Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания

Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания.

Изобретение относится к области производства синтетических волокон, нитей и нетканых материалов, в частности к процессу формования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта.

Технический результат - повышение точности и быстродействия управления процессом формирования, транспортирования и наматывания волокнистого материала по заданной линейной плотности за счет оптимизации и согласования частот вращения рабочих органов электротехнического комплекса.

Спроектирован многодвигательный управляемый комплекс производства синтетических волокон, нитей и нетканых материалов, состоящий из трех групп автоматизированных электроприводов: 1. электропривода экструдера и дозирующих насосов; 2. электропривода вентиляторов всасывания и разряжения в зонах аэродинамической камеры; 3. электропривода каландра и наматывающего устройства. Система управляется микро-ЭВМ и работает в следящем режиме, обеспечивая заданные режимные параметры.

Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания.

Полезная модель относится к области производства синтетических волокон, нитей и нетканых материалов, в частности к процессу формования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта, и может быть использовано в других областях промышленности, где находят применение транспортирующие и мотальные механизмы.

Известно устройство для управления процессом формирования и наматывания синтетических нитей, содержащее регулируемый электропривод экструдера, электропривод дозирующих насосов, электропривод наматывающего устройства, обеспечивающие постоянство натяжения холста с помощью датчика натяжения, выполненное с возможностью синхронного управления для стабилизации давления в головке экструдера и обеспечения процесса вытягивания и наматывания нитей на паковки с заданным натяжением [1].

Недостатком устройства является отсутствие единого непрерывного процесса формования, вытягивания, транспортирования и наматывания волокнистого продукта.

Технический результат - повышение точности и быстродействия управления процессом формирования, транспортирования и наматывания волокнистого материала по заданной линейной плотности за счет оптимизации и согласования частот вращения рабочих органов электротехнического комплекса.

Указанный результат достигается тем, что устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания, содержащее регулируемый электропривод экструдера, вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, регулятора давления, преобразователя частоты и асинхронного двигателя, выходной вал которого через редуктор связан с валом шнека экструдера, выход которого является первым входом дозирующих насосов, и с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода дозирующего насоса, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, и состоящего из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя и регулятора давления, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через преобразователь частоты к синхронному двигателю, вал которого через редуктор соединен с приводным валом дозирующих насосов, один выход которых кинематически соединен с входом датчика давления расплава, выход которого является первым входом микроЭВМ, а второй выход соединен с первым входом аэродинамической камеры, электропривод вентилятора нагнетания воздуха, вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора разряжения, и валом вентилятора, обеспечивающего режим нагнетания воздуха в аэродинамическую камеру, электропривод вентилятора разряжения, вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через регулятор напряжения к асинхронному двигателю, вал которого через редуктор соединен с валом вентилятора разряжения, и с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода сетчатого транспортера, электропривод сетчатого транспортера, вход которого подключен к пятому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через усилитель мощности к двигателю постоянного тока, вал которого через редуктор кинематически соединен с сетчатым транспортером, электропривод двухвалкового каландра, вход которого подключен к шестому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход соединен с датчиком частоты вращения вала каландра, третий вход подключен к выходу датчика частоты вращения вала привода наматывающего устройства, а выход подключен к последовательно соединенным регулятору напряжения, асинхронному двигателю и редуктору, электропривод наматывающего устройства, вход которого подключен к седьмому выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает программный задающий сигнал, при этом электропривод наматывающего устройства состоит из цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения, установленного в свободной зоне транспортирования, а выход - со входом последовательно соединенных усилителя мощности и двигателя постоянного тока, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, и кинематически через редуктор с валом наматывающего устройства. При этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами и приводами постоянного тока для стабилизации давления в головке экструдера и обеспечения процесса вытягивания синтетических нитей, формирования волокнистого холста и наматывания его на валик с заданным натяжением.

На фигуре 1 приведена структурная схема устройства управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания.

Управляемая электротехнически система формования, транспортирования и наматывания волокнистого продукта содержит электроприводы экструдера, дозирующих насосов, вентилятора нагнетания воздуха, вентилятора разряжения воздуха, сетчатого транспортера, двухвалкового каландра, намоточного механизма.

Электропривод экструдера (1), вход которого подключен к выходу микро-ЭВМ (2), состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (3), регулятора давления (4), преобразователя частоты (5), асинхронного двигателя (6), выходной вал которого через редуктор (7) связан с валом шнека экструдера (8), выход которого является первым входом дозирующих насосов (9), и с датчиком частоты вращения (10), выход которого соединен с первым входом первого суммирующего устройства (11).

