Микроконтроллерное устройство контроля и управления толщиной листового материала

Устройство предназначено для регулирования толщины листового материала, получаемого методом вытягивания из расплава, например, в машинах вертикального вытягивания стекла. Устройство содержит микроконтроллер, датчик толщины ленты материала, вторичный преобразователь, нормирующий преобразователь, блок управления, датчик скорости вращения привода машины вытягивания материала, блок регулирования электропривода. Первый вход микроконтроллера подключен к входу нормирующего преобразователя, а первый выход - к входу блока регулирования электропривода. Другая пара вход/выход микроконтроллера соединена с блоком связи с ЭВМ верхнего уровня. Микроконтроллер прогнозирует толщину ленты материала вблизи точки формирования путем экстраполяции по двум значениям толщины материала. Моменты измерения толщины материала задаются пользователем. Снижается погрешность при обработке сигнала о толщине ленты материала. Возможно построение распределенной системы управления несколькими машинами для вытягивания листового материала. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике регулирования толщины листового материала, получаемого из расплава методом вытягивания, и может быть использовано в производстве листового стекла, в частности, на машинах вертикального вытягивания стекла (ВВС).

Известно устройство для регулирования толщины листового материала [1], состоящее из ленты стекла, валков для вытягивания ленты стекла, датчика толщины ленты стекла, комбинированного клапана, блока управления, вторичного преобразователя, нормирующего преобразователя, блока фильтров, измерительного блока, задатчика толщины, регулирующего блока, шагового двигателя, потенциометра, блока регулирования электропривода, двигателя привода машины ВВС, тахогенераторного датчика скорости вращения двигателя привода машины ВВС. Недостатком данного устройства является то, что при регулировании толщины листового материала не удается скомпенсировать вредное влияние транспортного запаздывания в объекте управления.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для регулирования толщины листового материала [2], содержащее ленту стекла, валки для вытягивания ленты стекла, два датчика толщины ленты стекла, два комбинированных клапана, два блока управления, два вторичных преобразователей, два нормирующих преобразователя, блок фильтров, измерительный блок, задатчик толщины, регулирующий блок, шаговый двигатель, потенциометр, блок регулирования электропривода, двигатель привода машины ВВС, тахогенераторный датчик скорости вращения двигателя привода машины ВВС, два преобразователя аналогового сигнала в дискретный, цифровое вычислительное устройство - микроконтроллер, преобразователь цифрового сигнала в аналоговый, все элементы соединены между собой для выполнения регулирования толщины ленты стекла.

Недостаток известного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает решения следующих важных задач управления:

- возможности дистанционного управления процессом вытягивания ленты на машине ВВС и группового управления процессами вытяжки на машинах ВВС;

- возможности алгоритмической синхронизации процесса управления ввиду отсутствия в прототипе микроконтроллера, вследствие чего невозможно обеспечить высокую точность толщины формуемого изделия;

- высокой инструментальной точности из-за наличия двух датчиков, что требует обработки информации с каждого датчика, и с учетом ее запоминания приводит к увеличению результирующей погрешности, что существенно снижает качество управления процессом.

Изобретение направлено на повышение качества управления процессом вытягивания ленты листового материала за счет снижения погрешности при обработке сигнала о толщине ленты материала, включая дистанционное управление, а также расширение функциональных возможностей системы управления за счет использования алгоритмической синхронизации процесса управления и за счет введения элементов, позволяющих применять устройство в различных объектах автоматизации, таких как машины ВВС, машины вытягивания листового железа и т.п., а также на создание на его базе распределенных систем автоматического управления.

Это достигается тем, что в микроконтроллерное устройство контроля и управления толщиной листового материала, содержащее микроконтроллер, ленту материала, валки для вытягивания ленты материала, механически связанные с приводом машины вытягивания материала, датчик толщины ленты материала, контактирующий посредством измерительного элемента с лентой материала, а выходом подключенный к входам вторичного преобразователя и блока управления, выход последнего связан с входом комбинированного клапана, соединенного своим выходом со входом датчика толщины ленты материала, а выход вторичного преобразователя подключен ко входу нормирующего преобразователя, при этом второй вход блока регулирования электропривода соединен с выходом датчика скорости вращения привода машины вытягивания материала механически связанного с приводом машины вытягивания материала, а вход привода машины вытягивания материала подключен к выходу блока регулирования электропривода, согласно предлагаемому техническому решению второй выход микроконтроллера соединен с входом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, связанного своим первым выходом с ЭВМ верхнего уровня, а вторым - со вторым входом микроконтроллера, который первым входом подключен к выходу нормирующего преобразователя, а первым выходом связан с первым входом блока регулирования электропривода.

На чертеже изображено микроконтроллерное устройство контроля и управления толщиной листового материала.

