Автоматизированная система управления процессом обжига керамического кирпича на основе многомерного логического регулятора Сабанчин Венер Ришатович

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из государственных программ Российской Федерации на 2015-2020 годы является «Обеспечение доступным жильем граждан Российской Федерации». Цель программы – повышение доступности и качества жилищного обеспечения населения, что привело к росту спроса и объему производства строительных материалов. Одним из основных строительных материалов для возведения жилых домов, зданий, сооружений является керамический кирпич, поэтому для достижения цели программы необходимо увеличить производство и качество кирпичей.

Проведенный анализ показал, что, как правило, технологии производства керамического кирпича остаются неизменными десятки лет, а применяемое при этом оборудование обладает достаточным ресурсом. Вместе с тем используемые автоматизированные системы управления (АСУ), предполагающие участие человека-оператора, устарели и не обеспечивают строгого соблюдения и требуемых технологических режимов.

Наиболее энергоемким и трудоемким процессом при производстве кирпича является обжиг, так как при этом формируются свойства кирпича, регламентирующие качество получаемого продукта. На процесс обжига приходится наибольшее количество брака (три и более процента от общего количества выпускаемых изделий). Для предприятия при объеме выпуска кирпича 50 – 51 млн. шт./год потери составляют порядка 1,5 – 1,75 млн. шт./год. Производственные участки термической обработки керамического кирпича обладают высокой энергоемкостью, что обуславливает значительные экономические затраты на обжиг (например, в туннельной печи расход газовоздушной смеси составляет около 30000 м³/сут. на 138 тыс. штук/сут. кирпичей). Поэтому снижение энергозатрат является одной из важных задач при производстве строительных материалов.

В качестве технологического оборудования для термической обработки кирпича в стране в основном применяются туннельные печи, доля которых составляет свыше 60 %. Преимуществом туннельных печей является высокая производительность керамических кирпичей, благодаря высокой степени автоматизации.

Теоретические и прикладные аспекты по обжигу керамических изделий в туннельных печах исследовали российские и зарубежные ученые, такие как С.И. Деликишкин, Н.Н. Доброхотов, Р. Зигель, М.Г. Лундина, К.А. Нохратян, А.В. Рылко, И.М. Семенюк, Дж. Хауэлл, Е.Ш. Шайнман и др. Автоматизации технологических процессов производства строительных изделий, разработке методов управления технологическими объектами, повышению эффективности производства посвящены работы О.Б. Гольцовой, Е.А. Муравьевой, Д.В. Раку-тиной, Т.В. Сазоновой, С.В. Хавер, А.Н. Хусаинова и др.

Однако в этих работах, связанных с проблемой обжига керамического кирпича, исследования проводились недостаточно полно, до сих пор остаются непроработанными вопросы, связанные с взаимовлиянием основных регулиру-

емых параметров (давление, разрежение, расход и температура) на характеристики туннельной печи как объекта автоматического управления.

Таким образом, для построения современной АСУ процессом обжига, обеспечивающей минимальное количество брака, необходимо разработать математические модели и алгоритмы управления технологическим процессом, позволяющие обеспечить строгое соблюдение значений регулируемых параметров.

Представленная работа соответствует направлению госбюджетной НИР «Анализ и синтез информационных и технических систем» (№ 01200902662).

Объект исследования - процесс обжига керамического кирпича.

Предмет исследования - модели и алгоритмы управления процессом обжига керамического кирпича.

Цель работы – повышение эффективности технологического процесса обжига керамического кирпича путем разработки АСУ на основе многомерного четкого логического регулятора.

Задачи исследования:

1. провести сравнительный анализ действующих АСУ процессом обжига кирпича в туннельных печах;

2. разработать математические модели процесса обжига керамического кирпича в туннельной печи как объекта автоматического управления (АУ) с учетом расходов газовоздушной смеси, дымовых и нагретых газов;

3. провести численные эксперименты по исследованию влияния давления и расхода газовоздушной смеси, разряжения, расхода нагретого и дымовых газов на характеристики процесса обжига кирпича в туннельной печи;

4. разработать алгоритмы управления процессом обжига кирпича;

5. выполнить экспериментальные исследования процесса обжига керамического кирпича в туннельной печи для проверки адекватности разработанных моделей.

