Автоматизация технологического процесса сушки керамического кирпича на основе многосвязных однотипных систем управления

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. Процесс сушки керамического кирпича является энергоемким и длительным. Существенное влияние на затраты оказывает переменный план выпуска изделий определенной номенклатуры. Каждый вид продукции характеризуется стандартизованными габаритами, а, следовательно, процесс удаления влаги из кирпича-сырца будет носить индивидуальный характер.

При проведении стадии сушки изделий необходимо учитывать климатические условия добычи и предварительной обработки исходного сырья, а также его физико-химические характеристики.

Исходя из этого, технологический процесс сушки керамического кирпича приходится проводить в широком диапазоне изменения входных параметров. Однако, регламент сушки изделий на предприятиях остается неизменным. В результате, количество бракованных изделий составляет до 30% от общего объема выпуска.

Таким образом, проблема создания алгоритмов оптимального управления процессом сушки керамического кирпича, обеспечивающих повышение эффективности использования сушильной установки является актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью выполненного исследования является разработка алгоритмов и системы управления технологическим процессом сушки керамического кирпича, которые позволят повысить эффективность функционирования камерных сушилок.

Достижение сформулированной цели исследования предусматривает поэтапное решение следующих задач:

· анализ функционирования теплового объекта и разработка его математической модели;

· модификация математической модели процесса термовлажностной обработки отдельного образца;

· совмещение модели обработки изделия с моделью теплового объекта при соблюдении технологического режима сушки;

· экспериментальное определение теплотехнологических характеристик образцов на промышленном предприятии «Нечаевский кирпичный завод» ООО «Агрофирма Знамя» (Белгородская область);

· постановка и решение задачи оптимизации технологического регламента сушки керамического кирпича для многосвязного теплового объекта управления;

· разработка алгоритмов управления, реализующих оптимальные технологические регламенты сушки керамического кирпича;

· разработка структуры микропроцессорной системы автоматизированного управления технологическим процессом сушки керамического кирпича.

Научная новизна заключается в:

· методике оптимального управления технологическим режимом сушки керамического кирпича в камере сушильной установки, позволяющего сократить длительность обработки при соблюдении требуемого качества изделий;

· оптимизации функционирования блока камерных сушилок, направленной на снижение взаимовлияния аэродинамических процессов, протекающих в каждой сушильной камере;

· алгоритме управления сушильной установкой с применением микропроцессорной структуры системы управления.

Практическая ценность работы:

· создание комплекса программ, позволяющих рассчитывать оптимальные технологические режимы сушки керамического кирпича в сушильных камерах;

· создание комплекса программ, определяющих оптимальный технологический регламент работы блока камерных сушилок.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических и научно-практических конференциях в г. Белгороде - 2003, 2005 гг., г. Губкине - 2004 г., г. Днепропетровске - 2002, 2004, 2005 гг., г. Москве - 2004 г., г. Пензе - 2005 г.

Методы исследования. В работе были применены методы интегрального и дифференциального исчисления, математической физики, гидро- и аэродинамики, теории многосвязных однотипных и оптимальных систем, математического моделирования, нелинейного программирования, а также методы проектирования аналоговых и цифровых систем автоматического управления.

Публикации. Результаты научных исследований, изложенные в диссертационной работе, опубликованы в 12 печатных работах, в т. ч. в центральной печати «Вестник Воронежского государственного технического университета», «Промышленные АСУ и контроллеры» и др., а также получен патент на полезную модель.

1. Анализ стадии сушки и ее характеристик в технологическом процессе производства керамического кирпича

Показано, что на данной стадии изделия приобретают механическую прочность, обуславливающую качество продукции. Кроме того, процесс сушки сопровождается значительными энергозатратами, снижения которых возможно добиться, применяя рациональные режимы сушки.

Установлено, что степень автоматизации камерных сушилок по отношению к остальным типам установок является незначительной.

Выявлены условия и особенности функционирования камерной сушилки как объекта управления. Сушильная установка состоит из блока камер, работающих параллельно (рис. 1). При этом все камеры имеют одинаковые конструктивные данные, характеризуются близкими динамическими свойствами. В тоже время каждая камера работает в индивидуальных условиях, зависящих от значений входных параметров.

