|
УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
ГОЛІНКО Ігор Михайлович
УДК - 681.5.015
Комп’ютерна система керування процесом
випалювання цегли в тунельній печі
05.13.07 - Автоматизація технологічних процесів
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі автоматизації хімічних виробництв факультету хімічного машинобудування Національного технічного університету України “КПІ”.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Остапенко Юрій Олександрович, Національний технічний університет України “КПІ”, професор кафедри автоматизації хімічних виробництв
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бєляєв Юрій Борисович, НВК “Київський інститут автоматики”, директор ДНВП “АІСТ”
кандидат технічних наук, доцент Ковриго Юрій Михайлович, Національний технічний університет України “КПІ”, завідувач кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів
Провідна установа: Київський державний технічний університет будівництва і архітектури Міносвіти України, кафедра автоматизації будівельного виробництва, м. Київ
Захист відбудеться “ 1 ” березня 2000 року. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.058.05 Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирська, 68.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирська, 68.
Автореферат розісланий “ 31 ” січня 2000 року.
Вчений секретар
спеціалізованої ради
кандидат технічних наук, доцент Філоненко В.М.Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Впровадження комплексної автоматизації на підприємствах керамічної промисловості дозволяє значно підвищити якість продукції та скоротити енерговитрати на виробництві, а також поліпшити умови праці.
Одним із найбільш енергоємких процесів у виробництві керамічних виробів є випалювання. Випалювання вносить завершальний вплив на якість виробів. Під час протікання процесу випалювання формується кінцевий фазовий склад і мікроструктура матеріалу, що випалюється. Саме від фазового складу та мікроструктури матеріалу залежать фізико-хімічні, механічні, термічні та багато інших властивостей керамічних виробів.
На сьогоднішній день значний відсоток керамічних виробів випалюється в тунельних печах (близько 90 %). Тунельні печі отримали широке розповсюдження у виробництві будівельної кераміки, вогнетривів, порцеляни, фаянсу і т.д. Тунельні печі відносяться до найбільш досконалих печей силікатної промисловості і дозволяють широко використовувати технічні засоби автоматизації та механізації. Проте, випалювання в тунельних печах проводиться без контролю стану виробів, контролюються та автоматично регулюються тільки параметри теплоносія печі, що пояснюється відсутністю вимірювачів для контролю стану виробів під час їх руху в печі. Температурний режим тунельних печей на виробництві коригується, виходячи із кінцевого результату випалювання виробів без достатнього наукового обгрунтування. Це призводить до зниження якості виробів, перевитрати палива і як слідство збільшення собівартості продукції.
Температурний режим більшості тунельних печей підтримується локальними засобами автоматизації. З появою комп’ютерних систем керування (КСК) розширився клас задач, які можна вирішити на сучасній комп’ютерній базі. З’явилася можливість моделювання процесів, що протікають у керамічних виробах на різних стадіях випалювання. Це дозволяє отримати температурні характеристики виробів під час випалювання, які можуть бути закладені в основу визначення оптимального температурного режиму тунельної печі. Застосування комп’ютерної техніки дозволяє проводити адаптацію системи керування піччю до хімічного складу сировини та інших факторів.
Таким чином, актуальність роботи полягає у розробці комп’ютерної системи керування тунельною піччю, яка враховує параметри керамічних виробів у визначенні температури теплоносія печі. Це дозволить формувати оптимальний температурний режим тунельної печі за температурними параметрами керамічних виробів, що покращить якість продукції та зменшить собівартість виробів. Враховуючи широке застосування тунельних печей у будівельній промисловості, в роботі розглядається тунельна піч для випалювання будівельної цегли.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження комп’ютерної системи керування процесом випалювання цегли в тунельній печі, що дозволить зменшити собівартість та підвищить якість готової продукції. Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити наступні задачі:
- розробити алгоритм, який дозволяє визначати температурні параметрами виробів за параметрами тунельної печі, що контролюються;
- розробити математичну модель процесу випалювання у тунельній печі та дослідити вплив основних факторів на процес випалювання;
- розробити систему керування температурним режимом зони випалювання, що формує оптимальний температурний режим теплоносія за температурним станом цегляних виробів, та алгоритмічне забезпечення для неї.
