Разработка макета для исследования металлических проводниковых материалов

Многослойные печатные платы, позволяя реализовать сложные схемы, обладают, по сравнению с двухсторонней  платой, рядом недостатков к которым относятся;

а) меньшая надежность;

б) трудности при применении различных «неоднородных» электрорадиоэлементов (ЭРЭ);

  в) трудности в получении  необходимых волновых сопротивлений  проводников при работе на сверхвысоких тактовых частотах

 

 

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО  ЗАДАНИЯ

 

2.1 Структура и функции АСУ ТП современного прокатного стана

 

Для обеспечения высокого качества проката системы автоматизированного  управления процессами прокатки должны отвечать весьма жестким требованиям, которые, в свою очередь, обусловливают  определенные требования к технологическому процессу прокатки и технологическому оборудованию. Требования к технологическому процессу включают, прежде всего, допустимые пределы изменения показателей качества исходной заготовки, а также энергоносителей и других материалов, используемых в процессе прокатки. Общими требованиями к технологическому оборудованию являются достаточная мощность, быстродействие и надежность, а также возможность установки, эксплуатации и обслуживания технических средств автоматизации. Автоматизация управления процессом прокатки обеспечивает увеличение доли проката высших категорий качества по геометрии и механическим свойствам. Достигаемое при автоматизированном управлении повышение скорости и темпа прокатки, сокращение времени настройки и перенастройки стана, а также сокращение времени простоев, вызванных нарушениями технологического процесса, повышает производительность прокатных станов.

Автоматизированное управление процессом  прокатки существенно облегчает  условия труда оперативного персонала  прокатных станов и повышает его производительность, обеспечивает существенное сокращение расхода электроэнергии и топлива.

Структуру и принципы работы системы  автоматизированного управления технологическим  процессом прокатки рассмотрим на примере  информационно-управляющей системы  непрерывного широкополосного стана (НШС) горячей прокатки.

Цель автоматизации сложного металлургического агрегата, каким является непрерывный широкополосный стан - обеспечение независимости качества проката и производительности стана от обслуживающего персонала. При этом должны предотвращаться перегрузки оборудования, а затраты на обслуживание при полном использовании оборудования должны поддерживаться на минимальном уровне. Необходимо предусмотреть возможность использования более низких уровней автоматизации, т.е. должна обеспечиваться возможность частичного или полного ручного управления станом.

В соответствии с ГОСТ 24.103-84 АСУ  ТП прокатного стана должна функционировать  в следующих режимах:

• в информационно-советующем режиме, при котором средства вычислительной техники вырабатывают и выдают оперативному персоналу рекомендации по рациональному управлению процессом
• в комбинированном режиме, при котором средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и параметры настройки локальных систем регулирования;
• в режиме прямого управления, при котором средства вычислительной техники обеспечивают непосредственное управление исполнительными устройствами.

АСУ ТП современного широкополосного  стана горячей прокатки осуществляет автоматизированное управление технологическим  процессом, начиная от взвешивания  слябов перед нагревательными печами и заканчивая маркированием рулонов  на конвейерах моталок. На рис. 2.1 приведена функциональная блок-схема такой системы для стана, выдающего продукцию в виде рулонов. 

Рисунок 2.1 Информационно-управляющая система непрерывного широкополосного стана горячей прокатки

 

Входной узел системы решает задачу выбора очередности прокатки партий слябов, предусмотренных плановым заданием. Выбранная очередность должна обеспечивать минимально возможное число перевалок рабочих валков при прокатке всех партий данного планового задания и в то же время минимум простоев стана из-за недостаточного прогрева слябов в печах. Оценка выбираемой очередности прокатки партий осуществляется по величине суммарных простоев, вызванных как перевалками, так и неготовностью слябов в печах.

Определение оптимальной последовательности прокатки партий слябов, предусмотренных  плановым заданием (например, суточным) представляет собой задачу математического программирования, решаемую на математической модели стана и печей. Такая модель устанавливает зависимость искажения профиля полосы и износа валков от количества и характеристик прокатанных слябов; ограничения на искажение профиля в зависимости от толщины и ширины полосы; длительность машинного времени как функции типоразмера сляба и полосы; длительность нахождения слябов в печи в зависимости от их типоразмеров и очередности загрузки.

