В современной текстильной промышленности крутильные машины играют ключевую роль, обеспечивая производство высокопрочных крученых нитей, корда и шпагата. Эффективность и качество конечного продукта напрямую зависят от точности и стабильности работы основного технологического узла — веретена. В связи с этим возникает актуальная инженерная проблема: необходимость проектирования современного, энергоэффективного и точно управляемого привода электроверетена. Электроверетено, по своей сути являющееся индивидуальным приводом для шпинделя, требует комплексного подхода к разработке, сочетающего точные механические расчеты с современной силовой электроникой и системами автоматизации.
Целью данной курсовой работы является разработка и расчет системы электропривода для электроверетена крутильной машины, отвечающей заданным технологическим требованиям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие ключевые задачи:
- Проанализировать техническое задание и устройство объекта автоматизации.
- Выполнить кинематический и силовой расчеты механической части привода для определения требуемых параметров на валу двигателя.
- На основе полученных расчетных данных произвести обоснованный выбор асинхронного электродвигателя.
- Разработать функциональную схему системы автоматического управления электроприводом на базе современного программируемого логического контроллера (ПЛК) и преобразователя частоты.
- Провести сравнительный анализ разработанного решения с существующими аналогами.
В работе последовательно изложены все этапы проектирования, что позволяет проследить логику принятия инженерных решений — от анализа исходных данных до получения готовой, работоспособной структуры системы управления.
Раздел 1. Как устроен объект автоматизации и каким требованиям должен отвечать его привод
Крутильная машина — это сложный электромеханический комплекс, предназначенный для скручивания нескольких нитей в одну с целью повышения ее прочности и придания ей необходимых текстурных свойств. Понимание принципа ее работы является фундаментом для корректного проектирования привода. Основные узлы крутильной машины включают в себя отдающее устройство (паковки с исходной нитью), тяговое устройство (задающее линейную скорость нити), непосредственно крутильный узел с веретеном и приемное устройство (наматывающее готовую продукцию).
Современные машины строятся по модульному принципу и оснащаются сложными системами контроля. Часто в них интегрированы системы контроля обрыва проволоки, которые мгновенно останавливают процесс при возникновении дефекта, выводя сообщение об ошибке на панель оператора. Управление всем комплексом, как правило, централизовано и реализуется на базе промышленных программируемых логических контроллеров (ПЛК), например, Siemens S7-300, которые координируют работу всех узлов.
Анализ технологического процесса скручивания нити позволяет сформулировать четкие технические требования к проектируемому приводу электроверетена:
- Диапазон регулирования скорости: Привод должен обеспечивать плавное и точное изменение частоты вращения веретена в широком диапазоне для адаптации под разные типы нитей и технологические режимы.
- Точность поддержания скорости: Стабильность скорости вращения напрямую влияет на равномерность крутки и, как следствие, на качество конечного продукта. Отклонение от заданной скорости не должно превышать установленных допусков.
- Динамические характеристики: Система должна обеспечивать заданное время разгона до рабочей скорости и время торможения, что критически важно для минимизации брака при пусках и остановах машины.
- Надежность и защита: Привод должен быть оснащен всеми необходимыми видами защит (от перегрузки по току, перегрева, короткого замыкания) для обеспечения долговечной и безаварийной работы в условиях промышленного производства.
Таким образом, проектируемый электропривод должен представлять собой не просто двигатель, а полноценную систему управления, способную интегрироваться в общую логику работы крутильной машины и точно выполнять технологические команды.
Раздел 2. Выполнение кинематического и силового расчета механической части привода
Определение требуемых параметров электродвигателя начинается с детального математического анализа механической части привода. Этот этап является основой для всех последующих инженерных решений. Процесс расчета включает в себя несколько последовательных шагов, позволяющих перейти от технологических параметров рабочего органа (веретена) к требуемым характеристикам на валу двигателя.
В первую очередь строится кинематическая схема привода. Она наглядно отображает все механические звенья, передающие движение от электродвигателя к веретену, включая ременные передачи, редукторы и валы. На основе этой схемы производится расчет передаточных отношений для каждой ступени механической передачи.
Далее, зная требуемую скорость вращения веретена, последовательно определяются угловые скорости, мощности и крутящие моменты на каждом из валов, двигаясь от рабочего органа обратно к двигателю. Для этого используются стандартные формулы механики, связывающие мощность, крутящий момент и частоту вращения.