Электропривод дозирующих насосов (12) состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (13) и регулятора давления (14), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (11), выход которого подключен через преобразователь частоты (15) к синхронному двигателю (16), вал которого своим выходом через редуктор (17) соединен с приводным валом дозирующих насосов (9), один выход которых кинематически соединен с входом датчика давления расплава (18), выход которого является первым входом микро-ЭВМ (2), а вторым выходом соединен с первым входом аэродинамической камеры (19).

Электропривод вентилятора нагнетания воздуха (20) в аэродинамическую камеру (19) состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (21), регулятора напряжения (22), асинхронного двигателя (23) и редуктора (24), выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения (25), выход которого соединен с первым входом второго суммирующего устройства (26), и валом вентилятора (27), обеспечивающего режим нагнетания воздуха в аэродинамическую камеру (19). Электропривод вентилятора разряжения воздуха (28) состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (29), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (26), выход которого подключен через регулятор напряжения (30) к асинхронному двигателю (31), вал которого через редуктор (32) соединен с валом вентилятора разряжения воздуха (33), расположенного в нижней части аэродинамической камеры (19), и с датчиком частоты вращения (34), выход которого соединен с первым входом третьего суммирующего устройства (35). Электропривод сетчатого транспортера (36) состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (37), выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства (35), выход которого подключен через усилитель мощности (38) к двигателю постоянного тока (39), вал которого через редуктор (40) кинематически соединен с сетчатым транспортером (41). Электропривод двухвалкового каландра (42) состоит из последовательно соединенных цифро-аналогового преобразователя (43), выход которого соединен с первым входом четвертого суммирующего устройства (44), второй вход которого соединен с датчиком частоты вращения (45), установленным на валу каландра (46), третий вход подключен к выходу датчика частоты вращения (47), кинематически связанному с валом привода наматывающего устройства (48), выход подключен к последовательно соединенным регулятору напряжения (49), асинхронному двигателю (50) и редуктору (51). Электропривод наматывающего устройства (52) состоит из цифро-аналогового преобразователя (53), выход которого соединен с первым входом пятого суммирующего устройства (54), второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения (55), а выход - со входом последовательно соединенных усилителя мощности (56), двигателя постоянного тока (57), редуктора (58).

Функциональные назначения элементов системы автоматического регулирования.

Экструдерный способ получения качественного расплава является одним из новых и прогрессивных способов. Электропривод экструдера обеспечивает переработку термопластичных полимеров с целью получения расплава, поступающего к дозирующим насосам.

Система электропривода играет существенную роль в обеспечении эффективной работы экструдера. Изменение частоты вращения сказывается на производительности, равномерности физико-химических свойств и качестве конечного продукта переработки - расплава полимера.

Электропривод экструдера обеспечивает следующие основные требования:

1. Диапазон изменения частоты вращения шнека экструдера должен быть равен диапазону изменения производительности.

2. Пуск двигателя должен быть плавным и продолжаться 1-3 мин.

3. Электропривод должен обеспечивать работу в двух основных режимах: в режиме стабилизации частоты вращения шнека и в режиме стабилизации давления в головке экструдера. Во всем диапазоне изменения производительности необходимо автоматически поддерживать постоянной частоту вращения с отклонением, равным 1-2%, во втором - система автоматического регулирования должна быть устойчивой во всех режимах и ограничивать имеющие место пульсации давления расплава в головке экструдера в установившемся режиме в пределах ±(0,2-0,6) МПа.

Задача проектирования сводится к разработке оптимальной CAP частоты вращения шнека. Таким образом, основным режимом работы электропривода становится режим регулирования давления расплава в головке экструдера, а режим постоянной частоты вращения необходим только при запуске и останове. Использование электропривода по системе «Преобразователь частоты - асинхронный двигатель» позволяет наиболее рациональным образом решить комплекс вопросов, связанных с надежностью, быстродействием, точностью регулирования, снижением потерь исходного сырья, увеличением коэффициента полезного времени. Кроме того, применение микропроцессорных регуляторов давления позволяет эффективно снизить колебания давления расплава, в результате чего значительно повышается стабильность процесса формирования волокон и нитей.

Толщина и равномерность формуемых нитей определяется точностью подачи расплава дозирующими насосами, которые в свою очередь зависят от точности их изготовления и стабильности частоты вращения. Система автоматического регулирования обеспечивает работу привода в режиме стабилизации давления расплава на выходе блока, а также в режиме постоянной частоты вращения. Датчик давления расплава преобразует давление расплава в пневматический сигнал, поступающий на вход двух регуляторов давления, реализующих ПИД-закон регулирования.