Микроконтроллерное устройство контроля и управления толщиной листового материала содержит ленту материала 1, валки 2 для вытягивания ленты материала. Датчик 3 толщины ленты материала, контактирующий посредством измерительного элемента (на чертеже не показан) непосредственно с лентой материала 1 и соединенный своим выходом со входами блока управления 5 и вторичного преобразователя 6, причем выход блока управления 5 также связан со входом комбинированного клапана 4, который соединен с датчиком 3 толщины ленты материала. Выход вторичного преобразователя 6 подключен ко входу нормирующего преобразователя 7, причем его выход подключен к первому входу микроконтроллера 8, связанному своим первым выходом с первым входом блока регулирования электропривода 9, который соединен своим выходом с приводом 10 машины вытягивания материала, а своим вторым входом - с выходом датчика 11 скорости вращения привода машины вытягивания материала, который механически связан с приводом 10 машины вытягивания материала. Привод 10 машины вытягивания материала также механически соединен с валками 2 для вытягивания ленты материала. Микроконтроллер 8 соединен также вторым выходом со входом блока связи с ЭВМ верхнего уровня 12, который связан первым выходом с ЭВМ верхнего уровня (на чертеже не показана), а вторым выходом со вторым входом микроконтроллера 8.

Блок управления 5 предназначен для анализа сигнала датчика 3 толщины ленты материала и выработки на основании его анализа управляющего сигнала, подающегося на комбинированный клапан 4, который предназначен для разведения измерительных роликов датчика 3 толщины ленты материала в случае ломки ленты стекла 1.

Блок регулирования электропривода 9 осуществляет регулирование скорости вращения привода 10 машины вытягивания материала.

Блок связи с ЭВМ верхнего уровня 12 предназначен для получения и передачи информации от микроконтроллера 8 на ЭВМ верхнего уровня.

Устройство работает следующим образом. Вытягивающие ленту материала 1 валки 2 приводятся во вращение приводом 10 машины вытягивания материала. Измерение толщины вытягиваемой ленты 1 производится датчиком 3 толщины ленты материала, например посредством контакта его измерительных роликов с лентой материала 1. Одновременно с этим сигнал с датчика 3 толщины ленты материала поступает на вход вторичного преобразователя 6, предназначенного для преобразования информации о толщине материала в сигнал, пригодный для дальнейшего использования. Выходной сигнал вторичного преобразователя 6 поступает на вход нормирующего преобразователя 7, с выхода которого нормированный сигнал поступает на первый вход микроконтроллера 8, который является входом его внутреннего аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Располагая оценками толщины ленты материала 1, полученными в предыдущие моменты времени в результате преобразования сигнала датчика толщины ленты материала 3, и зная заданную скорость вращения привода 10 машины вытягивания материала, которая хранится в памяти микроконтроллера 8, последний производит линейную экстраполяцию функции, характеризующей зависимость толщины ленты материала 1 от расстояния до точки формования [3], что дает возможность спрогнозировать толщину ленты материала 1 в тех точках, где невозможно ее непосредственное измерение (нельзя установить датчик толщины из-за высокой температуры среды и высокой пластичности материала). Микроконтроллер 8 прогнозирует толщину ленты материала 1 вблизи точки формования по алгоритму линейной экстраполяции по двум значениям толщины ленты материала, в момент измерения и в некоторый фиксируемый предыдущий момент времени (задается пользователем). Интервал между указанными моментами времени выбирается в зависимости от скорости вытягивания таким, чтобы за время этого интервала расстояние между точками измерения равнялось, например, 15-20 см, что определяется пользователем. Использование одного датчика толщины ленты материала, а не двух, как в прототипе, позволяет снизить результирующую погрешность при обработке сигнала о толщине ленты материала.

Прогнозируемое значение толщины материала в точке формования, например в подмашинной камере машины ВВС, вычисленное микроконтроллером 8 через его первый выход, являющийся выходом его внутреннего цифроаналогового преобразователя (ЦАП), подается в аналоговой форме на первый вход блока регулирования электропривода 9. На основании результатов прогноза блок регулирования электропривода 9 формирует сигнал задания скорости вращения привода 10 машины вытягивания материала. Скорость вращения вала привода 10 измеряется датчиком 11 скорости вращения привода машины вытягивания материала, сигнал с которого поступает на второй вход блока регулирования электропривода 9, где производится его сравнение с заданной скоростью вращения привода 10 машины вытягивания материала. В случае несоответствия скорости вращения 10 привода машины вытягивания материала заданный блок регулирования электропривода 9 изменяет значение управляющего сигнала на привод 10 машины вытягивания материала в сторону уменьшения рассогласования между заданной и фактической скоростью вращения привода 10 машины вытягивания материала. Частота циклов регулирования задается пользователем при программировании микроконтроллера 8 или с ЭВМ верхнего уровня. Если управляющее воздействие за один цикл не возвратит управляемый параметр - толщину ленты материала 1 - к заданному значению, то цикл повторяется через промежуток времени, соизмеримый со временем транспортного запаздывания и задаваемый микроконтроллером 8. После преобразования сигнала с датчика толщины ленты материала 3, экстраполяции полученного сигнала и получения заданной скорости вращения привода 10 машины вытягивания материала микроконтроллер 8 передает информацию о текущей толщине ленты материала 1 в точке установки датчика 3 толщины ленты материала, прогнозируемой толщине ленты материала вблизи точки формования и задаваемой скорости вращения привода 10 машины вытягивания материала на ЭВМ верхнего уровня через блок связи с ЭВМ верхнего уровня 12.