Рис. 1. Схема технологического процесса сушки керамического кирпича

Камеры являются взаимосвязанными через общие каналы подачи свежего и отвода отработавшего теплоносителя, что характерно для многосвязных однотипных объектов. Предполагается, что использование системы управления на стадии сушки позволит снизить удельные энергозатраты на обработку керамического кирпича при соблюдении требуемого качества и сокращении времени сушки. Сформулированы цель и задачи научного исследования.

2. Вопросы модификации математических моделей теплового объекта, их адекватность, задача оптимального управления технологическим режимом сушки керамического кирпича

тепловой сушилка камерный аэродинамический

При моделировании теплофизических процессов, протекающих в камерных сушилках, был принят ряд допущений и ограничений:

· решается плоская задача;

· рассматривается стационарный процесс для скорости истечения воздуха и распределения температуры;

· рассматривается несжимаемый газ.

Математическая модель камерной сушилки представляет собой двумерные уравнения Навье-Стокса, записанные относительно завихренности и функции тока (1, 2):

, (1)

где - завихренность, - компоненты вектора скорости, - динамический коэффициент вязкости, - плотность среды, - время;

(2)

где - функция тока; - пространственные координаты.

Для вычисления значения температуры теплоносителя в сушильной камере применено уравнение теплопроводности (3):

, (3)

где - коэффициент температуропроводности, - температура агента, с - плотность среды (воздуха), Cp - теплоемкость воздуха, л - коэффициент теплопроводности.

Полученная модель (1-3), позволяет проводить расчеты в широком диапазоне изменения входных параметров. Результатом расчетов по математической модели являются поля скоростей распространения и температуры теплоносителя в сушильной камере (рис. 2), дающие количественную характеристику агента в каждой точке рассматриваемого объекта. Внесение в модель дополнительных сопротивлений позволило получить поля скоростей и температур в загруженной камере (рис. 3).

Рис. 2

Рис. 3

Предложено использовать эти данные в качестве начальных и граничных условий для моделирования процесса сушки керамического кирпича.

При получении математической модели термовлажностной обработки изделий приняты следующие ограничения и допущения:

· имеет место только конвективный теплообмен;

· влияние градиента избыточного давления воздуха пренебрежимо мало;

· камерная сушилка обладает идеальными гидродинамическими и теплотехническими характеристиками.

Предложено перейти в аналитическом описании процесса сушки уравнениями теплопередачи (4) и влагопроводности (5) от одномерного пространства к двумерному для повышения точности вычислений:

(4)

где Т - температура; y, x - текущие координаты; с - теплоемкость тела; - коэффициент теплопроводности; t - время; - удельный вес;

(5)

где U - влагосодержание изделия; Т - температура изделия; y, x - текущие координаты в направлении потока; t - время; К - коэффициент потенциалопроводности, учитывающий перенос пара и жидкости; - термоградиентный коэффициент; - удельный вес.

Результаты расчетов по математической модели использованы для расчета напряжений в керамическом кирпиче (6), определяющих качество продукции:

(6)

где li - линейный размер тела при влажности U; Ui - влажность тела; l0 - линейный размер абсолютно сухого материала (когда усадка происходит на протяжении всего периода сушки или в период падающей скорости); lS - средний размер; - коэффициент чувствительности сырья; E - модуль упругости; - напряжения в материале.

Таким образом, получена единая обобщенная математическая модель теплофизического объекта, включающая описание не только обрабатываемых изделий, но и характеристики агента, что отличает ее от существующих.

Анализ адекватности разработанных моделей проведен на основании экспериментальных данных (рис. 4), полученных на «Нечаевском кирпичном заводе» ООО «Агрофирма Знамя». Точность моделей составила 83-85 %.

Рис. 4. Экспериментально определенные качественные показатели процесса сушки керамического кирпича

При постановке задачи оптимального управления в качестве переменных состояния рассматриваются поля температур и влагосодержаний изделия , подвергающегося термовлажностной обработке - .

Координаты описывают непосредственно высушиваемые изделия. Каждый вид продукции , имеет определенные габаритные размеры в рассматриваемом двумерном пространстве сушилки . Ограничения на координаты представляют систему неравенств (7), показывающую широкий диапазон изменения координат, существенно зависящий от входных параметров :

 (7)

Ограничения на процесс сушки представлены тремя группами:

1. Ограничения производительности оборудования, обеспечивающего подготовку теплоносителя и его подачу в сушилку (8):

(8)

· производительность теплогенератора ;

· производительность вентилятора, подающего в камеру теплоноситель , где ;

· номинальная производительность вентилятора ;

· скорость поступающего в камеру теплоносителя , где , .

