Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии

Диссертационная работа:

Кокуев Андрей Геннадьевич. Оптимальное управление технологическим процессом с использованием энергоинформационной модели : на примере производства гофрированного картона : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.06 / Кокуев Андрей Геннадьевич; [Место защиты: Астрахан. гос. техн. ун-т].- Астрахань, 2008.- 173 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/829

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА
ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
17

  1. Описание технологического процесса производства гофрированного картона 17

  2. Анализ технологического процесса как объекта управления 29

  3. Состояние вопросов автоматизации и моделирования процесса производства гофрированного картона (литературный обзор) 39

  4. Постановка задачи исследования 53

Выводы по первой главе 56

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА.... 57

  1. Анализ процесса производства гофрированного картона как объекта моделирования 57

  2. Построение энергоинформационной модели процесса производства гофрированного картона 61

  3. Постановка и проведение эксперимента 82

  1. Идентификация коэффициентов модели 88

  2. Проверка адекватности модели 100

Выводы по второй главе 103

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭИМ
104

  1. Постановка задачи оптимального управления 104

  2. Решение задачи управления многостадийным процессом 107

  1. Синтез алгоритма поиска оптимального режима гофроагрегата 112

  2. Исследование алгоритма 118

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО
УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА
ГОФРИРОВАННОГО КАРТОНА
123

  1. Выбор и обоснование структуры системы управления 124

  2. Разработка функционально-алгоритмической структуры системы управления 128

  3. Программное обеспечение АСУ ТП процесса производства гофрированного картона 133

  4. Анализ эффективности системы управления гофроагрегатом методом имитационного моделирования 134

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ 137

ЛИТЕРАТУРА 139

ПРИЛОЖЕНИЯ 149

Приложение 1. Блок-схема алгоритма расчета длинной линии ЭИМ

производства гофрированного картона 150

Приложение 2. Блок-схема алгоритма расчета характеристик ветви ЭИМ

производства гофрированного картона 151

Приложение 3. Блок-схема алгоритма расчета характеристик узла ЭИМ

производства гофрированного картона 152

Приложение 4. Протокол проведения лабораторных экспериментальных

исследований 159

Приложение 5. Данные для оценки адекватности модели 169

Приложение 6. Акт об использовании результатов диссертационной
работы 173

Введение к работе:

Картонная и бумажная тара занимают ведущее место в тароупаковочной отрасли. Их доля составляет в среднем 40-50% общего потребления и доминирует не только по объемам производства, но и по широкой номенклатуре тароупаковочной продукции и ассортименту упаковываемых товаров.

По данным Госкомстата емкость внутреннего рынка упаковочной продукции, наиболее распространенными видами которой являются тара, ящики и коробки из гофрокартона, превышает 1,5 млрд. долл. в год. За последние три года рынок гофротары удвоился. Вследствие роста отечественного производства с 1999 года началось формирование рынка гофроупаковки с многоцветной печатью. В ближайшие годы ожидается существенный рост потребления такой упаковки из-за динамичного роста крупных розничных торговых сетей и супермаркетов.

Согласно новому исследованию британской компании Pira, биоразлагаемые упаковочные материалы будут демонстрировать ежегодный рост спроса около 22% в течение ближайших 5 лет. Мировой уровень потребления биоразлагаемой упаковки в прошлом году составил 43 тысячи тонн и к 2012 году по прогнозам достигнет 116 тысяч тонн [10].

Гофрокартон - многосторонний, экономичный и эффективный упаковочный материал. Он способствует быстрой упаковке, удобному складированию, эффективному распределению и гибкости в продаже. Гофрокартонная упаковка имеет хорошие противоударные свойства, является относительно крепкой, более легкой, чем многослойная картонная упаковка, приводит к экономии сырья при производстве.

На гофрированный картон приходится порядка 70% всего производства упаковочного картона в России. Российская потребность в

гофрокартоне в 2003 году составила около 1,5 млрд.м2. Существующий дефицит в гофрокартоне не уменьшается, несмотря на соответствующий рост производства - около 15% в год. Для того чтобы восполнить прогнозируемый дефицит, в ближайшее десятилетие годовое производство тарного гофрокартона отечественными предприятиями должно достичь 3 млн. т.