Ключевым этапом является построение тахограммы (графика нагрузки) привода, которая отражает изменение момента сопротивления на валу двигателя в течение одного рабочего цикла (пуск, установившийся режим, торможение, пауза). На основе этой тахограммы вычисляются итоговые расчетные величины:
- Статический момент сопротивления (Мс): Момент, который двигатель должен преодолевать в установившемся режиме работы.
- Динамический момент (Мд): Момент, необходимый для разгона и торможения инерционных масс системы.
- Приведенный момент инерции (Jпр): Суммарная инерция всех вращающихся частей системы, «приведенная» к валу двигателя.
В результате этих расчетов мы получаем два критически важных параметра, которые являются отправной точкой для выбора двигателя: требуемая мощность (Pтр) и требуемая номинальная скорость вращения (nтр). Именно эти цифры гарантируют, что будущий двигатель сможет не только вращать веретено с нужной скоростью, но и преодолевать все нагрузки в динамических режимах.
Раздел 3. Обоснование выбора электродвигателя и его проверка
Имея на руках точные значения требуемой мощности и скорости, можно приступать к выбору конкретной модели электродвигателя. В качестве основного типа двигателя для современного регулируемого привода целесообразно выбрать трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В отличие от двигателей постоянного тока, которые также применяются в промышленных приводах, асинхронные двигатели более надежны, дешевле, не имеют щеточно-коллекторного узла и требуют минимального обслуживания, что является весомым преимуществом в условиях непрерывного производства.
Процесс выбора выглядит следующим образом:
- Предварительный выбор по каталогу: На основе расчетных Pтр и nтр по каталогу производителя (например, Siemens, ABB) выбираются 1-2 модели двигателя, чьи номинальные паспортные данные наиболее близки к требуемым (Pном ≥ Pтр, nном ≈ nтр).
- Проверка по перегрузочной способности: Для выбранного двигателя выполняется проверка его способности выдерживать пиковые нагрузки. Максимальный момент, возникающий в приводе (обычно в момент пуска), сравнивается с максимальным (критическим) моментом двигателя, указанным в паспорте (Мmax_привода ≤ λ * Мном_дв, где λ — перегрузочная способность). Это гарантирует, что двигатель не остановится при разгоне.
- Проверка по нагреву: Это важнейший проверочный расчет, который подтверждает, что двигатель не будет перегреваться при работе в заданном цикле нагрузки (согласно построенной тахограмме). Расчет ведется методом эквивалентных величин (эквивалентного тока или момента), по результатам которого делается вывод о том, что среднеквадратичный момент за цикл не превышает номинальный момент двигателя.
Только после успешного прохождения всех проверочных расчетов можно сделать окончательный вывод о пригодности выбранной модели двигателя для эксплуатации в приводе электроверетена. Этот строгий, основанный на расчетах подход позволяет избежать ошибок проектирования, связанных с выбором либо недостаточно мощного, либо избыточного и неэкономичного двигателя.
Раздел 4. Разработка функциональной схемы системы управления приводом
Выбранный асинхронный двигатель является «сердцем» системы, но чтобы заставить его работать с необходимой точностью и динамикой, нужна «нервная система» — современная система автоматического управления. Для задач, требующих высокой точности поддержания скорости и быстрого отклика на изменение нагрузки, оптимальным решением является векторный способ управления. Он позволяет управлять магнитным потоком и моментом асинхронного двигателя так же эффективно, как в двигателях постоянного тока.
Реализуется такой способ управления с помощью преобразователя частоты (ПЧ), или инвертора. Этот силовой электронный блок, относящийся к классу тиристорных или транзисторных преобразователей, управляет напряжением и частотой, подаваемыми на обмотки двигателя, тем самым регулируя его скорость и момент. Выбор конкретной модели ПЧ производится на основе мощности и номинального тока выбранного двигателя. Например, для двигателей Siemens логично использовать инверторы из линейки Siemens SINAMICS.
Общую же логику работы всей машины, включая последовательность операций, контроль датчиков и взаимодействие с оператором, реализует программируемый логический контроллер (ПЛК). Как уже упоминалось, в современных машинах часто используются контроллеры уровня Siemens S7-300. ПЛК является управляющим ядром системы.
Функциональная схема системы управления будет выглядеть следующим образом:
- ПЛК (Siemens S7-300): Получает команды от панели оператора (HMI), обрабатывает сигналы от датчиков (например, датчика обрыва нити) и формирует задание на скорость для преобразователя частоты.
