122815 (Автоматическое управление плотностью бумажной массы)

Введение

Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле - совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при выполнении операций конкретного процесса.

Автоматическое управление в технике, совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Автоматическое управление широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда, качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами, функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья. Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления (УУ). Совокупность взаимодействующих управляющего устройства и управляемого объекта образует систему автоматического управления. Система автоматического управления (САУ) поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. САУ играют важную роль в пищевой и легкой промышленности, например для поддержания плотность и других характеристик сырья.

Целью данной работы является исследование системы управления, а также синтез последовательное корректирующее звено для получения в нашей системе следующих показателей качества(перерегулирование 15%, время переходного процесса 1с)

Для достижения цели планируется провести ряд действий:

- исследование принципов работы системы и построение её функциональной схемы;

- разработка модели системы в пакете MATLAB;

- анализ частотных и временных характеристик одного из звеньев системы управления;

- анализ устойчивости системы (методами Михайлова и логарифмического частотного критерия устойчивости);

- анализ качества;

- применение одного из методов повышения точности;

- последовательного корректирующего звена.

1. Описание работы системы

Бумага представляет собой многокомпонентную систему, состоящую, в основном, из специально обработанных растительных волокон, тесно переплетенных мeждy собой и связанных химическими силами сцепления различного вида. Это капиллярно-пористый материал. Помимо волокнистых компонентов, формирующих структуру бумаги, а, следовательно, и ee основные свойства, в состав бумаги мoгyт вводиться минеральные наполнители, так называемые проклеивающие вещества, красители и дpyгиe специальные добавки. Основными волокнистыми полуфабрикатами являются: древесная целлюлоза, получаемая химической обработкой древесины, и древесная масса, то ecть механически измельченная древесина - дешевый и широко используемый компонент бумаги. Особое место занимает бумага из хлопковых и синтетических волокон.

Конечно, за мнoгиe столетия развития бумажного производства, технология изготовления бумаги претерпела значительные изменения, хотя принципы формирования бумажного полотна не изменились. Революционным явилось изобретение милования бумаги - покрытия бумажной основы специальной пастой на основе каолина.

1.1 Схема производства бумаги

Производство бумаги можно разделить на три основных этапа:

1 этап. На первом этапе производится предварительная обработка древесного сырья. Еловая древесина распиливается на слесарных столах дисковыми пилами на мерный баланс длиной 1,2 м, освобождается от коры (окаривается) в окорочных барабанах сухим способом (без подачи воды в барабан). Часть окоренного баланса измельчается до получения технологической щепы в рубильных машинах. 2 этап. На втором этапе происходит производство полуфабриката - древесной массы и термомеханической массы. В древесно-массном цехе получают древесную массу, путем механического истирания мерного баланса в дефибрерах. В шахту дефибрера загружаются балансы, по всей длине прижимаются к вращающемуся керамическому камню, в результате чего происходит разделение древесины на волокна. Древесная масса проходит сортирование, очистку, сгущение и отбелку. В цехе термомеханической массы из технологической щепы получают термомеханическую массу путем двухступенчатого размола под давлением пропаренной щепы. Она также проходит сортирование сгущение и отбеливание.

3 этап. Третий этап - производство бумаги. Бумажная масса после предварительного сортирования, очистки, деаэрации и тонкого сортирования поступает на бумагоделательную машину, где в сеточной части происходит формование бумажного полотна, обезвоживание его под давлением прессовых валов, сушка в процессе прохождения через сушильные цилиндры, обогреваемые изнутри паром, повышение гладкости при прохождении бумаги между каландровыми валами и намотка готовой бумаги на вал наката. Затем на продольно-резательном станке бумага разрезается на рулоны требуемых форматов, упаковывается и складируется. Отгрузка бумаги осуществляется железнодорожным, автомобильным и водным транспортом.

1.2 Устройство бумагоделательной машины

Бумагоделательная машина состоит из сеточной, прессовой, сушильной, отделочных частей и привода. Кроме того, к ней относятся машинный бассейн для аккумулирования бумажной массы и подачей ее на машину, оборудование для рафинирования, помола и очистки массы, насосы для подачи воды, вакуумные насосы, устройства для переработки брака, бассейны оборотной массы воды, приточно-вытяжная вентиляционная система, регулирующие и контрольно-измерительные приборы.