Методи дослідження. В роботі використовуються методи математичного моделювання, чисельні методи розв’язку диференціальних рівнянь в частинних похідних. При розробці алгоритмів керування застосовані методи синтезу цифрових систем керування і методи теорії оптимізації.
Наукова новизна результатів полягає у розробці математичних моделей та алгоритмів, що використовуються в системі керування температурним режимом підзони випалювання тунельної печі. Від відомих, розроблені моделі та алгоритми відрізняються більш повним врахуванням особливостей процесу випалювання кераміки. В роботі отримані наступні наукові результати:
- запропоновано алгоритм визначення температурних параметрів кераміки, який дозволяє розраховувати температурний стан цегляних виробів під час їх руху за параметрами тунельної печі, що контролюються в масштабі реального часу;
- отримано математичну модель підзони випалювання, яка враховує теплообмін випроміненням та розподілення температур в просторі;
- проведено розробку та дослідження алгоритмічного забезпечення для системи керування температурним режимом підзони випалювання тунельної печі, яка дозволяє усунути недоліки існуючих систем керування.
Практичне значення отриманих результатів. Запропонована система керування та алгоритмічне забезпечення може застосовуватися для керування тунельною піччю та тунельною сушаркою (з незначною доробкою) на виробництві будь-яких керамічних виробів. Запропоновані алгоритми можуть бути корисними для розробників КСК високотемпературними процесами де неможливо проводити вимірювання температурних параметрів виробів під час їх руху, наприклад, в металургійній промисловості для автоматизації прохідних печей.
Результати роботи використовуються у навчальному процесі Національного технічного університету України “КПІ” факультету хімічного машинобудування кафедри автоматизації хімічних виробництв та передані на впровадження ЗАТ “Оленівський завод керамічних виробів”, що підтверджено актами використання результатів.
Особистий внесок здобувача. Особисто автору належать наступні матеріали дисертаційної роботи:
- запропоновано алгоритм визначення температурних параметрів кераміки для системи керування та досліджено вплив температури теплоносія печі на температурний стан будівельних виробів;
- отримано адекватну математичну модель підзони випалювання тунельної печі та досліджено вплив основних каналів збурення та регулювання на температурний режим підзони випалювання;
- досліджено вплив статичної нелінійності виконуючого пристрою в системі стабілізації температури газового простору підзони випалювання тунельної печі та дано рекомендації щодо її компенсації;
- розроблено супервізорну систему керування температурою кераміки в тунельній печі та проведено імітаційне моделювання системи керування.
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати досліджень роботи доповідалися та обговорювалися на: 5-й Українській конференції з автоматичного керування “Автоматика-98”, м. Київ, травень 1998 р.; Міжнародній конференції “Актуальні проблеми вимірювальної техніки” (“Вимірювання 98”), м. Київ, вересень 1998 р.; 5-й Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-99), м. Вінниця, лютий 1999 р.
Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано: 3 статі в журналі “Автоматизація виробничих процесів” НВК “Київський інститут автоматики”, стаття в журналі “Наукові вісті НТТУ КПІ” Національного технічного університету України “КПІ”.
Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, основних висновків, загальним обсягом 135 сторінок; включає 41 рисунків, 5 таблиць, додатки, список використаних джерел (148 найменувань).
Основний зміст роботи
У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета і задачі роботи. Визначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, а також відомості про апробацію та кількість публікацій за матеріалами дисертації.
У першому розділі проведено аналіз процесу випалювання виробів в тунельній печі як об’єкта керування, розглянуто фізико-хімічні основи випалювання керамічних виробів. Описано особливості технології випалювання керамічних виробів в тунельних печах на прикладі виробництва будівельної цегли. Проведено аналіз існуючих систем керування температурним режимом тунельних печей та показано їх недоліки. Сформульовано задачі дослідження для розробки КСК, яка дозволяє усунути недоліки існуючих систем керування тунельними печами.
