sila zatezanja N 15000 Snaga motora namotača [kW] 200 Snaga motora odmotača [kW] 315
8 od 38
Jednopolna šema glavnih pogona
M
Odmotač
M
Namotač 1
M
Namotač 2
Napajanje
Zajedničko jednosmerno međukolo
~=
~=
~=
~=
~=
Ispravljač Rekuperator
Invertor Invertor Invertor
E E E
9 od 38
M
Odmotač
M
Namotač 1
M
Namotač 2
Napajanje
Zajedničko jednosmerno međukolo
~=
~=
~=
~=
~=
Ispravljač Rekuperator
Invertor Invertor Invertor
E E E
Tokovi snage u normalnom radu
10 od 38
Snaga uzeta
iz mreže
Snaga pogona
odmotača
Snaga pogona
namotača 1 i 2
(prednjeg i
zadnjeg bubnja)
+ = +
Deo opreme regulisanih pogona
Frekventni pretvarači Rastavljači sa osiguračima
11 od 38
Oprema
Pult upravljanja Motori, enkoderi, reduktori, meh. kočnice
Davač sile zatezanja (presduktor)
Grafički upravljački panel
12 od 38
Upravljačka struktura
13 od 38
PLC
FP
odm.
FP
nam.
FP
nam.
E
Operatorski
panel Merenje
sile Pozicioni
enkoder
Dig. I/O
I/O
PROFIBUS
Bezbednosni
stop
Ethernet
SWSCADA
sa
arhivomVPN pristup
Namotač – blok dijagram
14 od 38
Tv
rdo
ća
nam
ota
van
ja
Dn [cm]
[%]
v* w*n2
w*n1
DM*
Mn2
Ref. brzina
Brzinski
regulator
(PI)
Algoritam
uprav.
motorom
+
wn1
+
Pogoni namotača
–
–
E
wn2
Fz
M2
FP n1
Mn1
M1
wo wn2
Reference u
panelu
Upravljački
sistem u PLC-u
Generator
referentne brzine
za motore
namotača
M1 i M2
wn2
wn1
E
E
S
Brzinski
regulator
(PI)
Algoritam
uprav.
motorom
S
FP n2
Dn
Prečnik namotane rolne
hpv
wn2
Izračunavanje
Estimacija
Estimator prečnika UKLJ
Pritisni
valjak sa
merenjem
poz.
Odmotač – blok dijagram
15 od 38
MHlim.
wo
Sm
anje
nje
za
teza
nja
[%
]
Dn [cm]
MLlim.
Jo(Do)
F*z Regulator
zatezanja (PI)
+
wo
Pogon odmotača
–
Merenje sile
zatezanjaM
Mer. ćel.
Generator
ref.
brzine
odmotača
Fz
Referentna sila zatezanja
Fz kor.
S´
Prekid
trake
+
–
FP uBrzinski
regulator
(PI)
Algoritam
uprav.
motorom S
E
w*o
Fz
MLlim.
Fotoćelija
Estimator sile
zatezanja
Fz^
Estimator sile zat. UKLJ.
Meo
wo
wn2
Reference u
panelu
Upravljački
sistem u PLC-u
Opšti model premotača
16 od 38
Odmotač Namotana
rolna
Namotač
zadnji bubanjNamotač
prednji bubanj
Jo (Do)
Fz
Fz
Jn (Dn)
Mn1,
wn1
Mn2,
wn2
vtrake
Mo, wo
Mmo
DnDo
Mz
Σ 2
1( )o o mo go j o o
o
J D J J J J Di
1 1 1 12
1
1n m g b
n
J J J Ji
2
22 2 2 22 2
2 2
1 1( )bn
n n m g b n nnn n
DJ D J J J J D
Di i
Njutnove (mehaničke) jednačine
17 od 38
11 1 1 1
12b
n n n m inn
DdJ M M F
dt iw
22 2 2 2
2
( )2
bn n n n m z in
n
DdJ D M M F F
dt iw
Σ
( )( )
2oz
o o o o moo
D td FJ D M M
dt iw
Odmotač
Namotač sa dva bubnja
Moment opterećenja odmotača
18 od 38
Mm = 0,0582∙no
0
20
40
60
80
100
120
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Mo
men
at
tren
ja [
Nm
]
Brzina motora odmotača [o/min]
Smanjenje broja davača
• U regulisanom pogonu postoji merenje struja, napona i brzine, na osnovu toga pogon (frekventni pretvarač) izračunava moment motora.
• Ukoliko poznajemo prenosne odnose reduktora i prečnike valjaka, možemo da izračunamo silu zatezanja trake (kartona).
• Integracijom merene brzine motora namotača možemo da izračunamo dužinu premotane trake.
• Iz tog podatka možemo da izračunamo prečnik namotane rolne.