2. Ограничения на параметры используемого теплоносителя в процессе термовлажностной обработки керамического кирпича (9):

(9)

· начальная температура изделий ;

· температура теплоносителя в общем канале ;

· температура образца в процессе сушки , .

3. Ограничения, обуславливающие качество изделий в течение и по окончании стадии сушки (10):

 (10)

· остаточное влагосодержание изделия , где , ;

· допустимые напряжения растяжения и сжатия в кирпиче-сырце в течение сушки;

· уровень допустимых напряжений в образце .

Предложен функционал качества (11) для поиска оптимального управления технологическим режимом сушки керамического кирпича, представляющий свертку цели и ограничения по формуле Беллмана-Заде «решение есть слияние цели и ограничений»:

, (11)

где - критерий по быстродействию, - ограничения по качеству продукции, и - весовые и нормирующий коэффициенты.

Сформулирована задача оптимизации: требуется найти управление, обеспечивающее минимум критерия (11) при связях в виде уравнений математической модели (4), (5) и ограничений в виде (7)-(10).

Сложность в решении поставленной задачи заключается в том, что математическая модель термовлажностной обработки керамического кирпича представлена нелинейными уравнениями в частных производных, критерий оптимизации является составным. Поэтому использование таких приемов как принцип максимума Понтрягина, динамического программирования, методов вариационного исчисления невозможно. Однако проведенные исследования показали, что управление может быть представлено ступенчатой зависимостью температуры обработки от времени, характеризующейся двумя моментами переключения:

· период выдерживания кирпича в начале процесса сушки (T1);

· длительность подъема температуры теплоносителя (T2).

Данный вид управления позволяет свести поиск оптимальных параметров технологического регламента к задаче математического программирования, для которой разработан вычислительный алгоритм.

В качестве исходных данных для оптимизации выбрана полная загрузка камеры одинарным кирпичом-сырцом с начальной влажностью 20% и температурой окружающей среды 20С. Минимизация функционала при изменении позволила вычислить параметры наилучшего режима термовлажностной обработки: , длительность сушки - 98 ч.

Применение алгоритма оптимизации для приведенных исходных данных позволило сократить время процесса сушки на 18.33 % по сравнению с действующим режимом на «Нечаевском кирпичном заводе» ООО «Агрофирма Знамя» (рис. 5).

Рис. 5. Сравнение технологических режимов сушки

Рассчитанный режим сушки является оптимальным только для одного набора исходных данных, поэтому при изменении вида кирпича-сырца, его параметров или условий окружающей среды необходимо повторно использовать алгоритм оптимизации.

3. Построение математической модели камерной сушилки как однотипной многосвязной системы управления, задача оптимизации технологического регламента для блока камерных сушилок, исследования динамики объекта

Поскольку для всех камер предусмотрены общие каналы подачи и отвода теплоносителя (рис. 1), то его реальный расход в каждой камере при прочих равных условиях будет отличаться от желаемого. Это связано с тем, что все камеры работают на одну аэродинамическую сеть.

Показано, что камерная сушилка может быть представлена как сетевой динамический объект (12):

(12)

где А - матрица инциденций, S - матрица контуров, I - вектор токов, L, R - матрицы параметров, U - вектор источников напряжения.

Составлена схема замещения, отражающая работу всей сети. На ней шиберы представлены сопротивлениями, определяющими количество подаваемого в каждую камеру теплоносителя в соответствие с оптимальным режимом сушки. При постановке задачи оптимизации в качестве переменных состояния Yi(t) приняты реальные расходы агента, поступающего в i-ю камеру, рассчитанные по математической модели (12).

Фазовыми координатами являются компоненты вектора настроек регулирующих органов S(t), на которые накладываются физические и технологические ограничения (13):

(13)

где - количество сушильных камер в блоке; - минимальный шаг изменения положения шибера.

