Введение к работе
Актуальность темы. Проблема автоматизированного управления процессами сушки капиллярно-пористых материалов (КПМ) касается многих отраслей и активно разрабатывается как в нашей стране, так и за рубежом, однако решение многих задач в этой области по-прежнему остается актуальным. В первую очередь, это относится к КПМ, сушка которых осуществляется в процессе их перемещения с входа на выход сушильного агрегата (макароны, печенье, керамика, полимеры, кальцит и т.д.). Здесь наряду с основными параметрами (температура и влажность окружающего воздуха, температура и влажность высушиваемого изделия) важное значение приобретает параметр длительности мертвого транспортного запаздывания (ТРЗ), который во многих технологических процессах (металлургия, нефтехимические процессы, производство бараночно-сушечных изделий и т.д.) связан с невозможностью регулятора вернуть процесс регулирования назад и соответственно с невозможностью исправить брак готовой продукции. Качество готового изделия после сушки КПМ определяется многими параметрами. Один из самых важных – влажность самого изделия, измерять и контролировать которую в процессе сушки крайне затруднительно. Например, в макаронном производстве (изделия из КПМ пищевого назначения) отсутствие контроля влажности изделия в процессе сушки и наличие мертвого ТРЗ по исследованиям Тинякова С.Е. предопределяет большой процент брака готовых изделий (от 1 до 20 % ), а время сушки составляет более 5 часов.
Особый класс изделий из КПМ пищевого назначения представляют бараночно-сушечные изделия (БСИ), в котором время сушки от момента формирования сырых изделий до конца выпечки занимает не более одного часа, обеспечивая высокую производительность за счет автоматизированной поточной линии, где широко используется пар и соответственно парогенераторы, причем преимущественно электрические электродные (ЭЭП). Основные их преимущества заключаются в том, что они не подлежат госнадзору, экологичны и безопасны, время разгона не превышает 10 минут, что особенно важно для малых предприятий этого профиля. ЭЭП выпускаются с системами управления, регулирующими потребляемую мощность или давление пара на выходе путем изменения уровня подаваемой воды, однако при использовании в объектах промышленного назначения требуется дополнительная подстройка параметров пара под требования потребителя, у которого, как правило, параметры изделия изменяются случайным образом. Эта часть в ЭЭП не решается. Другим недостатком ЭЭП является то, что на датчиках уровня любой физической структуры образуется налет из солей, содержащихся в воде и ее парах, приводящий к медленному изменению параметров датчиков уровня, что приводит систему управления параметрами пара у потребителя в неустойчивое состояние (например, систему управления температурой пара в камере ошпаривания при производстве БСИ, когда температура выходит из заданного допуска, в результате чего образуется невозвратный брак изделий, который из-за постепенно нарастающей потери устойчивости системы управления обнаруживается только спустя целую рабочую смену). Налет на датчиках уровня и накипь в ЭЭП существенно влияют на время межремонтного и профилактического обслуживания (по данным ООО “Воплощение» через каждые две недели работы ЭЭП с известными датчиками уровня необходимо останавливать поточную линию и не менее суток размонтировать котел, удалять накипь, заменять датчики уровня на новые, а затем снова монтировать, соблюдая тонкие моменты сборки, завинчивание гаек, установки прокладок и т.п.).
Всё вышеприведенное позволяет констатировать, что для оптимального управления параметрами пара у потребителя, осуществляющего сушку КПМ на поточных линиях, в частности в КО в поточной линии производства БСИ, требуются новые алгоритмы управления и, во-вторых, необходимо исключить (уменьшить) влияние накипи на устойчивость системы управления уровнем воды в ЭЭП.
Объектом исследования в настоящей работе являются технологические процессы сушки изделий из капиллярно-пористых материалов пищевого назначения на основе паровоздушных смесей.
Предмет исследования: алгоритмы, модели и средства управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания поточной линии производства БСИ.
