Full Text

Пеностекло - это неорганический, легкий, прочный, высокопористый материал, представляющий собой застывшую стекольную пену. Применяется пеностекло в строительстве и промышленности для тепло- и звукоизоляции. Основными являются следующие свойства пеностекла: низкая теплопроводность, высокая плотность, экологическая безопасность и относительная долговечность. Существуют различные виды пеностекла: блочное и гранулированное. В промышленных масштабах пеностекло получают порошковым способом, сущность которого состоит в спекании смеси порошкообразного стекла с газообразователем. Свойства пеностекла, изменяемые в широких пределах, зависят от состава стекла, вида газообразователя и режима тепловой обработки [1-7]. Стекло, применяемое в производстве пеностекла, должно удовлетворять ряду требований, обусловленных технологией производства. Наиболее важными являются следующие: температура размягчения стекла - относительно низкая, снижение вязкости с ростом температуры - медленное, порошкообразное стекло не должно кристаллизоваться до полного завершения процесса вспенивания. Рекомендуемый химический состав стекла представлен в табл. 1. Таблица 1 Рекомендуемый химический состав стекла Содержание окислов, % по массе SiO2 Al2O3 B2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O SO3 72 2 - 0,2 6 4 15,5 - 0,3 Основными требованиями, предъявляемыми к газообразователям, являются следующие: температура выделения газа должна быть на 50-70 ОС выше температуры размягчения стекольного порошка; равномерное выделение газа, в количестве, обеспечивающем нужное давление; недефицитность, нетоксичность и невысокая стоимость. Таким условиям отвечают: углеродистые вещества (антрацит, кокс, графит); карбонаты (известняк, мрамор, мел); карбиды кальция и кремния; пиролюзит; селитра. Выбор вида газообразователя зависит от температуры спекания и интервала вязкости стекла, а также от необходимых характеристик пористости и окраски пеностекла (табл. 2). Таблица 2 Газообразователи, применяемые в производстве пеностекла Наименование газообразователя Химическая формула (основной компонент) Температура спекания, оС Количество газо-образователя, % Строение пор пеностекла Цвет пеностекла Пиролюзит MnO2 680 - 720 3 - 5 Частично замкнутые Фиолетовый Азотнокислый натрий NaNO3 720 3 - 5 Сообщающиеся Белый, серый Известняк, мрамор CaCO3 760 -775 0,5 - 1 Преимущественно сообщающиеся Белый Карбид кальция CaC2 750 - 760 1 - 1,5 Преимущественно замкнутые Белый, светло-серый Антрацит В основном C 770 - 780 2 - 3 Частично сообщающиеся Табачно-желтый, темно-серый Кокс В основном C 790 - 800 2 - 3 Замкнутые Коричневый, черный Графит C 850 и выше 1 - 2 Замкнутые Серый, черный Карбид кремния SiC 850 и выше 1 - 3 Замкнутые Серый Процесс производства пеностекла состоит из нескольких этапов: начальную фазу дробления стеклобой проходит в молотковых дробилках, после чего подается на мельницу, где размалывается. Порошок стекла подается в смеситель, куда добавляется газообразователь, после этого перемешанные компоненты отправляются в мельницу для окончательного помола. Размер частиц в готовой стекломассе (шихте) составляет приблизительно 80 мкм. Полученную смесь с помощью дозаторов загружают в тигли, представляющие собой жаростойкие формы с меловой обмазкой, которые отправляются в туннельную печь, где происходит нагрев до температуры вспенивания. В ходе термообработки происходит окислительно-восстановительная реакция между углеродом и сульфатами (окислителями) и/или оксидами стекла. В результате в расплаве стекла образуются газы, которые придают массе пористую структуру, что приводит к образованию материалов с низкой плотностью и теплопроводностью. После секции вспенивания тигли перемещаются в секцию отжига. В процессе перестановки тиглей в результате термоудара пеностекло охлаждается до температуры твердения, а полученная ячеистая структура застывает. Отжиг необходим для снятия механических напряжений и увеличения прочности пеностекла. После термообработки производится механическая обработка блоков пеностекла. Существуют различные виды туннельных печей. Основное преимущество двухъярусной конструкции перед одноярусной заключается в экономии производственных площадей. Для перемещения тиглей по туннельной печи используется металлическая транспортерная сетка. В рамках данной работы стояла задача разработки системы автоматического перемещения тиглей в двухъярусной туннельной печи, предназначенной для производства пеностекольных блоков. В качестве объекта автоматизации рассматривался модифицированный вариант двухъярусной туннельной печи[1], где с целью энергосбережения и для обеспечения равномерного распределения температуры в секциях печи установлены дополнительные задвижки. Функциональная схема автоматизации туннельной печи, выполненная в соответствии с ГОСТ 21.404-85, приведена на рис. 1. Рис. 1. Функциональная