Содержание к диссертации
стр.
Введение 6
Глава I. Уровень автоматизации гидротермообработки
фанерного сырья и постановка вопросов
исследования 13
Значение участка гидротермообработки древесины в производстве фанеры . . . . . .13
Анализ существующих бассейнов гидротермообработки древесины . ZZ
Сущность автоматизации управления участком гидротермообработки древесины и анализ существующих систем ... 40
Выбор направления разработки систем управления гидротермообработкой древесины .... 47
Постановка вопросов исследования и научных разработок 60
1.6. Выводы 62
Глава 2. Теоретические исследования бассейна гидротермо
обработки фанерного сырья 6
2.1. Исследование и разработка математической
модели бассейна как объекта управления ... 63
Внешние параметры бассейна как объекта управления 64
Математическое моделирование источника тепла . 65
Математическое моделирование воды
в бассейне 66
2.1.4. Математическое моделирование потерь
тепла через поверхность бассейна. . .67
2.1.5. Математическое моделирование потерь
тепла через ограждение бассейна .... 82.
2.2. Математическое моделирование фанерного
сырья. . 34-
Исследование особенностей теплового баланса бассейна при его моделировании 103
Выводы по результатам теоретических исследований 109
Глава 3. Идентификация математических моделей бассейна
гидротермообработки древесины 114-
Выбор метода идентификации \\h
Оценка качества идентификации 121
Планирование эксперимента идентификации. . . . 126
Экспериментальное исследование бассейна
как объекта управления 134
Идентификация математических моделей по результатам экспериментов, . 153
Описание программы идентификации 158
3.7. Выводы по результатам идентификации. ..... 163
Глава 4, Синтез системы оптимального управления бассей
ном І69
Постановка задачи синтеза І63
Определение критериев оптимальности управления. ....... . . 174
Синтез законов оптимального управления бассейном. . 175
Разработка системы оптимального управления бассейном. "/95
Выводы по результатам синтеза. ........ 210
Глава 5. Технико-экономическое исследование системы оптималь-ного управления процессом гидротермообработки фанерного сырья ........ ............ . аіг
5.1. Исследование надежности системы Z1Z
5,1*1. Постановка задачи оценки надежности. 2.12.
Расчет надежности нерезервированной системы Z\k
Расчет надежности подсистемы опроса информации с частичным резервированием . . 2.19
Расчет надежности подсистемы управления с частичным резервированием. .... 22.2
5.2. Исследование экономической эффективности от
внедрения системы 222
Исходные данные для оценки экономической эффективности ..... 225
Экономическая эффективность от внедрения системы в производство . 26
Заключение 232
Список литературы . 236
Приложение: I. Принятые обозначения . .247
Вывод изображения по Лапласу безразмерных температур 0о и бг 256
Описание программ расчета температурного поля системы грунт-ограждение с использованием
ЭВМ ЕС , . 259
4. Оценка границ многомерного пространства ис
ходных данных 268
5» Описание программных модулей прогрева фанер
ного сырья . 277
Физические параметры сухого воздуха при давлении Рб - Г0ІО8О Па (760 мм рт.ст.) . . . 2^
Физические свойства влажного воздуха при давлении Рб = ЮІ080 Па (760 мм,рт.ст.) . . . 2.3Z
Теплофизические коэффициенты ограждения и грунта 295
Акт исследования бассейна Череповецкого
ФМК 296
Акт исследования бассейна Любанского ЛДОКа. . 303
Программа итерационной процедуры идентификации бассейна ЗШ
Программа выбора микро-ЭВМ для АСУТП участка подготовки фанерного сырья 312
Программа расчета времени прогрева фанерного сырья в бассейнах гидротермообработки . . . .318
Акты и справки внедрения системы 330
Введение к работе
ХХУІ съезд Коммунистической партии Советского Союза в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" ясно определил и сформулировал основные задачи и главные показатели развития лесной, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности нашей страны. В частности, в течение XI пятилетки требуется "...увеличить объем выпуска продукции на 17-19 процентов", "...создать и осво«* ить новые технологические процессы и материалы...", "повысить производительность труда на І6-І8 процентов" [ I ] . Съезд принял решение "усилить режим экономии на производстве, в сфере обслуживания и в управлении. Разработать и осуществить меры по устранению потерь в промышленности, строительстве, на транспорте, в сельском хозяйстве и других отраслях" [I ] *
Успех выполнения намеченной экономической политики во многом зависит от того, насколько твердо и последовательно она будет проводиться в жизнь во всех без исключения отраслях промышленности. Безусловно, это относится и к деревообрабатывающей промышленности, требующей на данном этапе дальнейшего улучшения структуры производства, повышения эффективности использования сырья, улучшения качества продукции и снижения энергетических затрат на единицу продукции.