У другому розділі вирішується задача розробки алгоритму визначення температурних параметрів кераміки. Алгоритм дозволяє розраховувати в масштабі реального часу КСК температурний стан садки будівельної цегли, яка рухається на вагонетках під час випалювання за параметрами печі, що контролюються. Проведено аналіз процесу випалювання садки цегляних виробів у газовому просторі підзони випалювання та отримано математичну модель прогріву цегляних виробів. У моделі садка цегляних виробів, що переміщається під час випалювання, розглядається у вигляді керамічної стінки з просторовим розподіленням температури TZ(x1,x2,t) за координатами x1 і x2 рис.1. Координата x1 характеризує прогрів цегляних виробів за найменшим геометричним розміром - товщиною цегли і визначає швидкість прогріву виробів, x2 враховує переміщення садки з виробами під час випалювання.
Рис.1. Розрахункова схема для моделювання теплового прогріву цегли.
Для елементарного об’єму HZ dx1 dx2 розглянуто баланс теплових потоків QZ1, QZ2, QZ3, QZ4 та отримана модель теплового прогріву керамічних виробів, що випалюються:
 (1)
Фізична суть констант, що використовуються в (1), наведена на рис.1, їх значення та деталізацію можна знайти в дисертаційні роботі. Модель теплового прогріву керамічних виробів (1) включає в себе диференціальне рівняння динаміки в частинних похідних для керамічної стінки з граничними умовами. Взаємодія димових газів з керамічними виробами в робочій частині підзони випалювання проходить за рахунок теплообміну випроміненням з приведеним коефіцієнтом  , через що граничні умови для керамічної стінки описуються нелінійними залежностями.
Щоб отримати алгоритм визначення температурних параметрів кераміки для КСК, неперервну математичну модель теплового прогріву керамічних виробів (1) представлено в дискретному вигляді, оскільки КСК є цифровою і оперує з дискретними величинами. Для дискретизації моделі (1), її неперервні координати записано в дискретному вигляді, а похідні замінено скінченними різницями:
 (2)
тут  - поточні номери кроку дискретизації та величини кроку дискретизації по координатам  відповідно. Система рівнянь (2) представляє рекурентний алгоритм визначення температурних параметрів кераміки.
Із (2) видно, що для розрахунку температурних параметрів керамічних виробів під час їх переміщення в підзоні випалювання необхідно мати значення температури газового простору в даній підзоні випалювання Tg[k+1], значення температурного поля керамічних виробів у попередній підзоні випалювання TZ*[S1,NZ,k+1], швидкість руху садки з цеглою WZ та приведений коефіцієнт тепловіддачі  . Дані параметри безпосередньо контролюються (Tg[k+1], WZ ), або аналітично розраховуються (TZ*[S1,NZ,k+1],  ).
У розділі наведено результати експериментального дослідження температурного режиму підзони випалювання із застосуванням методу часових характеристик. Експериментальне дослідження проведено для 5-ї підзони випалювання тунельної печі конструкції інституту Украгропроектбудіндустрія, яка використовується для випалювання будівельної цегли ЗАТ “Оленівський завод керамічних виробів”. За результатами експерименту розраховані необхідні параметри, а завдяки цьому і коефіцієнти для алгоритму.
Робота наведеного алгоритму імітувалася на ЕОМ. Дослідження показали, що зміна температури в газовому просторі підзони випалювання найбільше впливає на температурний профіль за товщиною керамічної стінки на виході з підзони випалювання. Результати роботи алгоритму визначення температурних параметрів кераміки порівнювалися з експериментальними даними. Отримано задовільне збігання розрахованих та експериментальних значень температури садки цегляних виробів.
У даному розділі розглянуто алгоритм розв’язку нелінійних граничних умов з застосуванням методу “половинного” перетину, який дозволяє розв’язувати нелінійні залежності що використовуються в (2).