схема автоматизации двухъярусной туннельной печи Данная система работает следующим образом. Предварительно, по имеющимся данным, производится настройка температурно-временного режима работы туннельной печи на параметры стекломассы, поступающей из помольного участка. Каждая секция печи настраивается регулировкой мощности трубчатых электронагревателей (ТЭН). Стекломассу загружают в тигли. Процесс начинается с появления тигля напротив нижнего яруса печи, что приводит к включению датчика положения ( ). Перемещение тигля в зону вспенивания производится с помощью гидротолкателя ( ) с предварительным открытием задвижек ( , ). Дальнейшее перемещение тигля в печи будет происходить аналогичным образом - открытие задвижек, включение гидротолкателя. Закрытие задвижки происходит по таймеру, причём задвижки одного яруса привязаны к одному таймеру. Таким образом, открытие и закрытие происходит одновременно. Нагрев секций печи до необходимой температуры производится с помощью ТЭН на нижнем ярусе ( , , ) и на верхнем ( , , ). Для поддержания температуры на заданном уровне используются двухпозиционные регуляторы [8]. Данные о температуре в секциях печи поступают за счёт датчиков температуры - термопреобразователей сопротивления. Основными достоинствами двухпозиционных регуляторов являются: простота использования и простота настройки регулятора на объекте регулирования; в одном приборе может быть реализовано несколько регуляторов; наличие контроллера позволяет быстро адаптировать регулятор (изменяя его структуру) под конкретный объект управления с помощью несложных операций конфигурирования. Для регулирования теплообмена поточной части секции с внешней средой в теплоизолирующем кожухе каждой секции вмонтирована щелевая задвижка. Тигель находится в каждой зоне заданное время. На выходе из зоны стабилизации тигель попадает на подъёмник ( ). Сигнал с датчика положения ( ) является условием для поднятия тигля на верхний ярус. Достижение тиглем верхнего яруса включит датчик положения ( ), что является условием для перемещения тигля в начальную зону отжига. Автоматическое перемещение тиглей с нижнего яруса на верхний ярус можно осуществить и с помощью манипуляционного робота. Но так как перемещение происходит в двумерном пространстве, а работа манипуляционного робота требует дополнительного программирования, то его использование в данных условиях является капиталоёмким и в целом нецелесообразным. Перемещение тигля по верхнему ярусу происходит так же, как и по нижнему, с помощью гидротолкателя ( ) с предварительным открытием задвижек ( , ). Цикл повторяется по мере поступления тиглей из нижнего яруса. Данное техническое решение позволяет меньше времени тратить на контроль производственного процесса, уменьшать численность работающего персонала, повышать надежность и долговечность оборудования, дает экономию материалов, улучшает условия труда и повышает безопасность производства, а также приводит к уменьшению психофизических нагрузок и вероятности ошибочных действий оперативного персонала. Кроме того, данной конструкцией легко управлять с помощью логических устройств управления, например программируемых логических контроллеров, что позволит осуществить непрерывное конвейерное производство. Сигналы, отмеченные на функциональной схеме автоматизации, можно подать на соответствующие входы и выходы контроллера. Приведенную схему автоматизации можно преобразовать в мнемосхему, тем самым реализовав SCADA-систему, предназначенную для управления и визуализации, диагностики и слежения за процессом на централизованном пункте управления. В качестве инструмента для алгоритмизации процесса управления туннельной печью использовались сети Петри - математический аппарат для моделирования динамических дискретных систем [9]. При составлении графа операций задаются условия срабатывания датчиков (табл. 3). На данном этапе производится конкретизация значений температуры в секциях печи, которые могут варьироваться в зависимости от технологии производства пеностекольных блоков [10, 11]. Таблица 3 Условия срабатывания датчиков Сигнал с датчика Условие срабатывания («1» - логическая единица, «0» - логический ноль) x7 x8 x9 Кроме этого производится определение параметров начального состояния (табл. 4), где - сигнал с органа управления (тумблера), - сигналы с датчиков температуры (термоэлектрических преобразователей), - сигналы с датчиков положения (рефлекторных оптических), - сигналы управления, подаваемые на ТЭН, - сигналы управления, подаваемые на электроприводы шиберных задвижек, - сигналы управления, подаваемые на двигатели гидротолкателей, - сигнал управления, подаваемый на двигатель подъёмника, - сигналы управления включением таймеров, - сигналы с таймеров. Таблица 4 Параметры начального состояния Органы управления α, β, γ Датчики x, τ Исполнительные устройства Таймеры u Органы индикации v, w НЗ (ВО) НО (ВЗ) нет нет Пометки перехода Пометки позиций После этого строится алгоритм работы объекта управления в виде помеченной сети Петри с начальной маркировкой в позиции P0 (рис. 2). Рис. 2. Граф операций производственного процесса На графе операций производственного процесса в целях упрощения не указано регулирование в зоне охлаждения и в зоне стабилизации (нижний ярус), а также в зоне отжига 2 и в зоне отжига 3 (верхний ярус). Данные операции происходят аналогично указанным операциям регулирования в зоне вспенивания и зоне отжига 1. Каждая позиция помеченной сети Петри соответствует определённой операции (табл. 5). Таблица 5 Описание операций помеченной сети Петри Обозначение позиции Содержание операции Нагружаемые переменные P0 Ожидание тигля P1 Перемещение тигля в зону вспенивания P2 Включение нагрева до 810 °C в зоне вспенивания P3 Выключение нагрева в зоне вспенивания P4 Возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне вспенивания P5 Включение нагрева до 510 °C в зоне отжига 1 P6 Выключение нагрева в зоне отжига 1 P7 Перемещение тигля в зону охлаждения Окончание табл. 5 Обозначение позиции Содержание операции Нагружаемые переменные P8 Возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне охлаждения P9 Перемещение тигля в зону стабилизации P10 Возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне стабилизации P11 Перемещение тигля из нижнего яруса на подъёмник P12 Поднятие тигля на верхний ярус P13 Перемещение тигля в зону отжига 1 P14 Возвращение гидротолкателя, подъёмника и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне отжига 1 P15 Перемещение тигля в зону отжига 2 P16 Возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне отжига 2 P17 Перемещение тигля в зону отжига 3 P18 Возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние. Включение таймера в зоне отжига 3 P19 Перемещение тигля из верхнего яруса Описание переходов помеченной сети Петри, а также условия их срабатывания представлены в табл. 6. Для проверки правильности графа операций производилось построение дерева достижимых маркировок производственного процесса и выполнялся анализ его на соблюдение условий безопасности и живости сети. Поскольку символы Pi в вершинах графа не накапливались, то условие безопасности выполнено. Условие живости сети выполняется, так как, во-первых, отсутствуют тупики и, во-вторых, соблюдается живость переходов (любая операция должна быть обязательно когда-нибудь выполнена). Таблица 6 Описание переходов помеченной сети Петри Обозначение перехода Наименование условия Условие срабатывания перехода t1 Появление тигля напротив нижнего яруса t2 Температура в зоне вспенивания больше 810 °C t3 Температура в зоне вспенивания меньше 790 °C t4 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t5 Процесс вспенивания прошёл t6 Температура в зоне отжига 1 больше 510 °C t7 Температура в зоне отжига 1 меньше 490 °C t8 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t9 Процесс охлаждения прошёл t10 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t11 Процесс стабилизации прошёл t12 Тигель находится на подъёмнике на уровне нижнего яруса t13 Тигель находится на подъёмнике на уровне верхнего яруса t14 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t15 Процесс отжига 1 прошёл t16 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t17 Процесс отжига 2 прошёл t18 Условие на возвращение гидротолкателя и задвижек в исходное состояние t19 Процесс отжига 3 прошёл t20 Условие на возвращение всех датчиков и исполнительных устройств в исходное состояние t21 Условие на возвращение всех датчиков и исполнительных устройств в исходное состояние t22 Условие на возвращение всех датчиков и исполнительных устройств в исходное состояние t23 Условие на возвращение всех датчиков и исполнительных устройств в исходное состояние Алгоритм работы системы управления (рис. 3) можно реализовать на различных языках программирования, в частности, на FBD (Function Block Diagram) - графический язык программирования, поддерживаемый стандартом МЭК 61131-3. Рис. 3. Блок-схема алгоритма работы системы управления При программировании на этом языке используются функциональные блоки, имеющие графическое изображение и осуществляющие определённые единичные операции над входными переменными. В данном языке применяется символика булевой алгебры. Основными его достоинствами являются простота, наглядность и лёгкость при использовании программируемых логических контроллеров.

About the authors

V. Z Magergut

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

Email: valerymag@nm.ru

D. V Velichko

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

Email: tk210@mail.ru

A. A Andreev

Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov

Email: dredd92@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 34

PDF (Russian) - 17

Refbacks

• There are currently no refbacks.