Увеличение потребления связано, в первую очередь, с развитием пищевой промышленности, на долю которой приходится около 75% всей упаковки из тарного гофрокартона (рис. В.1.).

б

8%

Рис. В. 1. Распределение общего объема потребления гофрированного картона по отраслям

В условиях конкуренции с иностранцами отечественные производители вынуждены предлагать покупателю товар в упаковке европейского качества. Эти преобразования касаются, прежде всего, косметической и фармацевтической промышленности — большинство товаров этого сектора уже сегодня упаковываются в высококачественный микрогофрокартон.

Но, несмотря на то, что темпы роста потребления гофрокартона уже опережают западноевропейские, по потреблению гофрокартона на душу населения Россия еще значительно отстает от зарубежных стран (в 4-5 раз от уровня Европы и в 20-25 раз - от США). Среднероссийский показатель потребления упаковки из гофрокартона на душу населения составляет сейчас чуть более 7 кг в год.

Отставание в потреблении гофрокартона особенно заметно на периферии, в то время как в мегаполисах (Москва, Санкт-Петербург и др.) его уровень давно превысил среднероссийское значение и составляет около 25 кг на душу населения в год (в том числе упаковка из гофрокартона, импортируемая вместе с продуктами и товарами народного потребления).

По данным государственного научно-исследовательского вычислительного центра ГТК, наблюдается положительная динамика емкости российского рынка тары и упаковки как в натуральном выражении (Рис. В.2), так и в стоимостном (Рис. В.З).

Рис. В.2 Динамика емкости российского рынка тары и упаковки в натуральном выражении

Рис. В.3 Динамика емкости российского рынка тары и упаковки в стоимостном выражении

По расчетам экспертов группы предприятий "ГОТЭК" (Курская область, г. Железногорск) среднегодовой рост рынка гофропродукции в России в период с 2005 по 2007 год составил 12% в натуральном и 14% в денежном выражениях [38].

Рост рынка в денежном выражении определяется возрастающей долей высечки и более дорогих видов упаковки в структуре производства и потребления.

По мнению экспертов компании, отрасль находится в динамичном развитии. По ряду позиций российский рынок тары уступает западным производителям (семислойныЙ картон, микрогофрокартон марки G, N и т.п.). В целом, тенденции для рынка гофропродукции в России отражают основные тенденции, характерные для мировых производителей. Изменения в структуре российского рынка, рост производства, изменения в культуре торговли и потребления, в технологиях упаковывания и логистике приводят к изменению требований потребителей к гофропродукции от простых ящиков для транспортировки товаров к сложным упаковочным решениям, включающим мощную маркетинговую

}

составляющую, позволяющую сделать гофротару элементом бренда потребителя, сопровождающего товар от упаковочной линии до прилавка магазина или супермаркета.

Рост рынка гофропродукции отмечают и другие игроки отрасли. Так, специалисты компании ОАО "Архбум" (филиал в г. Подольске), ЗАО "Каппа Санк-Петербург", ЗАО "Стора Энсо Пакаджинг" считают, что спрос в будущем году вырастет более чем на 10%, в том числе за счет появления новых потребителей, заинтересованных в качественной упаковке. Следует отметить, что потребителями дорогостоящей тары являются компании с высоким уровнем платежеспособности, сосредоточенные, в основном, вокруг крупных промышленных центров. Поэтому в рассматриваемом сегменте рынка гофротары конкурентная борьба особенно жесткая именно в таких регионах (например, Москва и Московская область, Санкт-Петербург и Ленинградская область, Нижний Новгород).

Сегмент высококачественной гофротары сравнительно новый на российском рынке гофропродукции (начал формироваться после 1998 г.), и поэтому наиболее динамично растущий.

Несмотря на значительный рост выпуска картонной тары, структура ее производства в России недостаточно прогрессивна. Незначительна доля картонной тары из пятислойного гофрокартона. Практически отсутствует производство упрочненного и влагостойкого гофрокартона. Это не позволяет полностью удовлетворить запросы потребителей, и поэтому не менее 25% тары из гофрокартона на российский рынок ввозится из-за рубежа.

