АСУ индукционной печи

Благодаря подключению компьютера возрастет скорость обработки информации, поступающей с датчиков и пирометров всего технологического процесса, существенно  уменьшит время протекания всего  технологического процесса, существенно уменьшит трудовые ресурсы и сведет к минимуму роль человека.

Ряд выше перечисленных преимуществ  создаёт благоприятную почву для автоматизированных применения установок индукционного нагрева на производстве вместо габаритных газопламенных печей и печей сопротивления.

 

 

2 КОНСТРУКТОРСКАЯ  ЧАСТЬ

 

2.1 Техническое проектирование системы управления

 

В данной части курсового проекта произведен выбор элементов оборудования, разработаны алгоритм работы системы и структурная схема, а также осуществлен тепловой и электрический расчет индуктора.

 

2.2 Физическая сущность индукционного нагрева

 

Метод индукционного  нагрева основан на использовании  следующих законов и явлений:

1. Закон электромагнитной индукции;
2. Поверхностный эффект;
3. Эффект близости;
4. Изменение свойств стали в процессе нагрева.

При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой заготовке. Кратко охарактеризуем эти явления.

Для метода индукционного нагрева  значение электромагнитной индукции состоит  прежде всего в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый  объект, не прибегая контактам.

Поверхностный эффект является основой  индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении  тока по сечению проводника, при  котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхности  проводника.

Плотность тока для различных точек  сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока.

Эффект близости представляет собой  разновидность поверхности проводников  в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников  с током, входящим в рассматриваемую  систему. Картина магнитного поля и  распределения тока при эффекте  близости показана на рис. 2.1

 

Рисунок.2.1-Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости: а) одинаково направленные токи, б) встречно направленные токи

 

Используя эффект близости, можно  подобрать соответствующей формы  индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.

Эффект близости проявляется тем  сильнее, чем меньше расстояние между  проводниками и чем сильнее проявляется  поверхностный эффект, то есть чем  больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.

На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.

 

Рисунок 2.2 Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена нагреваемая деталь

 

Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.

С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление ρ возрастает и выше 1000˚С достигает своего максимального значения.

Магнитная проницаемость в интервале 600-700˚С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко  падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости  вакуума (μ=1).

Для практических расчетов глубину проникновения δ тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15˚С

           (2.1)

 

и при температуре 760єС

 

           (2.2)

 

для меди при температуре 15єС

 

           (2.3)

 

где δ- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Из приведенных в табл.2.1 данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств точки Кюри.

 Для большинства  сталей магнитные превращения  протекают в интервале критических  температур 765-780˚С, при которых магнитная  проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

 

 

Таблица 2.1 Глубина проникновения  тока в металл при различных частотах

Частота тока, Гц	Глубина проникновения тока, см
	Сталь 45		Электрическая медь
	При t=15єС, P=2·10-5Ом·см, Μ=40Гс/Э	При t=800˚С, P=10-4Ом·см, Μ=1 Гс/Э	При t=15˚С, P=1,8·10-6Ом·см, Μ=1 Гс/Э
50 2500 10000 100000 1000000	0,5 0,067 0,034 0,011 0,0034	7,0 1,0 0,5 0,16 0,05	1,0 0,13 0,07 0,022 0,007

 

Наибольшее  значение глубины проникновения  тока называют горячей глубиной проникновения  и обозначают δ_гор.

Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле

 

          (2.4)

 

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине  проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных  свойств глубина проникновения  тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже, повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем  начинается быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины  проникновения тока является горячая  глубина проникновения.

Повышение температуры в слое горячей  глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях –в основном за счет теплопроводности.

Выбор и назначение элементов оборудования. Устройство для индукционного нагрева  включает в себя комплекс соединенных  в определенной последовательности функциональных элементов: источник электрической энергии; преобразователь электрической энергии одного род тока в другой; нагрузочный элемент (потребитель электрической энергии) блок преобразования электрической энергии в тепловую; технологическая приставка; блок управления и контроль электрическим режимом технологического процесса; блок управления и контроль достигает технологическим режимом управления процесса; сооружения и вспомогательное оборудование.

В качестве источника питания индукционных установок применяет тиристорные  преобразователи тока промышленной частоты 50 Гц в переменный ток повышенной частоты 0,5-1 кгц. Преобразователь частоты осуществляется за счет коммутации постоянного тока управляемыми кремниевыми вентилями - тиристорами.

Преимущества полупроводников  тиристорных преобразователей частоты: коэффициент полезного действия на 7-15% выше, чем машинных; мгновенная готовность к работе; возможность  регулировать рабочую частоту, что  позволяет создавать оптимальные  режимы нагрева; малое время простоев, связанных с ремонтом; малые весовые  нагрузки; меньшая потребность охлаждающей  воды. Блок управления и контроля энергического режима устройства для индукционного нагрева содержит систему датчика, исполнительных органов и контрольно-измерительных приборов. В качестве контрольно-измерительных приборов выбираем пирометры, которые измеряют текущую температуру нагреваемого тела и посылают информацию об этой температуре на управляющую машину. Пирометры устанавливаем внутри индуктора. Система датчиков, установленных на входе нагревательного элемента, производит контроль протекания процедур загрузки и выгрузки заготовок.