19 od 38
Estimacija sile zatezanja
Iz Njutnove jednačine odmotača
20 od 38
Σ ( )o o o o mo z
dJ D M M M
dtw
( )
2
ozz
o
D tFM
i
Σ Σz o o o o o o o mo
d dM J D J D M M
dt dtw w
Promena momenta
inercije odmotača
Moment
opterećenja
pogona
odmotača
Diferenciranje
brzine
Moment
motora iz
pretvarača
preko
PROFIBUS-a
Estimacija prečnika odmotača
Diferenciranje brzine primenom “praktičnog diferencijatora”
21 od 38
2ˆ o no bn
n o
iD
iD
w
w
Promena momenta inercije odmotača
1 111 1 s
o o ofilt filt
Td dz z
dt T T dtw w w
2Σ 2
ˆ 1 1 ˆ4
o tr tr o o
o
o
dJ W d D v
dt iD
Estimacija momenta opterećenja
Sada su svi članovi izraza poznati, možemo da izračunamo moment od sile zatezanja
22 od 38
0ˆ
m m tr oMM k w
Σˆ ˆ ( )ˆ
z m o o o o
dM M J
dtM D w
2 ˆˆˆ
oz z
o
MFD
i
Silu zatezanja u traci dobijamo deljenjem sa prečnikom rolne odmotača
Estimator sile zatezanja
23 od 38
ˆmM
on
ˆoD
Σˆ
oo
dJ
dtD
Σˆ
ooJ D
ˆzM
Σˆ( )o o oD
dJ
dtw
ˆmM
oM
ˆzF
ˆoD
2nn
Rezultati merenja: Povratna veza po estimiranoj sili zatezanja
24 od 38
0 100 200 300 400 500 600
0
2000
4000
Sile
za
teza
nja
[N]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 6000
500
1000
1500
Brz
ine
[o
/min
]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 600-200
0
200
400
600
800
Mo
me
nti [N
m]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 600
-100
0
100
200
300
,(
)/
[Nm
]m
oo
oM
dJ
dt
wS
Vreme [s]
ˆzF
zF
2nn
on
ˆzM
oM
( ) /o od J dtwS
moM
Estimator bez povratne sprege
25 od 38
Greška estimacije je definisana kao
ˆ( ) ( ) ( )x t x t x t
Dinamički sistem
A, B C( )x t( )u t ( )y t
A, Bˆ( )x t
Opserver Estimator sa povratnom spregom
26 od 38
Opserver
Dinamički sistem
A, B C( )x t( )u t ( )y t
A, B, Lˆ( )x t
Cˆ( )y t
David G.
Luenberger
27 od 38
ΣΣ 1 1 2 2ˆ
ˆˆo o
o o tr o o
d dJJ M k K e K e
dt dtw
ww
1 ˆo oe w w
ow
ˆow
2 1
de e
dt
oM Σ
( )( )
2
ozo o o o mo
o
D tFdJ D M M
dt iw
1 1 2 2
2ˆˆ
oz
o
FD
iK e K e
ˆzF
Dinamički sistem
Opserver
Rezultati merenja: Povratna veza po opserviranoj sili zatezanja
28 od 38
0 100 200 300 400 500 600
0
1000
2000
3000
4000
5000
Sile
za
teza
nja
[N]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 6000
500
1000
1500
Brz
ine
[o
/min
]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 600-200
0
200
400
600
800
Mo
me
nti [N
m]
Vreme [s]
0 100 200 300 400 500 600
-100
0
100
200
300
Vreme [s]
ˆzF
zF
2nn
on
ˆzM
oM
( ) /o od J dtwS
moM
,(
)/
[Nm
]m
oo
oM
dJ
dt
wS
Rezultati merenja: Povratna veza po opserviranoj sili zatezanja
29 od 38
Komentar rezultata merenja
• Postoji izražen šum u estimiranom i u opserviranom signalu sile zatezanja.
• Šum potiče od nesavršenosti mehaničkog sistema - davača brzine (enkodera na pogonima). Pravilna montaža enkodera umanjuje šum.
• Rad bez enkodera nije moguć.
• Visoka učestanost šuma ne dovodi do problema u regulaciji sile zatezanja.
30 od 38
Poređenje algoritama estimacije sile zatezanja
31 od 38
0 100 200 300 400 500 600-5
0
5
Vreme [s]
Gre
ska
estim
ato
ra [%
]
maxˆ( ) /z z zF F F
0 100 200 300 400 500 600
-5
0
5
Vreme [s]
Gre
ska
op
se
rve
ra [%
]
maxˆ( ) /z z zF F F
Estimator
Opserver
Visina pritisnog valjka
32 od 38
Dbn
Lbn
hpv
hpv = 0
Dn(hpv)
Pritisni
valjak
Bubnjevi namotača
Namotana
rolna
hpv Dn(hpv)
hpv min
hpv max
Dn0
2 22
4 4
2
bn bnpv
n pvbn
pv
L Dh
D hD
h
Estimacija prečnika namotane rolne
33 od 38
24ˆ ( ) ( ) ( 0)n tr n nD t d L t D t
2 2( ) ( 0)
( )2 2 n n
tr n
D t D td L t
202
1( ) ( 0)
60
tbn
n n nn
DL t L t n dt
i
Dužina trake u rolni:
Jednakost površina:
Estimirani prečnik:
Rezultati estimacije prečnika
34 od 38
Zaključak
• Pravilnim održavanjem, životni vek premotača se može značajno produžiti.
• Periodične rekonstrukcije su neophodne da bi se elektro oprema usaglasila sa trenutnim tehničkim mogućnostima.
• Performanse postrojenja se mogu značajno popraviti uvođenjem savremene opreme.
• Dijagnostika kvarova je lakša, čime se skraćuju zastoji u radu.
• Mogu se ostvariti značajne uštede energije primenom električnog kočenja sa rekuperacijom.
35 od 38
Zaključak
• Primenom algoritama estimacije mogu se zameniti signali sa osetljivih ili skupih davača, bez degradacije performansi ili smanjenja tačnosti.
• Pouzdanost postrojenja se tako povećava.
36 od 38
Predlog daljeg rada
• Implementacija upravljanja sa smanjenim brojem davača na drugim postrojenjima kod nas, a nadam se i u svetu.
• Određivanje mehaničkih gubitaka na bazi merenja električne snage uzete iz mreže.
37 od 38
Hvala na pažnji.
38 od 38