Один из существенных недостатков гофрированного картона -слабая влагопрочность. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности. Между тем, опыт зарубежных стран показывает,

что именно применение тары из упрочненного гофрированного картона и картона с защитными свойствами наиболее эффективно, поскольку при этом значительно расширяется область применения и обеспечивается экономное расходование ресурсов на тару.

Потребность в гофрированном картоне повышенной прочности и влагопрочности в России составляет примерно 120-130 млн. м 2. Однако отечественное производство его до настоящего времени не организовано. Тара из картона повышенной прочности необходима для упаковки изделий бытовой техники и радиоэлектронной аппаратуры, изделий машиностроения и химической промышленности, метизных изделий, металлокорда, а также продовольствия для Минобороны.

Контейнеры из многослойного гофрокартона на Западе широко используются в автомобильной промышленности, машиностроении для перевозки отдельных тяжелых узлов и деталей, мотороллеров и мотоциклов в сборке. Конструкции таких контейнеров могут варьироваться. Наиболее распространен 4-х клапанный ящик. Применяются комбинации гофрокартонной обечайки с пластиковым дном и крышкой, устанавливаемые на деревянный "европоддон" размером 1200x800 мм - Euro Tray-Pak, а также контейнеры Uni-Pak с пластиковым дном-поддоном размером 1200x800 и 1200x1000 мм и пластиковой крышкой.

Также растет и потребление высокохудожественной упаковки из гофрокартона. Такая упаковка широко применяется для товаров, реализуемых в розничной сети. Ее основные функции — реклама в местах продажи продукции и дополнительная возможность идентификации товара на всем пути его следования к потребителю. Благодаря преимуществам офсетной печати высокохудожественная упаковка успешно выполняет такие функции.

Существующий дефицит упаковки из гофрированного картона покрывается за счет импорта.

Ввоз гофропродукции в Россию из других стран, включая Белоруссию, стабилизировался в 2001-2002 гг. примерно на одном уровне. В 2001 году его величина составила 110,2 млн.м2, в 2002 году - 107 млн.м2 . Общий объем импорта гофрокартона за 2003 год составил порядка 135-140 млн. м2 и превысил показатель 2000 года на 43,5% [27].

Гофропродукция поставляется в Россию более чем из 20 стран, но явным лидером в последние годы является Белоруссия. В 2003 г. из данной страны было поставлено 74,1 млн. м гофропродукции или 67,2% всего импорта. В 2004 году отмечалось небольшое снижение объемов поставок -до 67,4 млн. м и, соответственно, уменьшение доли белорусской гофропродукции в общем объеме российского импорта - до 63%. В 2005 году «Светлогорским ЦБК» (Белоруссия) было экспортировано в Россию 60-65 млн.м . Что касается импорта по странам в 2005 году, то его объем (помимо импорта из Белоруссии) составил 75-78 млн. м . Из них около 25% [27] приходится на Польшу. А половина импорта (около 50%), не включая Белоруссию, ввозится из Украины (около 37-39 млн. м ).

Из вышесказанного видно, что, несмотря на увеличивающиеся каждый год объемы производства гофрированного картона, спрос на него на российском рынке растет с опережающими темпами, что, в свою очередь, вызывает необходимость увеличения импорта тары данного вида.

Увеличение объемов изготовления гофрокартона может произойти либо за счет строительства новых производственных мощностей, что требует крупных инвестиций, либо за счет разгона агрегатов, что при нынешнем уровне автоматизации приводит к увеличению брака.

Необходимость увеличения производительности путем разгона агрегатов и снижение брака, возрастающие требования потребителей к

качеству упаковочного материала заставляют производителей всё больше внимания уделять вопросам автоматизации производств.