- Преобразователь частоты (инвертор): Получает аналоговое или цифровое задание от ПЛК и реализует алгоритм векторного управления, формируя необходимое напряжение для питания электродвигателя.
- Асинхронный электродвигатель: Вращает веретено с заданной скоростью.
- Датчик обратной связи (энкодер): Устанавливается на вал двигателя, передает в ПЧ точную информацию о текущей скорости вращения, замыкая контур регулирования и обеспечивая высокую точность.
Такая архитектура обеспечивает гибкость, точность и высокую степень автоматизации, полностью отвечая современным требованиям к промышленному электроприводу.
Раздел 5. Сравнительный анализ разработанного решения с современными аналогами
Для оценки конкурентоспособности и адекватности спроектированного решения необходимо сравнить его с существующими на рынке аналогами приводов для крутильных машин. Анализ показывает, что большинство современных производителей движутся в схожем направлении, используя похожие компонентные базы, но с некоторыми отличиями в реализации.
Ниже представлена сравнительная таблица разработанной системы и двух типовых решений от ведущих производителей оборудования.
| Параметр | Разработанное решение | Аналог 1 (Европейский производитель) | Аналог 2 (Азиатский производитель) |
|---|---|---|---|
| Тип двигателя | Асинхронный с энкодером | Синхронный серводвигатель | Асинхронный с энкодером |
| Система управления | Векторное управление с обратной связью | Сервоуправление | Векторное управление с обратной связью |
| Компоненты (ПЛК / ПЧ) | Siemens S7-300 / Siemens SINAMICS | Контроллер и сервопривод Beckhoff | Контроллер Delta / ПЧ Delta |
| Ключевые преимущества | Высокая надежность, доступность компонентов, ремонтопригодность | Максимальная точность и динамика, компактность | Более низкая стоимость |
Из анализа следует, что разработанное решение на базе асинхронного двигателя и компонентов Siemens является «золотой серединой». Оно уступает сервоприводам (Аналог 1) в предельной динамике, однако эта динамика для крутильных машин часто является избыточной. При этом оно обеспечивает значительно более высокую надежность и простоту в обслуживании. В сравнении с более бюджетными азиатскими аналогами (Аналог 2), решение на базе Siemens предлагает лучшую интеграцию, программную поддержку и общепризнанный стандарт качества в промышленной автоматизации. Таким образом, спроектированный привод является полностью конкурентоспособным и адекватным поставленной задаче.
Заключение
В ходе выполнения данной курсовой работы была решена комплексная задача по проектированию и расчету системы электропривода для электроверетена крутильной машины. Все цели, поставленные во введении, были достигнуты.
Были выполнены следующие ключевые этапы:
- Проведен анализ устройства и принципа работы крутильной машины, на основе которого сформулированы технические требования к приводу.
- Выполнен полный кинематический и силовой расчет, позволивший определить итоговые расчетные параметры: требуемую мощность и скорость вращения двигателя.
- На основе расчетов была выбрана конкретная модель асинхронного электродвигателя и выполнена его проверка по перегрузочной способности и нагреву.
- Разработана функциональная схема современной системы управления на базе ПЛК Siemens S7-300 и преобразователя частоты Siemens SINAMICS, реализующая векторный способ управления.
Главный вывод заключается в том, что разработанная система электропривода полностью соответствует требованиям технического задания. Выбранная компонентная база и архитектура управления обеспечивают необходимую точность, надежность и динамику для выполнения технологического процесса кручения нити на современном промышленном уровне.
Список использованной литературы
- Буринский, С. В.Оборудование для получения и переработки полимерных материалов. Ч. 1: учеб. пособие / С. В. Буринский, М. П. Васильев. – СПб.:ФГБОУВО «СПбГУПТД», 2016. – 77 с.
- Быстров А. М., Глазунов В. Ф.Многодвигательные автоматизированные электроприводы поточных линий текстильной промышленности. М., «Легкая индустрия», 1977. –200 с.
- Ланген А. М.,Красник В. В.Электрооборудование предприятийтекстильнойпромышленности: Учеб. для вузов. Л.: Легпромбытиздат, 1991.— 320 с.: ил.— ISBN 5-7088-0341-Х.
- Сункуев Б.С.Расчет и конструирование машин и аппаратов. Раздел «Расчет электропривода машин легкой и текстильной промышленности» : методические указания к изучению курса для студентов специальности 1-36 08 01 «Машины и аппараты легкой, текстильной промышленности и бытового обслуживания» /Витебск : Министерство образования Республики Беларусь, УО «ВГТУ». – 2012. –40c.