Решение этих задач возможно только при комплексном подходе к механизации и автоматизации технологических процессов с оптимизацией технологических параметров и использованием современных методов управления, регулирования, контроля и учета на базе современной вычислительной техники. Поиск путей эффективного решения указанных задач и само достижение решения возможны лишь на основе достаточно точных и строгих, научно обоснованных расчетов
поведения системы управления и оборудования, участвующего в реализации заданного технологического процесса.
Гидротермообработка фанерного сырья является технологической операцией, которая предшествует процессу лущения шпона. Она существенно влияет на качество лущеного шпона и на нормы расхода фанерного сырья при производстве фанеры. Несоблюдение здесь регламентируемого технологического режима приводит к перерасходу топливно-энергетических затрат на единицу продукции и некачественно* му прогреву древесины. При этом недогрев древесины ведет к появлению при ее разлущивании сколов и трещинам на шпоне. Перегрев - к снижению качества шпона за счет увеличения ворсистости и перерасходу фанерного сырья из-за проворачивания чураков в шпинделях лущильного станка. Без средств автоматизации невозможно строгое соблюдение режима прогрева древесины. Это связано с необходимостью контроля и регулирования различных теплофизических параметров технологического процесса гидротермообработки фанерного сырья одновременно во многих секциях бассейна. Фанерная промышленность в настоящее время не имеет систем автоматического управления данным процессом. Это приводит к значительным тепловым потерям на данном участке, снижению качества прогрева древесины и ухудшению обслуживания технологического оборудования при работе в зоне с горячей водой и перегретым паром.
Настоящая работа направлена на создание систем оптимального управления технологическим процессом гидротермообработки фанерного сырья. С этой целью в работе проводится исследование и создание математических моделей тепловых процессов гидротермообработки фанерного сырья» их идентификация реальным объектам, синтез автоматизированного управления бассейнами и разработка систем, способных обеспечить эффективное ведение технологического процесса с оптими-
зацией управления бассейнами, минимизацией времени прогрева, тепловых потерь и повышением качества прогрева древесины, а так же-улучшение условий труда и обеспечение безопасности при работе в зоне с горячей водой и перегретым паром.
Структурно диссертация состоит из пяти глав и общих выводов по всей работе.
В 1*45 главе на основе анализа существующих бассейнов и систем управления выявляется сущность автоматизации технологического процесса гидротермообработки фанерного сырья, определяются пути совершенствования управления этим процессом и предлагается структурная схема АСУТП участка гидротермообработки древесины. Разработку и внедрение системы в производство предложено осуществлять в два этапа. На 1-м этапе разрабатывается и внедряется САР, построенная на базе приборов ГСП, а на 2-м - система автоматического управления (САУ)# использующая периферийные устройства и линии связи САР. Такой подход позволяет значительно ускорить внедрение средств автоматики на предприятиях и обеспечивает качественное проведение исследований существующих бассейнов.
По результатам анализа, выполненного в 1-й главе диссертации, была сформулирована указанная выше цель диссертационной работы и поставлены задачи, направленные на осуществление этой цели.
Во 2-й главе, на основе теоретических исследований бассейна, предлагаются эффективные методы и разрабатываются алгоритмы машинных расчетов поведения фанерного сырья при его гидротермообработке, распределения температурных полей и времени прогрева древесины, температурного поля системы грунт-ограждение, интегральной оценки теплоизолирующих свойств ограждения, создаются математические модели тепловых процессов прогрева древесины и бассейнов для гидротермообработки фанерного сырья. При этом фанерное
сырье рассматривается как анизотропный цилиндр конечных размеров, образованный пересечением бесконечного цилиндра с диаметром» равным диаметру сырья, и бесконечной пластины с толщиной, равной толщине сырья. Теплообмен древесины с водой рассмотрен как происходящий при граничных условиях 3-го ряда.
Оценка границ многомерного пространства исходных данных позволила перейти к решению уравнения теплопроводности при граничных условиях 1-го рода. При этих условиях найдено выражение для определения времени прогрева древесины до заданной температуры и разработаны программные модули на алгоритмическом языке Фортран для древесины хвойных и лиственных пород.