Найденный оптимальный план-график прокатки партий слябов является одновременно планом-графиком подачи слябов со склада для посадки их в нагревательные печи. Этот график передается на склад  слябов и в соответствии с ним  на загрузочный рольганг стана подаются партии слябов. Одновременно с подачей  слябов в систему передается необходимая  информация, позволяющая организовать процесс их нагрева и прокатки. На основании этой информации решается задача выбора распределения слябов по печам и осуществляется управление их посадкой в печи. Операция посадки слябов в печи обычно сочетается с операциями выдачи нагретых слябов, которые регламентируются темпом прокатки, определяемым либо по длительности машинных времен прокатки полос, либо из условий нагрева слябов, если узким местом становятся нагревательные печи.

За продвигаемыми через печи слябами осуществляется непрерывное  слежение, позволяющее определять положение  отдельных слябов в печи относительно зон и получать о них всю  необходимую информацию. Такое информационное сопровождение слябов в печах обеспечивает одновременно с выдачей из печи очередного сляба выдачу всей информации об этом слябе, поступающей в систему информационного сопровождения металла на линии стана. Кроме того, информация о положении слябов разных партий в печи относительно зон используется для решения задачи оптимизации теплового режима печей. Это позволяет в условиях переменной скорости продвижения слябов с различными характеристиками через зоны печи устанавливать в этих зонах такие тепловые режимы, при которых достигаются минимальные колебания теплосодержания выдаваемых из печей слябов.

Система информационного сопровождения металла на линии стана получает сигналы от фотореле, установленных на секциях рольганга, у клетей и от нагрузочных реле этих клетей, чем осуществляется слежение за движением каждого сляба по линии стана вплоть до передачи раскатанной и свернутой в рулон полосы на охлаждающий конвейер.

Особо осуществляется слежение за прохождением через линию стана последнего сляба данной партии, что позволяет  давать автоматически разрешение на перестройку клетей и механизмов стана, после того как последний  сляб партии пройдет через них. Перестройка стана осуществляется в соответствии с заранее разработанными программами, хранящимися в устройствах памяти (например, записанными на магнитных дисках). Каждая такая программа соответствует определенным размерам сляба, марке стали и конечным размерам полосы, которые являются кодом распознавания программы. Так как марка стали, размеры сляба и полосы являются составными частями информации, поступающей в систему информационного сопровождения слябов на линии стана, то при выдаче очередного сляба из печи одновременно осуществляется поиск в устройстве хранения программы настройки стана, соответствующей данной информации о выданном слябе.

Программа настройки представляет собой набор команд-заданий исполнительным устройствам, осуществляющим перестройку  стана на новый типоразмер полосы. Такими устройствами являются позиционирующие  устройства нажимных винтов клетей и  направляющих линеек и задающие устройства регуляторов скорости клетей, а также регуляторов толщины, температуры и натяжения полосы.

Программа настройки стана рассчитывается на номинальные для данного типоразмера  слябов пластические свойства, которые  в реальных условиях имеют значительные разбросы как вследствие колебаний теплосодержания сляба, так и вследствие вариаций химического состава стали. Поэтому величины давлений металла на валки оказываются отличными от расчетных, что приводит к отклонениям толщин металла по клетям и искажению профиля полосы на выходе из стана. Чтобы эти искажения были минимальными, предусматривается самонастройка клетей. Для черновой группы эта самонастройка осуществляется на основании расчета фактических пластических свойств данного сляба по величинам приращений давления металла на валки клетей.

Ухудшение пластических свойств прокатываемого металла означает увеличение давления металла на валки, и как следствие, увеличение толщин металла на выходе из клетей. Это увеличение в относительных единицах будет наиболее значительным в последних клетях стана, поскольку повышение в них давлений будет обусловливаться как ухудшением пластических свойств металла, так и увеличением его входных толщин вследствие повышенных давлений в предыдущих клетях. Таким образом, уточнение обжатий означает перераспределение обжатий по клетям, обеспечивающее за счет некоторого увеличения величин обжатий в первых клетях возможно меньшие изменения давления в последних клетях.

Клети чистовой группы оборудуются регуляторами толщины полосы, в которых по положению нажимного устройства и величине давления металла на валки, измеряемой с помощью месдоз, рассчитывается зазор между валками, т.е. толщина металла на выходе из валков. При отклонении рассчитанной величины зазора от заданного значения регулятор толщины, воздействуя на привод нажимного устройства, устраняет это отклонение.