Сеточная часть предназначена для формования и обезвоживания бумажного полотна и включает напорный ящик и сеточный стол. Напорный ящик предназначен для равномерного и непрерывного напуска массы на сетку по всей ширине. Бумажная масса на сетку выливается при помощи напускного устройства, обеспечивающего выход с одинаковой скоростью и в одинаковом количестве по всей ширине сетки, подачу массы спокойным потоком, без перекрещивания струй, завихрений и хлопьеобразования.

Сеточный стол представляет собой горизонтальную плоскость, образованную сеткой, натянутой между грудным валом и отсасывающим гаучвалом. Под верхней ветвью сетки, по направлению ее хода последовательно от грудного до гаучвала, расположены: формующая доска, гидропланки или регистровые валики, отсасывающие ящики. Основное назначение этих элементов - формование бумажного полотна за счет создания режима обезвоживания бумажной массы на сетке.

Прессовая часть служит для дальнейшего механического обезвоживания полотна бумаги после сеточного стола и состоит из двух или трех двухвальных прессов. В каждом прессе имеется сукно, охватывающее один из валов. Основное назначение сукон - предохранение структуры полотна бумаги от раздавливания во время прессования, впитывания влаги, транспортирования слабого сырого полотна в прессе и его передача в следующий пресс.

Сушильная часть служит для окончательного обезвоживания полотна бумаги испарением влаги. Сушильная часть состоит из сушильных цилиндров, расположенных в два яруса в шахматном порядке. Сушильный цилиндр - это полый стальной цилиндр диаметром 1500 или 1800 мм, изнутри обогреваемый паром. Поверхность цилиндров, как и прессовых валов, имеет высокую степень обработки - она отшлифована и отполирована. Число цилиндров зависит от вида вырабатываемой бумаги и скорости машин, например, для выработки газетной и мешочной бумаги число цилиндров доходит до 50 или 80. Отделочная часть состоит из машинного каландра и наката. Установленный между сушильной частью и накатом машинный каландр служит для повышения лоска, гладкости и объемной массы бумаги. Каландр состоит из 5 - 8 горизонтально расположенных один над другим валов, приводящихся в движение от нижнего вала. После машинного каландрирования бумага поступает на накат, где наматывается в рулон.

Привод бумагоделательной машины предназначен для привода в движение всех частей бумагоделательной машины. Он обеспечивает плавное изменение скорости отдельных частей в определенных пределах, строгое постоянство скорости приводимых частей при установившемся режиме работы машины. Установленная мощность электродвигателей привода составляет величину 10-20 тыс. кВт для различных типов машин.

1.3 Подача массы на бумагоделательную машину

По выходе из машинных бассейнов масса дозируется и направляется в бумагоделательную машину. Перед поступлением на машину она разбавляется оборотной водой, очищается от посторонних загрязнений. Формирование бумажного листа на сетке бумагоделательной машины. Бумажная масса, разбавленная до необходимой концентрации и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик бумагоделательной машины. Необходимая степень разбавления массы для отлива бумаги на сетке бумагоделательной машины зависит от массы 1 м2 бумаги, рода волокна и степени помола массы.

Напуск массы на сетку. Эта операция осуществляется при помощи напускного устройства - напорного ящика. Для нормальной работы машин при скоростях 450-500 м/мин требуется напор массы в напорном ящике 2,5-3 м, при скорости 600 м/мин - около 4,2 м и т. д.

Напускное устройство обеспечивает напуск бумажной массы на бесконечную сетку, движущуюся в направлении от грудного к гаучвалу, с одинаковой скоростью и в одинаковом количестве по всей ширине сетки. Напуск массы осуществляется почти параллельно сетке без всплесков.