В сегменте рынка более дешевой продукции (стандартная гофротара, в том числе из макулатурного сырья) круг конкурентов расширяется -наряду с крупными участниками рынка в борьбу за покупателя вступают малые предприятия. Среди менеджеров крупных компаний, формирующих данный сегмент рынка, наиболее распространено мнение, что именно мелкие фирмы являются их основными конкурентами, привлекающие потребителей низкими ценами в ущерб качеству и возможностью применения «серых» схем расчетов [7].

Исходя из вышесказанного, потребность внедрения автоматики на отдельных узлах перерастает в необходимость решения задачи оптимального управления процессом в целом.

Управление процессом производства гофрированного картона является достаточно сложной задачей по целому ряду причин. Технологический режим процесса определяется большим количеством режимных переменных. Кроме того, на процесс действуют существенные возмущающие воздействия. Имеет место непрерывное изменение качества поступающего на агрегат сырья. Определенный вклад в нарушение установившегося технологического режима вносит изменение технического состояния оборудования.

Все это требует частой перестройки технологических режимов и многокритериального поиска оптимальных режимов управления. Поиск оптимальных управлений путем проведения экспериментов невозможен в связи со значительными материальными затратами и сложностями подбора параметров многостадийного процесса.

Внедрение систем оптимального управления агрегатом наталкивается, в свою очередь, на ряд трудностей. В первую очередь, это

связано с вопросами построения адекватных математических моделей процесса производства гофрированного картона.

Развитие методологии ЭИМ [81] позволило расширить возможности моделирования взаимовлияющих процессов тепловлажностной обработки, а также её использования для целей управления [84]. При этом технологические параметры изучаемого объекта интерпретируются в виде их электрических аналогов, а их взаимосвязи описываются наборами физико-технических эффектов. Это позволяет создать модель на базе универсальных структурных единиц и быстро перестраивать её при изменении конструкции агрегата, включении или отключении некоторых узлов, переходе на новые виды сырья.

Построение математической модели процесса производства гофрированного картона открывает значительные перспективы для расширения возможностей оптимального управления. Следует учесть, что для высокопроизводительных процессов с большой энергоемкостью, к которым относится и производство гофрокартона, внедрение систем оптимального управления позволит получить значительную экономию энергоносителя.

Таким образом, разработка эффективных автоматизированных систем управления процессом производства гофрированного картона, которые смогут повысить производительность оборудования, улучшить качественные показатели выпускаемого продукта и снизить энергопотребление агрегата, является, несомненно, актуальной научной и практической задачей.

Целью настоящей работы является повышение эффективности управления агрегатом по производству гофрированного картона за счет внедрения систем оптимального управления технологическим процессами.

С учетом вышесказанного, цель настоящей работы является актуальной.

Соответствующей указанной цели научной задачей является разработка алгоритмов оптимального управления процессом производства гофрокартона. При этом в качестве основной трудности можно выделить отсутствие полного математического описания объекта. Следует отметить, что в литературе вопросы моделирования взаимовлияющих процессов тепловлагопереноса в материалах волокнистой структуры недостаточно проработаны.

Основные задачи исследований;

провести анализ современного состояния вопросов автоматизации и управления процессом производства гофрированного картона;

рассмотреть процесс производства применительно к целям оптимального управления, определить пути совершенствования системы управления гофроагрегатом;

сформулировать задачу оптимального управления процессом производства гофрированного картона;

построить энергоинформационную модель процесса;

разработать алгоритмы оптимизации процесса производства гофрированного картона с использованием энергоинформационных моделей;

разработать систему управления, реализующую алгоритмы оптимизации процесса.

исследовать эффективность разработанной системы управления агрегатом с использованием метода имитационного моделирования. Методы исследования. Для решения поставленных задач

применялись методы энергоинформационного, имитационного моделирования, теория управления, методы оптимизации, динамическое программирование.

Научная новизна работы:

построена энергоинформационная модель процесса производства гофрированного картона для решения задач оптимального управления технологическим процессом;

разработан алгоритм расчета по энергоинформационным моделям объекта управления;

поставлена и решена задача оптимального управления многостадийным процессом производства гофрированного картона. Практическая ценность работы:

рассчитаны управляющие воздействия для обеспечения оптимального режима работы агрегата;

создано программное обеспечение, реализующее алгоритм оптимизации процесса производства гофрированного картона с использованием энергоинформационной модели процесса;

разработана система оптимального управления процессом производства гофрированного картона, позволяющая повысить эффективность процесса.