Целью настоящего исследования является повышение качества управления температурой паровоздушной смеси, сокращение брака, трудоемкости и сроков ремонтно–профилактических работ в поточном производстве изделий из КПМ
Для реализации указанной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
- проведение системного анализа процессов сушки изделий из КПМ пищевого назначения;
- разработка нового подхода к управлению температурой паровоздушной смеси в комплексах сушки изделий из КПМ со встроенными ЭЭП;
- разработка и исследование косвенного метода контроля уровня воды в ЭЭП;
- разработка алгоритма управления подачи воды в ЭЭП на основе косвенного метода контроля уровня;
- разработка системы и алгоритмов управления температурой паровоздушной смеси в камере ошпаривания с использованием моделей регрессионного анализа и оптимизации целевой функции квадратичного программирования;
- разработка методики оценки качества функционирования поточной линии производства БСИ с СУ парообразованием на основе разработанных алгоритмов управления;
- разработка методик проведения экспериментального исследования СУ и проведение экспериментальных исследований СУ в производственных условиях.
Методы средства исследования. В ходе исследования были использованы методы вероятностного, численного, корреляционного и регрессионного анализа, матричного решения дифференциальных уравнений, методы системного анализа, математической статистики и теории нечетких множеств, методы измерения электрических величин и теории регулирования с обратными связями.
Научная новизна заключается в следующем:
- предложен новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП или упреждающую нечеткую модель, связывающую температуру пара в объекте сушки, давление пара на выходе ЭЭП и уровень подаваемой воды в ЭЭП, а ведомый алгоритм включает модель зависимости тока электродов от уровня (объема) воды в ЭЭП, причем последовательность работы алгоритмов регламентируется регулятором управления уровнем воды в ЭЭП;
-установлена экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;
- разработан алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;
- разработаны способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ), основанные на циклическом включении – выключении клапана подачи воды по алгоритму управления с заданной уставкой тока, протекающего через электроды, соответствующей заданному уровню, при заданной температуре пара в камере ошпаривания, и вводом новой уставки в указанный алгоритм при выходе из заданного температурного допуска;
- разработаны методики экспериментальных исследований и определения параметров ведущего и ведомого алгоритмов управления процессом парообразования в ЭЭП в составе поточной линии производства БСИ;
- разработана методика оценки качества поточной линии по производству изделий из КПМ, основанная на теории квалиметрии с использованием аддитивного метода объединения относительных разнородных показателей качества единичных свойств системы в обобщенный показатель качества, отличающийся минимизацией целевой функции обобщенного показателя качества и использованием весовых коэффициентов и экспертных оценок для определения значимости единичных свойств СУ.
Практическую ценность работы составляют:
- разработанный способ и система управления температурой пара на объекте сушки, позволяющие поддерживать заданный режим температуры пара в камере ошпаривания продолжительное время без остановки на ремонт поточной линии при заданном качестве изделий на выходе (заявка № 2010140757/06 от 05.10.2010 г. на изобретение;
- алгоритм управления подачей воды в ЭЭП, включающий модель экспериментальной зависимости протекающего через электроды тока от уровня (объема) воды в ЭЭП, что позволяет обходиться без датчиков уровня в системе регулирования подачи воды в ЭЭП (патент на полезную модель «Электрический парогенератор № 100182, опубл. 10.12.2010 г. Бюл. № 34).
- методики экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
- новый подход к управлению температурой паровоздушной смеси, подаваемой к объекту сушки от ЭЭП, заключающийся в формировании двух взаимосвязанных алгоритмов управления по принципу ведущий-ведомый, при этом ведущий включает модель текущего регрессионного анализа температуры пара в объекте сушки и уровня (объема) воды в ЭЭП;
- экспериментальная зависимость тока, протекающего через электроды, от уровня воды в парогенераторе, на основе которой разработан ведомый алгоритм управления подачей воды в ЭЭП;
- алгоритм управления температурой паровоздушной смеси на объекте сушки, включающий упомянутую модель регрессионного анализа и оптимизатор целевой функции задачи квадратичного программирования, решаемой с помощью неопределенных множителей Лагранжа;
- способ и система управления температурой пара на объекте сушки (в камере ошпаривания при производстве БСИ);
- методика оценки качества поточной линии
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, доложены на IV Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, образовании и производстве». Орел, 22-23 апреля 2010 г.; Х международной научно-практической конференции Интеллект и наука. Железногорск, 28-29 апреля 2010 г.; XI международной научно-практической конференции «Робототехника как образовательная технология». Железногорск, 3 декабря 2010 г.; межвузовской научно-практической конференции «опыт использования информационных технологий в различных областях человеческой деятельности» - Орел: ОФ СГА, декабрь 2010 г., ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов кафедры ЭВТ ИБ. ОрелГТУ. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе получены два патента РФ, зарегистрированы две программы.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 33 рисунка, 14 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 105 наименований, 10 приложений.