Методы исследования: теория автоматического управления, преобразование Лапласа, теория дифференциальных уравнений, теория интеллектуальных систем управления на основе многомерных четких регуляторов.

Научная новизна:

1. разработаны математические модели процесса обжига керамического кирпича в туннельной печи как объекта АУ, отличающиеся тем, что в них учитывается давление, расход газовоздушной смеси, разрежение, расход дымовых и нагретых газов;

2. выявлены закономерности влияния основных регулируемых параметров (давление, разрежение, расход) на характеристики туннельной печи (коэффициент самовыравнивания, постоянная времени и др.) как объекта АУ;

3. сформирован алгоритм цифрового управления процессом обжига керамического кирпича по давлению газовоздушной смеси в туннельной печи, при помощи которого решается задача минимизации погрешности регулирования температуры в зоне обжига.

Практическая ценность результатов работы:

– реализован алгоритм управления процессом обжига керамического кирпича с применением семимерного четкого регулятора с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования и специальной системой продукционных правил;

– модернизирована конструкция исполнительных механизмов системы управления туннельной печи-сушилки за счет того, что в трубопроводе перед вентилятором отбора дымовых газов установлена поворотная заслонка, с помощью которой периодически изменяется разрежение в зонах обжига и подготовки туннельной печи-сушилки;

– реализованы алгоритмы и программы управления процессом обжига керамического кирпича в туннельной печи, учитывающие основные регулируемые параметры;

– сформирована функциональная схема автоматизации туннельной печи, обеспечивающая контроль и регулирование основных параметров;

– средствами SCADA-системы разработана система управления процессом обжига керамического кирпича в туннельной печи.

Использование результатов работы. Результаты диссертационной работы приняты к внедрению:

– в ООО «Стерлитамакский кирпичный завод» (г. Стерлитамак);

– в учебный процесс Оренбургского государственного университета.

Соответствие паспорту заявленной специальности. Тема и содержание диссертационной работы соответствуют паспорту специальности 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность), а именно: п.1 Автоматизация производства заготовок, изготовления деталей и сборки; п.5 Теоретические основы, средства и методы промышленной технологии создания АСУТП, АСУП, АСТПП и др.; п. 15 Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.).

Основные положения, выносимые на защиту:

1) математические модели процесса обжига керамического кирпича в
туннельной печи как объекта АУ, отличающиеся тем, что они учитывают давле
ние и расход газовоздушной смеси, разрежение и расход дымовых и нагретых
газов;

2. результаты исследования влияния основных регулируемых параметров на характеристики туннельной печи как объекта АУ, включающие давление, расход газовоздушной смеси, разрежение, расход дымовых и нагретых газов;

3. алгоритм управления процессом обжига с применением семимерного четкого регулятора с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования и специальной системой продукционных правил;

4. алгоритм управления процессом обжига керамического кирпича по давлению газовоздушной смеси, учитывающий влияние основных регулируемых параметров на процесс обжига.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования обсуждались и докладывались на всероссийской научно-практической конференции «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность» (Стерлитамак, 2013 г.); международной научно-практической конференции «Инновационное развитие современной науки», (Уфа, 2014 г.); научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи как инновационный ресурс современного общества» (Кумертау, 2013 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Наука. Образование. Производство» (Кумертау, 2014 г.); Всероссийской научно-методической конференции «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры» (Оренбург, 2016 г.); I международной научно-технической конференции «Автоматизация, энерго- и ресурсосбережение в промышленном производстве» (Уфа, 2016 г.); II международной научно-технической конференции «Автоматизация, энерго- и ресурсосбережение в промышленном производстве» (Казань, 2017 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе: 4 статьи в журналах, включенных в «Перечень …» ВАК; патент на изобретение; свидетельство на регистрацию программы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (101 наименование), приложений и содержит 166 страниц текста, 91 рисунок, 8 таблиц, 7 страниц приложений.