Формирование бумажного листа (отлив). Формирование, или отлив, бумажного листа представляет собой процесс объединения волокон в листовую форму с созданием определенной объемной капиллярно-пористой структуры. Этот процесс осуществляется на сеточной части бумагоделательной машины постепенным и последовательным удалением воды из бумажной массы (обезвоживанием).

Режим обезвоживания, начинаемый в начале сеточного стола и заканчиваемый сушкой бумаги в сушильной части, на всех этапах технологического процесса оказывает существенное влияние на качество бумаги и производительность машины. Слой суспензии, транспортируемый бесконечной сеткой, последовательно проходит над регистровыми валиками или гидропланками, где постепенно обезвоживается. По мере удаления воды слой суспензии сгущается, образуется определенная структура бумажного полотна в виде слоя волокнистой массы на сетке концентрацией 2-4%. Обезвоживание такого слоя с помощью вакуума, создаваемого регистровыми валиками или гидропланками, затрудняется. Поэтому дальнейшее обезвоживание проводят с помощью отсасывающих ящиков, в которых создается вакуум с помощью вакуум-насосов, причем от первого к последнему ящику вакуум повышается. Разряжение в ящиках устанавливают в зависимости от вида вырабатываемой бумаги, оно находится в пределах 2-3 кПа. После отсасывающих ящиков сухость бумажного полотна составляет 8-10%. Затем полотно бумаги обезвоживается в конце сеточного стола на гаучвале под действием вакуума в отсасывающей камере.

1.4 Прессование, сушка, отделка бумаги

Прессование. После обезвоживания в сеточной части бумажное полотно поступает в прессовую, состоящую обычно из нескольких прессов, на которых оно последовательно обезвоживается до сухости 30-42%. Во время прессования бумажное полотно не только обезвоживается, но и уплотняется. При этом увеличиваются площадь контакта и силы сцепления между волокнами. Кроме того, изменяются свойства бумаги: растет объемная масса, снижаются пористость, воздухопроницаемость, впитывающая способность, увеличивается механическая прочность на разрыв и продавливание, повышается прозрачность и т. д.

Сушка. В сушильной части бумагоделательной машины бумажное полотно обезвоживается до конечной сухости. В процессе сушки удаляется 1,5-2,5 кг воды на 1 кг бумаги, что примерно в 50-100 раз меньше, чем на сеточной и прессовой частях машины. При сушке одновременно происходит дальнейшее уплотнение и сближение волокон. В результате повышается механическая прочность и гладкость бумаги. От режима сушки зависят объемная масса, впитывающая способность, воздухопроницаемость, прозрачность, усадка, влагопрочность, степень проклейки и окраска бумаги. Сухость бумажного полотна после нахождения в сушильной части составляет 92-95%, а температура 70-900С. Для обеспечения высококачественного каландрирования и хорошей намотки полотна в конце сушильной части устанавливают холодильные цилиндры, охлаждаясь на которых, бумажное полотно впитывает влагу и увлажняются на 1-2%.

Отделка. После сушки бумажное полотно с целью уплотнения и повышения гладкости проходит через машинный каландр, состоящий из расположенных друг над другом 2-8 валов. Полотно, огибая поочередно валы каландра, проходит между ними при возрастающем давлении. Пройдя каландр, бумажное полотно непрерывно наматывается на тамбурные валы в рулон диаметром до 2500 мм. Перезаправка с одного тамбурного вала на другой осуществляется при помощи специальных механизмов и устройств. Пройдя бумагоделательную машину бумага поступает на резательный станок и далее к упаковочной машине.

Основные параметры, характеризующие бумагоделательную машину - ширина вырабатываемой бумаги (в мм) и скорость (в м/мин). Эти два параметра, а также масса 1 м2 полотна определяют производительность машины (т/ч, т/сут и тыс.т/год).

1.5 Управление плотностью бумажной массы

При производстве бумаги очень важно поддерживать постоянную плотность исходной массы перед тем, как она поступает на укладку, сушку и протяжку. На рисунке приведена схема управления плотностью бумажной массы. Плотность определяется количеством добавляемой в смеситель воды.

Рисунок 2.1 – Схема управления плотностью бумажной массы

Далее рассмотрим структурную схему данной системы: