РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ДИСКОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ КРАФТ

АННОТАЦИЯ

Важнейшим этапом изготовления бумажной массы считается процесс размола, при котором волокнистые материалы подвергаются механической обработке дисковыми или конусными мельницами в водной среде. Волокна в бумажной массе должны быть очень короткими и рассеченными на фибры. Основная функция процесса измельчения заключается в измельчении макромолекул целлюлозы на фрагменты длиной 1-2 мм и формировании их в виде очень мелких фибрилл. В этой научной работе было предложено реализовать систему автоматизации дисковой мельницы SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) для дробления волокнистой массы.

ABSTRACT

The most important stage in the manufacture of paper pulp is the grinding process, in which fibrous materials are mechanically processed by disk or cone mills in an aqueous environment. The fibers in the paper pulp should be very short and cut into fibres. The main function of the grinding process is to grind cellulose macromolecules into fragments of 1-2 mm in length and form them into very small fibrils. In this scientific work, it was proposed to implement a SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) disk mill automation system for crushing fiber pulp.

Ключевые слова: бумажная масса, впитываемость бумаги, пористость бумаги, процесс размола, дисковая мельница.

Key words: paper pulp, paper absorbency, paper porosity, grinding process, disc mill.

Введение. Бумага-волокнистый материал (целлюлоза), состоящая из наполнителя, связующего, отбеливателя, красителя и других компонентов. Процесс производства бумаги-сложный процесс, который включает в себя сырье, такое как древесина, древесная масса, альтернативные, вторично переработанные или другие растительные волокна. За счет замены целлюлозного волокна первичным и частично альтернативным вторичным волокном получается бумага, химические и физико-механические свойства которой принципиально отличаются друг от друга. В целлюлозно-бумажной промышленности постоянно внедряются новые инновационные технологии получения качественной бумаги на устройствах с высокой производительностью труда [1].

Экспериментальная часть. Перед началом процесса производства бумаги крафт волокна, входящие в состав бумажной массы, необходимо измельчить, перемешать. Этот технологический этап называется процессом изготовления бумажной массы. Важнейшим этапом изготовления бумажной массы считается процесс дробления, при котором волокнистые материалы подвергаются механической обработке дисковой или конической мельницей в водной среде. Волокна в бумажной массе должны быть очень короткими и рассеченными на фибры [2]. Измельченные волокна придают свойство образовывать тонкую массу в виде тонкого волокнистого слоя на сетчатой части бумагоделательного оборудования. Основная функция процесса измельчения заключается в измельчении макромолекул целлюлозы на фрагменты длиной 1-2 мм и формировании их в виде очень мелких фибрилл. В результате увеличивается способность волокон формировать структуру бумаги и образовывать межволоконные связи. Основное назначение процесса дробления волокнистых полуфабрикатов состоит в разделении волокон на части, укорачивании волокон, фибрилляции и дроблении волокон под действием воды. На рис. 1 показан рисунок  дисковой мельницы. Хлопковая целлюлоза, шелуха и вторичные отходы измельчаются между ножами ротора и статора. Дисковая мельница состоит из пористого конического чугунного барабана – ротора 1 и закрепленных на поверхности ножей 3, 4, а также вращающегося чугунного корпуса-статора 2. внутри статора также есть 5 измельчающих ножей.

Рисунок 1. Дисковая мельница

1 – ротор; 2 – корпус статора; 3, 4, 5 - ножи

Результат длины волокна составляет около, а 1,0 с коротким волокном, а 1,5 мм В процессе дробления волокон основная масса волокон распадается на фибры.

Рисунок 2. Работа механизма дробления с низкой концентрацией.

1- получение первого удара в процессе измельчения. 2-сжатие волокон между ножами. 3- Удаление измельченных волокон между краями лезвий

Рисунок 3. Функциональная диаграмма автоматики дисковой мельницы для измельчения волокнистой массы

Наиболее распространенная диаграмма  функциональной автоматизации показана на рис. 3. Здесь: 1, 3, 4, 5, 6, 7 мощность ABT электропривода мельницы соответственно; зазор между дробильными дисками; степень дробления волокнистой массы на выходе мельницы; перепад давления по всей мельнице; концентрация волокнистой суспензии на входе мельницы; 2 – удельный расход электроэнергии (kvt∙s/t) ABT, который; 8, 9 - контроль массового расхода волокна на входе и выходе мельницы. Удельный расход энергии рассчитывается с использованием данных измерительных проводников ABT 1, 5 и 7. Измерительный преобразователь ABT для удельного энергопотребления подает управляющий сигнал уровня дробления от ABT 4 на реверсивный статор. Существует несколько технологий автоматизации дисковой мельницы для измельчения волокнистой массы.