Кроме того, выделены ограничения, относящиеся к работе вентиляционного оборудования (8). Полное открытие шибера должно соответствовать номинальному расходу агента в камеру. Также имеет место линейная зависимость расхода агента в камеру от положения регулирующего органа (14):

(14)

В свою очередь, начальное положение шиберов однозначно определяется вычисленным оптимальным температурным режимом сушки керамического кирпича для каждой камеры (15):

(15)

Обобщение данных (8, 14, 15) позволило получить ограничения, характеризующие задачу оптимизации (16):

(16)

В качестве критерия выбран минимум среднеквадратичного отклонения реального расхода агента в камеры от оптимального (17):

. (17)

Сформулирована задача оптимизации: требуется найти управление, обеспечивающее минимум критерия (17) при связях в виде уравнений математической модели (12) и ограничений в виде (16).

Решение получено методом сканирования с использованием ресурсов распределенной вычислительной системы ТГТУ, для чего разработан алгоритм оптимизации.

На основании исследования динамики системы сделан вывод о достаточности рассмотрения статических режимов работы сушильной установки в целом и камер в отдельности при моделировании и выборе законов регулирования. Для временного среза t=120ч регламента производства проведена статическая оптимизация распределения расхода по загруженным камерам (рис. 6), а также получены значения коррекции положения шиберов Si (таблица 1).

Рис. 6. Оптимизация распределения расхода теплоносителя

Таблица 1. Значения степени открытия шибера

	S1, %	S2, %	S3, %	S4, %	S7, %	S9, %	S10, %
оптимальное	40	50	60	70	100	100	100
текущее	100	100	100	100	100	100	100

В процессе сушки керамического кирпича имеет место дискретное изменение температуры в камерах, поэтому после каждого перемещения любого шибера необходимо корректировать положения всех шиберов.

4. Разработка программно-аппаратного комплекса автоматизированной системы управления камерной сушилкой, реализующего оптимальные технологические режимы работы каждой камеры и слежение за их соблюдением

Установлены регулируемые и контролируемые параметры, а также предложена структура сепаратной системы управления.

Заданием для системы управления служит вид кирпича-сырца, загружаемого в каждую сушильную камеру, его теплофизические и физико-химические параметры, варьируемые в широком диапазоне. Эти данные вводятся в качестве начальных и граничных условий в модель термовлажностной обработки керамического кирпича. Далее рассчитывается оптимальное управление технологическим режимом обработки для каждой камеры, и результат передается в устройство управления. Исходя из принципа действия системы управления, предложена иерархическая структура АСУ ТП, включающая: уровень датчиков и исполнительных механизмов; уровень устройств ввода-вывода; интерфейсный уровень.

При этом комплекс разработанных математических моделей и алгоритмов, реализуемый на интерфейсном уровне, в свою очередь, представляет собой двухуровневую систему управления. Верхний уровень ориентирован на расчет полей температур, влагосодержаний и оптимальное управление режимом обработки кирпича-сырца в каждой камере. Основной задачей нижнего уровня является оптимизация функционирования блока камерных сушилок с учетом временной диаграммы работы цеха сушки. Все расчеты проводятся в режиме удаленного доступа с использованием ресурсов распределенной вычислительной системы ТГТУ. Микропроцессор решает задачу минимизации отклонения реальных значений режимных параметров от требуемых, вырабатывает сигналы управления на исполнительные механизмы.

Реализация программной части АСУ ТП сушки керамического кирпича проведена средствами SCADA-системы КРУГ-2000. Разработана станция оператора, включающая главный рабочий стол и модели отдельных камер.

Разработанные математические модели и автоматизированная система управления сушкой керамического кирпича позволили посредством применения оптимальных технологических регламентов добиться сокращения длительности процесса обработки на 18.3 %, что подтверждено актом испытания микропроцессорного устройства автоматизированного управления камерными сушилками.

При существующем режиме производительность «Нечаевского кирпичного завода» ООО «Агрофирма Знамя» составляла 7.8 млн. шт. усл. кирпича (одинарного) в год, а использование оптимальных режимов сушки, позволит увеличить мощность на 23 %.

Заключение

1. Произведен анализ возможности использования методов теории многосвязных однотипных систем для исследования камерных сушилок периодического действия на стадии сушки керамического кирпича.

2. Результаты моделирования распространения теплоносителя в сушильной камере показали, что теплоноситель имеет существенно неравномерное распределение по объему как пустой, так и заполненной изделиями камеры.

3. Расчеты по математической модели термовлажностной обработки керамического кирпича позволили определить, что для анализа качества процесса сушки в камере достаточно проанализировать характеристики небольшого количества отдельно взятых образцов.