Третій розділ присвячений моделюванню процесу випалювання цегли в тунельній печі. На основі аналізу процесу випалювання цегли в тунельній печі отримана математична модель температурного режиму підзони випалювання як типової ланки для тунельної печі, виходячи з того, що витрата природного газу на групі пальників кожної підзони випалювання підтримується власним контуром керування і кожна підзона випалювання виступає як окремий об’єкт керування. Розрахункова схема для моделювання теплового режиму в підзоні випалювання представлена на рис.2.
Рис.2. Розрахункова схема для моделювання теплового режиму в підзоні випалювання; а) - для газового простору, б) - для садки цегляних виробів, в) - для теплоізолюючої стінки.
Математичну модель підзони випалювання зведено до трьох основних динамічних елементів з наступними припущеннями:
- газовий простір підзони випалювання розглядається як зосереджена акумулююча ємкість з температурою Tg(t), так як у газовому просторі проходить енергійне перемішування димових газів з примусовою циркуляцією рис.2, а);
- садка цегляних виробів розглядається як керамічна стінка з просторовим розподіленням температури TZ(x1,x2,t) за координатами x1 і x2 рис.2, б); координата x1 характеризує прогрів цегляних виробів за найменшим геометричним розміром - товщиною цегли і визначає швидкість прогріву виробів; x2 враховує переміщення садки з виробами під час випалювання;
- пічна теплоізолююча стінка, враховуючи поступову зміну температури стінки за товщиною, розглядається як елемент з просторовим розподіленням температури Tm(x3,t) вздовж координати x3 рис.2, в).
Розглянувши баланс теплових потоків Qb, Qм, QZ, Qry, Qrx, QZ1 - QZ4, QM1, QM2 для кожного динамічного елементу, отримана модель теплового режиму підзони випалювання:
 (3)
Фізична суть констант, що використовуються в (3), наведена на рис.2, їх значення та деталізацію можна знайти в дисертаційні роботі. Модель температурного режиму підзони випалювання (3) включає в себе рівняння динаміки для газового простору, керамічної та пічної стінок з граничними умовами для двох останніх динамічних елементів. Взаємодія димових газів у робочій частині підзони випалювання проходить за рахунок теплообміну випроміненням з приведеними коефіцієнтами  для керамічної та теплоїзолюючої стінок відповідно, через що граничні умови для даних елементів описуються нелінійними залежностями.
Для дослідження температурного режиму підзони випалювання на ЕОМ і використання її в рамках КСК розроблений дискретний аналог математичної моделі (3), в якому неперервні координати записані в дискретній формі, похідні змінних параметрів замінені скінченними різницями, а інтеграли - сумами:
 (4)
тут  - поточні номери кроку дискретизації та величини кроку дискретизації за координатами  відповідно. Коефіцієнти a11-a15 дискретної моделі (2) залежать від температур динамічних елементів моделі, тобто для розрахунку на ЕОМ температурного режиму підзони випалювання на наступному кроці дискретного часу k+1 за відомим температурним режимом на даному кроці, необхідно перерахувати коефіцієнти a11-a15. Розрахунок коефіцієнтів a11-a15 на кожному кроці дискретного часу дозволяє збільшити крок дискретизації часу  . Нелінійні граничні умови розв’язуються методом “половинного” перетину.
Дослідження температурного режиму підзони випалювання за основними каналами збурення та регулювання показали, що найбільші збурення на температурний режим підзони випалювання вносить температура димових газів Trx(t) з наступної підзони випалювання та температурний стан керамічних виробів TZ*(x1,L,t) з попередньої підзони випалювання відносно руху садки з виробами.
Проведена перевірка моделі температурного режиму підзони випалювання на адекватність.
У розділі наведено методику отримання частотних характеристик температурного режиму підзони випалювання та отримано АФХ і АЧХ підзони випалювання по каналу регулювання.
У четвертому розділі розглянута система керування температурним режимом підзони випалювання, яка є типовою ланкою для системи керування зоною випалювання тунельної печі. Із проведеного аналізу діючих систем керування можна зробити висновок, що в існуючих системах керування не враховується температурний стан керамічних виробів при формуванні температури газового простору підзони випалювання. Відсутність контролю цього параметру приводить до погіршення якості керамічних виробів, внаслідок зміни температурного режиму виробів в результаті температурних збурень в попередніх підзонах випалювання, зміни хімічного складу глини і т.д. Щоб усунути недоліки діючих систем керування температурним режимом підзони випалювання запропонована супервізорна система керування рис.3. Система керування містить контур стабілізації температури газового простору та контур керування температурою кераміки.