Эти технологии являются автоматизированными системами; системы SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) [3] и другие действия могут осуществляться через автоматизированные системы (рис. 3). Ниже перечислим некоторые из этих технологий:

- PLC (Programmable Logic Controller): PLC являются специальными устройствами, предназначенными для управления автоматизированными системами. Они предназначены для соединения сенсоров и обработчиков, управления и обработки действий. PLC может использоваться и для управления процессом измельчения массы волокна.

- SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition): система SCADA, предназначен для сбора, распределения и управления данными от процессов измельчения, сенсоров и других устройств. Эти системы используются для управления медицинскими контроллерами, всеми событиями и системами измельчения.

- Системы телеметрии: Системы телеметрии, используемые для бесперебойного распределения и управления данными, полученными с помощью сенсоров. Эти системы важны для управления процессами, предназначенными для измельчения волокнистой массы, обеспечивая доступ к данным в реальном времени и управление процессами.

- IofT (Internet of Things): Технологии IofT, используются для бесперебойной передачи данных сенсоров в комплекте и других устройствах через интернет. Эти системы обеспечивают бесперебойное управление через монитор.

- Алгоритмы и аналитика даты: данные из коллекции используются для управления с помощью алгоритмической аналитики и аналитики даты. Эти технологии предоставляют возможности оптимизации процессов и принятия правильных данных [4].

При выборе систем управления деятельности автоматизации этих технологий важно обращать внимание на широту, комплексность, сложность и другие факторы процесса дробления средств. Эти устройства и технологии должны быть соответствующим образом интегрированы, а также адаптированы для выполнения функций, необходимых для управления процессом измельчения.

Рисунок 4. Алгоритмическая диаграмма дисковой мельницы для дробления волокнистой суспензии:

G(P), S(P) – заданный массовый расход на дробление и его концентрация; ε(P) – зазор между шлифовальными дисками; Рkir(р), Рqiq(р) – давление волокнистой суспензии на входе и выходе из мельницы; n(p) - активная электрическая мощность приводного электродвигателя мельницы (роторного привода)

Диск PLC (Programmable Logic Controller) идеальная платформа для автоматизации мельницы. Это позволяет получать информацию от средств автоматизации, сенсоров, обработчиков и других устройств, обрабатывать и загружать специальное программное обеспечение для управления дисковой мельницей [5].

Рисунок 5. Автоматическое управление асинхронным устройством с PLC -100

PLC -100 можно использовать, выполнив следующие действия: анализ процесса дробления массы волокна и выявление явлений, необходимых для его автоматизированных устройств. Размещение этих необходимых датчиков включает в себя определение параметров, необходимых для моделирования и управления процессом.

Программирование: Программирование PLC -100 с помощью настраиваемых программ для управления дисковой мельницей. Он написан для приложений, получения данных от сенсоров, управления процессом и автоматического управления мельницей.

Получение и обработка данных: передача массы волокна, температуры, скорости и другой необходимой информации, полученной с помощью датчиков, на PLC.  PLC должен быть успешно запрограммирован на обработку и обнаружение полученных данных.

Управление мельницей: PLC настраивается для управления мельницей на основе полученных данных. Это важно для мельниц, скрытых и модифицированных в процессе измельчения волокнистой массы. PLC на основе полученных данных обеспечивает запуск дисковой мельницы, управление системой и работу в автоматическом режиме [6]. Мониторинг и диагностика: PLC также позволяет контролировать и контролировать состояние системы. Это может быть необходимо для обнаружения событий в системе, проверки жесткости, выявления проблем и временного исправления ошибок.

PLC широко используется для управления автоматизированными системами, а в качестве принципа работы он также может быть эффективным при измельчении массы волокна.

В процессе использовались PID-контроллеры. PID (Proportional-Integral-Derivative) контроллеры - это технология, которая очень популярна в автоматизации. Его основная цель-определить правильное действие, чтобы приблизиться к значению, которое имеет значение, когда определенная переменная (например, температура или другая информация сенсора) должна поддерживаться указанной (5-рисунок). В этом случае PID-контроллер помогает рассчитывать и реализовывать автоматические разделы переменных для отслеживания и желаемой реализации.

Пропорциональная - Proporsional (P) часть выполняет выражение с текущим значением переменной. Это включает в себя возврат переменной по воздуху. Большие пропорциональные коэффициенты могут привести к большим ошибкам, а меньшие-к приоритетной поддержке и тому же нулю.

Часть интеграла- Integral (I) имеет дело с вычислением интеграла ошибок, совершенных переменной за прошедшее время. Это помогает компенсировать долгосрочные ошибки. Интегральная часть может быть изменена, если есть проблема с исправлением первоначальной незначительной ошибки.

Производная часть - Derivative (D) сравнивает текущую скорость переменной со скоростью изменения переменной. Это увеличивает поддержку, связанную с потерями или напряжением переменного тока до изменения скорости соединения.