4. Исследованы возможные варианты режимных параметров процесса сушки керамического кирпича, и с учетом оптимальности по быстродействию при поддержании требуемого качества изделий найден их наилучший набор.

5. Проведены экспериментальные исследования основных теплотехнологических характеристик образцов на промышленном предприятии «Нечаевский кирпичный завод» ООО «Агрофирма Знамя». На основе линейного регрессионного анализа получено подтверждение адекватности разработанных математических моделей.

6. Оптимизация совместной работы камерных сушилок позволила выработать корректирующие воздействия на регулирующие органы, необходимые для стабилизации режимов термовлажностной обработки керамического кирпича в отдельных сушильных камерах.

7. Представлена методика разработки системы управления процессом сушки в камерных сушилках. Разработана структура программно-аппаратного комплекса для управления режимом термовлажностной обработки керамического кирпича.

8. Дано обоснование выбора технических и программных средств, реализующих иерархическую систему управления сушильной установкой на базе современных микропроцессорных средств автоматизации и информационных технологий.

9. На базе SCADA-системы разработано математическое обеспечение системы управления сушильным отделением, позволяющее повысить качество управления процессом сушки, а также автоматизировать труд технолога-оператора.

Литература

1. Прокопенко М.Н. Аппаратная реализация АСУ процессом сушки керамического кирпича// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - №7. - С.22-24.

2. Прокопенко М.Н. Постановка и решение задачи оптимизации технологического регламента сушки керамического кирпича// Вестник Воронежского государственного технического университета. - т.2. - 2006. - №8. - С.146-153.

3. Рубанов В.Г., Прокопенко М.Н. Определение интервальности параметров сушки керамического кирпича в камерных сушилах// Перспективные задачи инженерной науки: Сб. науч. тр. III Международной научной конференции, Выпуск 3. - Днепропетровск: GAUDEAMUS, 2002. - С.253-259.

4. Прокопенко М.Н. Математическая модель технологического процесса термовлажностной обработки керамического кирпича// «Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова» Научно-теоретический журнал. - Ч. III, 6/2003. - С.194-198.

5. Прокопенко М.Н. Об одном подходе к исследованию камерных сушил как многосвязных объектов управления// Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания: Сб. докл. - Старый Оскол: Тонкие наукоемкие технологии, 2004. - С.172-176.

6. Прокопенко М.Н., Окунева Г.Л., Прасол Д.А. Моделирование процесса распределения теплоносителя в камерной сушилке// Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB: Сб. тр. Второй Всероссийской научной конференции. - М.: ИПУ РАН, 2004. - С.682-687.

7. Пат. 42297 Российская Федерация, МПК7 F 26 B 21/00. Микроконтроллерная система автоматического управления процессом сушки изделий/ Рубанов В.Г., Прокопенко М.Н., Прасол Д.А., Ветров Е.В.; заявитель и патентообладатель Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. - № 2004122247; заявл. 22.07.2004; опубл. 27.11.2004, Бюл. № 33. - 3 с.

8. Prokopenko M.N. About the techniques of automatic control over the process of building articles' drying// Матерiали Першоп Мiжнародноп науково-практичноп конференцiп «Науковий потенцiал свiту `2004». Том 62. Технiчнi науки. - Днiпропетровськ: Наука i освiта, 2004. - С.24-25.

9. Прокопенко М.Н. Верификация математической модели процесса распределения теплоносителя в камерной сушилке// Информационные технологии в управлении и моделировании: сб. докл. Международной науч.-технич. Интернет-конференции. - Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г.Шухова, 2005. - С.164-167.

10. Прокопенко М.Н., Болотов А.С. Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом сушки керамического кирпича в камерных сушилах на базе SCADA-систем// Матерiали Першоп Мiжнародноп науково-практичноп конференцiп «Днi науки `2005». Том 37. Технiка. - Днiпропетровськ: Наука i освiта, 2005. - С.41-45.

11. Прокопенко М.Н., Болотов А.С. Применение КРУГ-2000 для автоматизированного управления процессом сушки керамического кирпича// Труды международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии». Вып. 2. - Пенза: ПГТА, 2005. - С.24-26.

12. Прокопенко М.Н. Оценка адекватности математической модели сушки керамических изделий// Наука и образование: Материалы VI Международной научной конференции. - Ч.1. - Белово: Беловский полиграфист, 2006. - С.520-525.

Размещено на Allbest.ru