Электропривод дозирующих насосов должен обеспечить регулирование частоты вращения насосов в диапазоне 5:1 и поддержание заданной частоты вращения с отклонением не более ±0,5%. Таким требованиям отвечает частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем.

В аэродинамической камере происходит формирование изотропного волокнистого холста из расплава. Расплав, проходя через фильеры, формируется в отдельные филаменты. Филаменты соединяются в элементарные волокна. В аэродинамической шахте волокно проходит стадию вытяжки и частичного охлаждения. На данном этапе происходит полное формирование волокна в натянутом состоянии. Полученные волокна обладают высокой прочностью и низким разрывным удлинением. В нижней части камеры происходит скручивание и укладка элементарных волокон на сетчатый транспортер. Вентилятор разряжения производит отсос воздуха из камеры, при этом волокнистый материал образует на сетчатом транспортере прочный волокнистый холст. Далее холст направляется в зазор между валками каландра. Валки одинакового диаметра вращаются с равными окружными скоростями от регулируемого параметрического асинхронного электропривода.

Намоточное устройство имеет регулируемый электропривод постоянного тока, обеспечивающий заданное натяжение холста в свободной зоне с помощью датчика натяжения.

Авторами разработан лабораторный стенд, моделирующий процесс формирования, транспортирования и наматывания синтетических нитей и нетканых материалов, основу которого составили: микропроцессорный комплект серии К1806; многофункциональный регулятор напряжения МРН000, управляющий асинхронным короткозамкнутым двигателем 4A90L4 мощностью 7,5 кВт; комплектный регулируемый электропривод постоянного тока типа ЭПУ2-1Е с двигателем постоянного тока ПБСТ-52 мощностью 5,5 кВт; комплектный электропривод постоянного тока типа АТЕЗ-50/230Р мощностью 2,5 кВт; датчики частоты вращения ДЧ53/18, комплектный параметрический асинхронный регулируемый электропривод серии КПЭ, комплектный асинхронный электропривод с векторным управлением «Размер 2М-5-21», комплектный синхронный электропривод ЭПБ2.

Устройство работает следующим образом. Перед пуском устройства напряжение от сети подается на блоки питания микро-ЭВМ, аналогово-цифровые преобразователи, усилители мощности, датчики давления расплава, бесконтактный датчик натяжения, регуляторы напряжения.

Для привода экструдера использован электропривод, спроектированный по системе «тиристорный преобразователь - асинхронный двигатель», позволяющий реализовать программное управление частотой вращения в заданных пределах, а также обеспечить пусковые и тормозные режимы определенной интенсивности.

Пуск разогретого экструдера производится в автоматическом режиме, при этом устанавливается минимальная частота вращения шнека 10-12 мин^-1, после чего в загрузочную зону подаются гранулы полимера. При появлении расплава в расплавопроводе и возникновении давления в головке экструдера путем изменения частоты вращения устанавливаются заданные производительность и давление расплава. Затем, когда фактическое давление расплава находится в заданных пределах, управление частотой вращения шнека экструдера идет в функции давления расплава в зоне дозирующих насосов.

Программа в микро-ЭВМ поддерживает давление расплава на выходе дозирующих насосов не ниже определенного уровня, обеспечивающего заданный объем заполнения расплавом. Основным режимом привода экструдера является режим постоянной скорости вращения, так как при подаче расплава к дозирующим насосам небольшие колебания давления расплава не оказывают влияния на технологический процесс, при этом на регуляторе давления устанавливается зона нечувствительности, соответствующая допустимому размаху колебаний давления. Основным режимом работы электропривода становится режим регулирования давления расплава, а режим постоянной частоты вращения необходим при пуске и останове.

Электропривод дозирующих насосов работает в следящем режиме к приводу экструдера за счет обратной связи по частоте вращения асинхронного двигателя. Электропривод обеспечивает точность подачи расплава, что определяет толщину и равномерность формуемых нитей, а также регулирование частоты вращения насосов в диапазоне 5:1 и поддержание заданной частоты вращения с отклонением не более ±0,5%.

Предложенная система автоматического регулирования обеспечивает работу привода дозирующих насосов в режиме стабилизации давления расплава на выходе, а также в режиме стабилизации частоты вращения. Датчик давления расплава преобразует пневматический сигнал давления расплава в электрический, поступающий на вход микро-ЭВМ, а от нее через цифро-аналоговый преобразователь на вход регулятора давления, реализующего ПИД-закон регулирования. При снижении давления расплава ниже заданного значения возрастает выходной сигнал регулятора давления, что приводит к увеличению сигнала управления электроприводом, увеличению частоты вращения дозирующих насосов и повышению давления до заданного значения.