Исходя из задачи синтеза САР процессом гидротермообработки фанерного сырья и опираясь на качественное описание прогрева как процесса заполнения тепловой энергией теплоемкости древесины, произведено описание прогреваемого сырья дифференциальным уравнением 1-го и 2-го порядка. Показано, что точность математического моделирования зависит от точности определения коэффициента теплопередачи вода-древесина и от правильного расчета распределения темпе*-ратуры внутри древесины в процессе ее прогрева.
При исследовании влияния тепловых потерь бассейна, рассмотрено поведение системы, состоящей из двух твердых тел: неограниченной пластины (аналог дна и стенок бассейна), лежащей на полубесконечном теле (аналог земляного грунта). На свободной поверхности пластины налагается граничное условие 3-го рода: температура воды в бассейне и закон Ньютона-Рихмана, описывающий теплообмен между ограждением бассейна и водой. Математическая постановка такой задачи сведена к заданию двух уравнений теплопроводности, которые в безразмерном виде описывают температурные поля бассейна и грунта, используя для решения данной системы метод численного обращения пре-
образования Лапласа, получены изображения безразмерных температур ограждения и грунта, плотности теплового потока от воды в ограждение и из ограждения в грунт и выражение для интегральной оценки теплоизолирующих свойств ограждения и разработаны соответствующие алгоритмы и Фортран-программы.
Учитывая, что при построении математических моделей на основе изучения теплофизических процессов, протекающих при гидротермообработке фанерного сырья, не могут быть определены параметры, характеризующие конкретный объект автоматизации, необходима их оценка на основе экспериментальных исследований путем идентификации математических моделей и реальных объектов.
В 3«й главе, с целью определения адекватности полученных математических моделей и реального объекта, проводится их идентификация. На основе анализа существующих методов идентификации выбран итерационный метод, минимизирующий средний квадрат отклонения реального объекта и модели, построенной по результатам идентификации. Функции чувствительности получены решением дифференциальных уравнений, а весовые функции - с помощью аналоговых моделей. Решение задачи оценки параметров сведено к итерационной последовательности действий. Идентификация выполнена на основе проведенных на действующих предприятиях активного и пассивного экспериментов с помощью разработанных систем автоматического регулирования (САРГ); Снимались характеристики реакции температуры воды в бассейне на скачки расхода пара, подаваемого в бассейн. Решение задачи идентификации выполнялось на ЭВМ в режиме диалога оператор-машина.
Проведенная идентификация показала хорошую сходимость теоретических моделей бассейна гидротермообработки фанерного сырья с экспериментальными данными реальных объектов, что позволило судить об адекватности математических моделей бассейна рассматриваемому объекту.
В *K4i главе на основе результатов выполненных исследований и идентификации произведен синтез системы оптимального управления бассейном. Для разработки алгоритмов управления выделены 4-е режима работы бассейна: начальный нагрев воды в бассейне без сырья; повторный нагрев воды после выгрузки сырья; вывод бассейна е сырьем на рабочий режим; прогрев древесины. Показано, что процесс изменения температуры воды в этих режимах описывается линейными дифференциальными уравнениями, где возмущающие воздействия зависят от температуры воздуха и грунта, а параметры уравнения полностью определяются размерами бассейна и ограждения, теплофизическими свойствами воды, грунта, древесины, материала ограждения и оборудования бассейна. Синтез оптимального управления бассейном осуществлен на основе принципа максимума Л.С.Понтрягина. Показано, что режим I и 2 характеризуется 4-я стратегиями управления бассейном, а в режимах 3 и 4 управление является двухпозиционным* Реализация управления в режимах I и 2 состоит в выборе стратегии и ее использовании, в режиме-3 - в постоянном включении подачи пара, если есть такая необходимость, а в режиме 4 - в поочередном включении и выключении подачи пара. Реализация предложенного управления выполнена на базе микро-ЭВМ вЭлектроника-60" и І5ВСМ-5 путем соответствующей замены регулирующего прибора в системах САРГ.
Исследование надежности системы, выполненное в 5-й главе, показало, что частичное резервирование значительно увеличивает наработку системы на отказ, практически не изменяя время восстановления отказавших блоков. Годовой экономический эффект в зависимости от мощности предприятия и его особенностей составляет от ЗСХ до 400 тыс.рублей.
По результатам работы сделаны общие выводы.
Список литературы содержит 108 наименований работ, в том числе
12 работ зарубежных авторов.
В приложении представлены наиболее часто встречающиеся в диссертации принятые обозначения, выводы отдельных формул, описания алгоритмов, программных модулей, тексты программ, различные справочные таблицы, используемые при расчетах, а также справки и акты о внедрении систем автоматического управления гидротермообработкой фанерного сырья на предприятиях.