Реализация результатов работы.

Основные выводы и положения диссертационной работы используются при выполнении учебно-исследовательских работ по курсам «Математические модели и методы технической кибернетики», «Теория автоматического управления» студентами специальности № 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств". Применение научных результатов подтверждено актом об использовании результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - Международной научной конференции «ММТТ-21» - г. Саратов, 2008 г.;

международной научной конференции «ММТТ-20» - г. Ярославль, 2007г.;

международной научной конференции «ММТТ-18» - г. Казань, 2005 г.;

международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)» - г. Москва, 2002 г.;

конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «АГТУ».

По теме диссертации автором опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в журналах по списку ВАК, получено 4 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 56 рисунков, 8 таблиц, список литературы, состоящий из 98 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов и 6 приложений.

Во введении показана актуальность, сформулирована цель, определена научная новизна и практическая ценность результатов данной работы, приведено краткое содержание работы по главам.

Первая глава посвящена анализу современного состояния существующего уровня автоматизации процесса производства гофрированного картона. Дано описание технологического процесса, проведен анализ процесса как объекта управления, освещено текущее состояние вопросов автоматизации и моделирования. Поставлена задача исследования.

Во второй главе дается методика построения энергоинформационных моделей. Выполнен подробный анализ процесса производства гофрированного картона с точки зрения моделирования, обозначены недостатки существующих моделей. Разработана

энергоинформационная модель процесса производства гофрированного картона. Проведены экспериментальные исследования и идентификация коэффициентов модели. Рассмотрены вопросы адекватности модели и установлено, что разработанная модель адекватна процессу производства гофрокартона, и достаточно точно описывает его.

Третья глава посвящена вопросам оптимального управления по энергоинформационным моделям. Произведен и обоснован выбор решения задачи оптимизации. Разработан алгоритм решения задачи оптимального управления процессом сушки гофрированного картона. Предложено решение задачи оптимального управления гофроагрегатом как многостадийным процессом.

В четвертой главе производится выбор и обоснование структуры системы управления. Представлена структура и показан принцип построения АСУ ТП производства гофрированного картона. Для эффективного управления, в соответствии с алгоритмом, предложена SCADA-система Trace Mode, позволяющая успешно решать поставленные задачи. Проведен анализ и исследование статических режимов работы гофроагрегата методом имитационного моделирования.

Подобные работы
Антонов Олег Викторович
Оптимальное управление процессом каталитического риформинга с использованием гибридной математической модели
Мурыгин Александр Владимирович
Управление процессом электронно-лучевой сварки с использованием информационных свойств плотности распределения электронного пучка
Ворыпаев Алексей Николаевич
Мониторинг качества процесса шлифования с использованием нейросетевых моделей
Газетдинова Светлана Геннадьевна
Автоматизированная поддержка управления инструментальным обслуживанием производства на основе моделей дискретных процессов с приоритетами с использованием экспертных оценок
Лихачев Денис Валерьевич
Автоматизация процесса проектирования составов бетонных смесей и их корректировки на основе прогнозирования качества будущего бетона с использованием четких и нечетких моделей
Конев Константин Анатольевич
Информационно-управляющая система качества менеджмента на основе использования системных моделей (На примере предприятия авиационного приборостроения)
Борисов Андрей Львович
Автоматизированная система управления технологической безопасностью непрерывных химико-технологических процессов на основе дискретных моделей (На примере производства слабой азотной кислоты)
Ефромеева Елена Валентиновна
Разработка компьютерной модели функционирования предприятия в условиях единичного производства (На примере ОАО "Сафоновский электромашиностроительный завод")
Савенков Алексей Николаевич
Управление процессами информационного обмена в сетях передачи данных АСУ машиностроительного предприятия
Борзов Андрей Николаевич
Моделирование и управление процессом гидроочистки дизельного топлива

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net