Для повышения эффективности управления процессом холстообразования и качеством волокнистого слоя в аэродинамической камере вентиляционные установки нагнетания и разряжения оснащены регулируемыми асинхронными параметрическими электроприводами серии КПЗ, работающими в следящем режиме. С помощью регулирования воздушного потока достигается его перераспределение и выравнивание по сечению камеры перед формируемым слоем холста. За счет применения регулируемых электроприводов вентиляции нагнетания и разряжения возможно повысить интенсивность осаждения волокон в зоне формирования холста, а этим самым его равномерность. В следящем режиме, используя датчик частоты вращения, относительно системы вентиляции работает электропривод постоянного тока сетчатого транспортера, на котором формируется слой волокнистого материала и который должен быть своевременно транспортирован к двухвалковому каландру.

Привод наматывающего устройства работает в следящем режиме к приводу каландра за счет двух обратных связей, реализованных датчиками частоты вращения, механически связанными с каландром и валом привода наматывающего устройства. Намотка осуществляется по заданной в микро-ЭВМ программе и корректируется с помощью бесконтактного датчика натяжения. Скорость приема и наматывания холста обеспечивается в пределах от 50 до 250 м/мин. Линейная скорость выпуска холста из каландра и намотка его на оправку стабилизируется датчиками частоты вращения и бесконтактным датчиком натяжения.

Источники информации

1. Поляков А.Е., Поляков К.А., Пименова Е.Л., Шевнина Е.А. Устройство для управления процессом формирования и наматывания синтетических нитей (свидетельство на полезную модель). Бюл. 16, 2003, 29933.

Устройство для управления процессом формирования синтетических волокон и нитей, холстообразования и наматывания, содержащее регулируемый электропривод экструдера, вход которого подключен к первому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, регулятора давления, преобразователя частоты и асинхронного двигателя, выходной вал которого через редуктор связан с валом шнека экструдера, выход которого является первым входом дозирующих насосов, и с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода дозирующего насоса, вход которого подключен ко второму выходу микро-ЭВМ, и состоящего из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя и регулятора давления, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через преобразователь частоты к синхронному двигателю, вал которого через редуктор соединен с приводным валом дозирующих насосов, один выход которых кинематически соединен с входом датчика давления расплава, выход которого является первым входом микро-ЭВМ, а второй выход соединен с первым входом аэродинамической камеры, электропривод вентилятора нагнетания воздуха, вход которого подключен к третьему выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, регулятора напряжения, асинхронного двигателя и редуктора, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода вентилятора разряжения, и валом вентилятора, обеспечивающего режим нагнетания воздуха в аэродинамическую камеру, электропривод вентилятора разряжения, вход которого подключен к четвертому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через регулятор напряжения к асинхронному двигателю, вал которого через редуктор соединен с валом вентилятора разряжения, и с датчиком частоты вращения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства электропривода сетчатого транспортера, электропривод сетчатого транспортера, вход которого подключен к пятому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен со вторым входом суммирующего устройства, выход которого подключен через усилитель мощности к двигателю постоянного тока, вал которого через редуктор кинематически соединен с сетчатым транспортером, электропривод двухвалкового каландра, вход которого подключен к шестому выходу микро-ЭВМ, состоящий из последовательно соединенных цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход соединен с датчиком частоты вращения вала каландра, третий вход подключен к выходу датчика частоты вращения вала привода наматывающего устройства, а выход подключен к последовательно соединенным регулятору напряжения, асинхронному двигателю и редуктору, электропривод наматывающего устройства, вход которого подключен к седьмому выходу микро-ЭВМ, на второй вход которой поступает программный задающий сигнал, при этом электропривод наматывающего устройства состоит из цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом суммирующего устройства, второй вход которого соединен с выходом датчика натяжения, установленного в свободной зоне транспортирования, а выход - со входом последовательно соединенных усилителя мощности и двигателя постоянного тока, выходной вал которого соединен с датчиком частоты вращения, и кинематически через редуктор с валом наматывающего устройства, при этом микро-ЭВМ выполнена с возможностью реализации функции синхронизации управления асинхронными электроприводами и приводами постоянного тока для стабилизации давления в головке экструдера и обеспечения процесса вытягивания синтетических нитей, формирования волокнистого холста и наматывания его на валик с заданным натяжением.