Так как толщина металла  в клетях рассчитывается по показаниям датчика положения нажимного  устройства и величине давления металла  на валки, то при износе валков и  их тепловой деформации возникает ошибка. В результате этой ошибки толщина  полосы, выходящей из стана, может  иметь отклонение от требуемого значения. Для подстройки задания регуляторам  толщины за последней клетью чистовой группы устанавливают рентгеновский  или радиоактивный измеритель толщины ИТ, с показанием которого сопоставляется расчетная толщина полосы в последней клети стана.

Помимо величин обжатий  по клетям, программа настройки стана  выдает также уставки регуляторов скоростей клетей, уточняемые по изменению положений роликов петледержателей. Если скорость валков последующей клети неточно соответствует скорости предыдущей, то петля между этими клетями, образуемая петледержателем, будет либо увеличиваться, либо уменьшаться. Выявленное при этом изменение петли по изменению положения ролика петледержателя вызывает соответствующее изменение уставки регулятора скорости клети, приводящее к восстановлению петли.

Как уже указывалось выше, управление температурой конца прокатки осуществляется изменением скоростного режима клетей чистовой группы. При достаточно быстром повышении скорости прокатки увеличение теплосодержания металла полосы компенсирует потерю тепла вследствие охлаждения из-за лучеиспускания в окружающую среду и соприкосновения металла с валками клетей, в результате чего температура полосы на выходе из стана может не только сохраняться неизменной, но даже повышаться к концу полосы. Для достижения заданного перепада температур полосы по ее длине, на выходе из чистовых клетей для каждого типоразмера полосы может быть найден требуемый закон изменения скорости прокатки в чистовой группе. В простейшем случае этот закон определяется величиной ускорения приводов клетей, задаваемой программой настройки стана при переходе с одного типоразмера полосы на другой. Для контроля скорости полосы на выходе из чистовой группы установлен измеритель скорости ИС. Фотопирометр ФП, установленный за последней клетью стана, выявляя отклонение фактической температуры полосы от допустимых пределов, осуществляет корректировку величины ускорения, задаваемого программой настройки.

Регулирование температуры смотки полосы осуществляется изменением расхода охлаждающей воды по длине участка охлаждения. Температура, до которой охлаждается полоса, и скорость снижения температуры определяют механические свойства полосы и зависят как от марки стали (содержание углерода в стали), так и от геометрических размеров (толщины полосы). Для каждого типоразмера полосы заранее находится оптимальный закон снижения температуры, задающий расходы воды, подаваемой по секциям участка охлаждения. Корректировка этого распределения охлаждающей воды осуществляется с помощью пирометра, контролирующего фактическую температуру полосы перед моталками.

Контроль геометрических размеров прокатанной полосы осуществляется с помощью рентгеновского или радиоактивного измерителя толщины ИТ и фотоэлектрического измерителя ширины ИШ, установленных за последней клетью стана. Показания измерителя толщины, как это было показано выше, используется для сравнения с расчетной величиной зазора в последней клети и подстройки установок регулятора толщины. Измеритель ширины является только указателем отклонения ширины от номинальной и наравне с измерителем толщины используется для оценки качества полосы, поступающей на смотку. Для оценки качественных показателей всей полосы измеряются не только отклонения толщины, ширины и температуры полосы от их номинального значения, но и длины участков полос, где эти отклонения имеются. Результаты этой оценки протоколируются системой и вносятся в сертификат качества данной полосы и партии полос.

 

2.2 Обзор аналогичных устройств

 

Аналогичным устройством  рассмотрим автоматическую систему управления токарным станком на базе микроконтроллера 16Б25ПСп (PIC16F876).

 

Рисунок 2.1 Устройство управления токарным станком

 

Так как разрабатываемая система управления будет реализована на микроконтроллере  PIC16F887 и основные функции прокатного стана схожи с функциями токарного станка. Основные функции приведены в таблице 2.1

 

Прокатный стан	Токарный станок
обеспечение заданной скорости протяжки ленты	обеспечение заданной скорости шпинделя
обеспечение заданной длины  получаемых заготовок	передвижение суппорта
защита приводов валиков  рабочей клети от перегрузки	защита коробки передач от перегрузки
обеспечение безопасной эксплуатации