В совокупности PID -контроллеры известны своей высокой эффективностью в поиске оптимальных параметров для решения любой проблемы. По сравнению с контроллерами других типов, PID -контроллеры показывают лучшие результаты в мониторинге переменных, исправлении ошибок и стабилизации. Получение дифференциального уравнения электромагнитного момента (T_em) для трехфазного асинхронного двигателя следует тому же процессу, что и в однофазном состоянии, но с трехфазными величинами. Рассмотрим: L_m- взаимная индукция между статором и ротором

i_sA, i_sB va i_sC токи в обмотках статора (фазы A, B и C соответственно),

i_rA, i_rB va i_rC токи в обмотках Ротора (фазы A, B и C соответственно).

Для 3-фазного асинхронного двигателя электромагнитный момент (T_em) выражается как:

                                   (1)

Дифференцируем это уравнение относительно времени, чтобы получить дифференциальное уравнение для T_em:

                               (2)

                                 (3)

Мы можем выразить скорость изменения токов статора и ротора в виде напряжения и сопротивления:

Мы можем выразить скорость изменения токов статора и ротора в виде напряжения и сопротивления:

Сопротивление статора R_s=2 Om;

Сопротивление Ротора R_r=1 Om;

Индукция статора L_s= 0.1 H

Индукция Ротора L_r= 0.05 H

Взаимная индукция L_o‘ =0.08 H

Таким образом:

Рассмотрим работу электродвигателя в программе MATLAB через пакет Simulink. Для этого открывается пакет Simulink программы MATLAB и по следующей схеме проверяется асинхронный двигатель переменного тока на скорость вращения, крутящий момент и другие параметры [7, 8].

Рисунок 6. Диагностическая схема электродвигателя, построенная с использованием пакета Simulink

Отсюда мы получили следующие значения:

Рисунок 7. Значения схемы электродвигателя MATLAB

Рассмотрим эти значения:

Рисунок 8. Графики A, B и C - это значения силы тока асинхронной машины

Рисунок 9. Параметры электродвигателя. a-скорость вращения, B-крутящий момент

Выводы. Из экспериментальных выводов, сделанных в данной научной работе, следует, что управление PID контроллерами, дополнительными сенсорами и обработка данных в программе MATLAB положительно сказываются на производительности и качественных показателях работы электродвигателей дисковых мельниц. Потому что через контроллеры t=0,3 секунды каждый параметр вошел в область силы тока, скорости вращения и застоя. Влияние процесса измельчения на физико-механические свойства экспериментальной бумаги крафт таково, что; в процессе дробления длина волокон укорачивается, и происходит важный процесс расщепления волокон на фибриллы. При фибрилляции на внешней поверхности волокон выделяются гидроксидные группы, которые при обезвоживании удаляют воду в процессе производства бумаги, притягивая волокна друг к другу под действием сил поверхностного натяжения. В этом случае между волокнами на расстоянии от 0, 24... до 0,28 мм образуются водородные связи. Водородные связи содержат 0,5–2% всех гидроксилов целлюлозы. Кроме этого, в бумаге крафт возникают силы Ван-дер-Ваальса и механические силы, обеспечивается увеличение прочностных свойств бумаги крафт на 20-25%.

Список литературы:

1. Ешбаева  У.Ж. Офсетная бумага с введением синтетических полимеров и её печатно-технические свойства: Дисс. на соис. уч. степ. док. тех. наук.−  Ташкент. ТИТЛП, 2017
2. Иванов С.Н. Технология бумаги. Изд. 2-е, перераб. М.: Лесная пром-сть. - 2006. - 696 с.
3. Dray, James, et al., NIST SP 800-73, Interfaces for Personal Identity Verification, 2005, http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-73/SP800-73-Final.pdf. 
4. Wilson, Charles, et al., NIST SP 800-76, Biometric Data Specification for Personal Identity Verification, 2006, http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-76/sp800-76.pdf. 
5. Eshbaeva U.J. Djalilov A.A.  Development of Technology for Producing Multilayer Paper and Cardboard Containing Synthetic Fibers* - NVEO-NATURAL VOLATILES & ESSENTIAL OILS …, 2021
6. Swanson, Marianne, et al., NIST SP 800-34, Contingency Planning Guide for Information Technology Systems, 2002, http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-34/sp800-34.pdf. 
7. Burr, William, et al., NIST SP 800-63, Electronic Authentication Guideline, 2004, http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-63/SP800-63v6_3_3.pdf. 
8. Bace, Rebecca, and Mell, Peter, NIST SP 800-31, Intrusion Detection Systems, 2001, http://csrc.nist.gov/publications/nistpubs/800-31/sp800-31.pdf.