Рис.3. Структурна схема системи керування температурним режимом підзони випалювання.
Для системи керування розглянуті методи компенсації статичної нелінійності витратної характеристики виконуючого пристрою. Дано рекомендації щодо компенсації статичної нелінійності клапану витрати палива підзони випалювання.
Дослідження контура стабілізації температури газового простору показали цілком задовільну якість підтримки температури теплоносія Tg(t) в газовому просторі підзони випалювання. Регулятор температури газового простору добре відпрацьовує завдання Tgo(t) по каналам регулювання та збурення, компенсує статичну нелінійність виконуючого пристрою шляхом зміни витрати природного газу Gb(t).
У розділі обгрунтовано вибір визначальних точок керамічної стінки TZ(x1,L,t), що характеризують термомеханічний стан виробів під час випалювання. Для керамічних виробів, температура яких визначається системою диференціальних рівнянь (1), отримані необхідні умови оптимального керування температурою керамічних виробів, використовуючи варіаційний метод (отримана система рівнянь із застосуванням спряженої змінної  з граничними умовами):
 (5)
Розроблено алгоритм керування температурою керамічних виробів TZ(x1,x2,t), який дозволяє отримати оптимальний температурний режим теплоносія в підзоні випалювання, що мінімізує середньоквадратичне відхилення температури критичних точок керамічної стінки TZ(x1,L,t), від заданого:  ; (6)
за наявністю обмежень на керування:  ;
тут T(x1) - необхідне розподілення температурного профілю керамічної стінки на виході з підзони випалювання (визначається технологією випалювання для конкретної підзони випалювання); tf - час перехідного процесу; Tgmin, Tgmax - мінімальна та максимальна температура газового простору підзони випалювання відповідно (визначається при мінімальній та максимальній витраті природного газу, що йде на спалювання у підзоні випалювання). Щоб врахувати нелінійні граничні умови для стабілізації температури критичних точок керамічної стінки (1) в алгоритмі керування температурою кераміки використаний метод градієнту. Отриманий дискретний аналог системи рівнянь (6) для спряженої змінної, що використовується в алгоритмі:
 (7)
Схема алгоритму керування температурою кераміки з застосуванням градієнтного методу представлена на рис.4. Алгоритм керування температурою кераміки реалізується за такою послідовністю дій:
- В момент технологічного пуску тунельної печі в КСК закладаються дані та розраховуються константи, які потрібні для функціонування алгоритму (блок 1).
- Вимірюється температура газового простору підзони випалювання Tg’[k] (блок 2).
- Розв’язується система рівнянь (1) на N кроків дискретного часу вперед з моменту вимірювання температури Tg’[k] (визначається траєкторія температурного поля керамічної стінки TZ[S1,S2,k] на N кроків вперед) та визначається значення для критерію:
 . В оперативній пам’яті (ОП) КСК запам’ятовується значення траєкторій температур TО[S2,k]=TZ[0,S2,k], TL[S1,k]=TZ[S1,NL,k] (блок 3 - 5, 8).
- Використовуючи значення температур TZ[0,S2,k] і TZ[S1,NL,k], що запам’ятовані в ОП КСК (TО[S2,k], TL[S1,k]), розв’язується дискретна система спряжених рівнянь (7) у зворотному часі та визначаються спряжені змінні
 (блок 6, 9, 15).
- Розраховується варіація керування температурою газового простору підзони випалювання за формулою:
 (блок 7).
- Розраховується керування температурою газового простору підзони випалювання:
 (блок 10).
- Проводиться діагностування сигналу керування
 в області допустимого керування та приймається необхідне рішення (блок 11-14).
- Переходимо до пункту 3, якщо значення критерію І>Iзад (блок16).
| 