Таким образом, поступающий с первого выхода микроконтроллера 8 на первый вход блока регулирования электропривода 9 сигнал пропорционален толщине ленты материала вблизи точки формования, а не толщине ленты материала в месте установки датчика 3, что частично компенсирует вредное влияние на показатели качества системы (время регулирования, величина перерегулирования) транспортного запаздывания в объекте управления, обусловленного невозможностью установки датчика толщины ленты материала 1 вблизи точки формования. Это, в свою очередь, приводит к повышению качества продукции в производствах листовых материалов методом вытягивания из расплавов.

При возникновении боя ленты материала 1 сигнал, соответствующий сигналу аварии, поступает с датчика 3 толщины ленты материала на блок управления 5, который на основе анализа поступившего сигнала формирует сигнал управления на комбинированный клапан 4, который, в свою очередь, разводит измерительные ролики датчика 3 толщины материла. Одновременно с этим сигнал с датчика 3 толщины ленты материала поступает через вторичный преобразователь 6 и нормирующий преобразователь 7 на первый вход микроконтроллера 8. Микроконтроллер 8 распознает полученный сигнал как аварийный и выдает сигнал об аварии на ЭВМ верхнего уровня, через блок связи с ЭВМ верхнего уровня.

Связь с ЭВМ верхнего уровня осуществляется микроконтроллером 8 через последовательный интерфейс по двухпроводной витой паре путем усиления и согласования сигналов по мощности в блоке связи с ЭВМ верхнего уровня 12. С ЭВМ верхнего уровня, при желании пользователя, можно изменять задание толщины ленты материала 1 и частоту циклов регулирования, кроме того, на ней, при желании пользователя, могут создаваться файлы отчета о толщине ленты материала 1 в месте установки датчика 3 толщины ленты материала, прогнозируемой толщине ленты материала 1 вблизи точки формования и скорости вращения привода 10 машины вытягивания материала в процессе работы устройства. Это позволяет алгоритмически синхронизировать процесс управления.

С помощью нескольких устройств, аналогичных заявляемому, возможно создание распределенной системы управления несколькими машинами для вытягивания листового материала путем подключения их блоков связи с ЭВМ верхнего уровня к ЭВМ верхнего уровня (на показана).

Использование предлагаемого микроконтроллерного устройства контроля и управления толщиной листового материала позволяет по сравнению с прототипом повысить качество управления процессом вытягивания ленты листового материала за счет снижения погрешности при обработке сигнала о толщине ленты материала, включая дистанционное управление, а также расширить функциональные возможности системы управления за счет введения элементов для применения устройства в различных объектах автоматизации, таких как машины ВВС, машины вытягивания листового железа и т.п., а также создания на его базе распределенных систем автоматического управления с возможностью экстраполяции сигналов от одного датчика толщины ленты материала для определения толщины ленты материала в точке формования.

Источники информации

1. Автоматизация производственных процессов в промышленности строительных материалов / Под ред. B.C.Кочетова. Л.: Стройиздат, 1986, 392 с., с.298-305.

2. Патент РФ № 2141684, кл. G 05 D 5/02, 1999 (прототип).

3. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Бронштейн И.Н, Семендяев К.А. М.: Наука, 1981, 720 с.

Микроконтроллерное устройство контроля и управления толщиной листового материала, содержащее микроконтроллер, ленту материала, валки для вытягивания ленты материала, механически связанные с приводом машины вытягивания материала, датчик толщины ленты материала, контактирующий посредством измерительного элемента с лентой материала, а выходом подключенный к входам вторичного преобразователя и блока управления, выход последнего связан с входом комбинированного клапана, соединенного своим выходом со входом датчика толщины ленты материала, а выход вторичного преобразователя подключен ко входу нормирующего преобразователя, при этом второй вход блока регулирования электропривода соединен с выходом датчика скорости вращения привода машины вытягивания материала, механически связанного с приводом машины вытягивания материала, а вход привода машины вытягивания материала подключен к выходу блока регулирования электропривода, отличающееся тем, что второй выход микроконтроллера соединен с входом блока связи с ЭВМ верхнего уровня, связанного своим первым выходом с ЭВМ верхнего уровня, а вторым - со вторым входом микроконтроллера, который первым входом подключен к выходу нормирующего преобразователя, а первым выходом связан с первым входом блока регулирования электропривода.