2.3 Разработка структурной схемы

 

Проанализируем работу систему  и составим её структурную схему рисунок 2.3

Главную роль системы управления индукционным нагревом металла занимает промышленный компьютер. Он осуществляет управление всеми элементами системы, а также производит расчеты, необходимые для достижения оптимальных условий работы оборудования и получения оптимально возможных конечных результатов, таких как быстрота процесса и высокая производительность.

Управление тиристорным преобразователем частоты ТПЧ сводится к возможности изменения мощности, подводимого к индуктору. По сигналу, поступающему с ПК на ТПЧ напряжение изменяется и регулируется до той величины, которая необходима для работы индуктора с целью достижения определенных результатов.

Тиристорный преобразователя ТПЧ  обеспечивает работу индуктора в  соответствующем режиме напряжения. Индуктор и в свою очередь, непосредственно воздействует на заготовку 3, нагревая её под действием переменного электромагнитного поля. Данные о температуре, до которой нагрелась заготовка 3, поступает на оптические пирометры П, которых в данной системе три.

Пирометры П измеряют температуру  в разных частях нагреваемой заготовки 3, и информация с них поступает на ПК. Промышленный компьютер, помимо восприятия текущих температур, сопоставляет показания трех пирометров с целью избежания отклонений в нагреве в ту или иную сторону. Температурой нагрева будет температура, являющаяся средним арифметическим значением показаний трех пирометров. Таким образом, ПК не только получает данные о температуре, но и производит расчет среднего значения температуры нагрева. ПК осуществляет управление работой приводов, находящихся непосредственно в близости от рольганта.

Рольгант разделен на три участка: ПП - подводящий привод, ОП- отводящий привод, ПрП - промежуточный привод. Информация о необходимости начала загрузки поступает на подводящий провод ПП через буферный каскад БК . Подводящий привод ПП, получив сигнал, включается. Привод начинает работу и информация о характере выполнения команды и требуемой частоте вращения поступает ПК, который получает информацию о характере работы привода. За включением подводящего привода ПП следует вкл. подводящего ролика ПР. Подобным образом команда на выгрузку, поступающая через БК, приводит к включению отводящего привода ОП и отводящего ролика ОР. Информация о правильности выполнения команды и частоте вращения, идёт в ПК.

ПК получает информацию о том, что  началась процедура загрузки с оптического  датчика ОД1.

Прерывание  сигнала с оптопары ОД1свидетельствует  о том, что заготовка начинает поступать в индуктор. С поступлением сигнала с датчиком ОД1 на ПК поступает информация оконце загрузки. Параллельное поступление сигнала с оптической пары ОД 2 свидетельствует о том, что заготовка загружена полностью и её конец не выходит за пределы установки индукционного нагрева. Аналогичным образом поступает и обрабатывается информация о выгрузки. Отсутствие сигнала с оптических датчиков ОД2 дает информацию о начале выгрузки, которая, проходя через БК, идет на ПК. Информация о конце выгрузки поступает на ПК с поступлением сигнала с оптопары ОД2. Заготовка, проходя между элементами оптической пары: приемником и излучателем, прерывает сигнал и дает информацию о ходе технологического процесса.

Таким образом, с помощью оптических пар можно не только контролировать процедуру загрузки – выгрузки, но и корректировать положение заготовки во время загрузки, а также передавать информацию на ПК о перемещении заготовки внутри установки.

 

Рисунок 2.3-Структурная схема управления

 

Итак, промышленный компьютер, осуществляя и контролируя работу всех элементов, а также проводя необходимые расчеты и подвод величин, оптимально влияющих на работу всей системы, посредством быстрой обработки информации дает возможность получать конечные результаты, положительно влияющие на протекание технологического процесса обработки металла после нагрева. Кроме этого осуществляя работу элементов системы, ПК исключает или сводит к минимуму роль человека в проведении необходимых расчетов и в управлении системой в целом.

 

2.4 Разработка  РТК

 

Роботизированный технологический  комплекс представляет собой совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения автономно функционирующую и осуществляющие многократный цикл.

Общую структуру РТК можно представить в виде пяти основных систем: основного технологического оборудования; межоперационного (оборудования) транспортирования и складирования; манипулирования измерения и контроля; удаление вредных газов.

Среди большого цикла требований, предъявляемых к РТК, можно выделить ряд основных, выполнение которых  является обязательным при построении комплексов. К ним относятся:

1. планирование комплекса должна обеспечивать свободным, удобным и безопасный доступ обслуживающего персонала, к основному и вспомогательному оборудованию, а также к органам управления;
2. планировка должна, по возможности, исключать пересечения трасс следования оператора и ПР в процессе его работы;
3. комплекс должен быть обеспечен средствами защиты от возможного проникновения человека в зону действия ПР.
4. размещение средств защиты не должно ограничивать технологические возможности оборудования, затруднять их обслуживание, а также препятствовать визуальному наблюдению за ходом технологического процесса;
5. размещение средств управления должна обеспечивать свободный и быстрый доступ к органам аварийного отключения.

Компоновка РТК в зависимости от размещения технологического оборудования и ПР может быть линейной, круговой и линейно – круговой.