Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор тепловых процессов, оборудования и систем управления, применяемых при термообработке гуммированных изделий 11
1.1. Анализ аппаратных средств термообработки гуммировочных покрытий 11
1.1.1. Регулирование времени тепловой обработки материалов 17
1.2. Анализ средств контроля процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий 19
1.2.1. Расчет степени вулканизации через температуру 19
1.3. Автоматизированные системы управления процессом теплообмена при термообработке 20
1.3.1. Структура современной асу тп 22
1.3.2. Реализация адаптивности в системах управления 23
1.3.3. Понятие оптимального управления 31
1.4. Обзор существующих решений в области систем управления тепловыми процессами 33
1.4.1. Системы с расчетом времени вулканизации по модели процесса 33
1.4.2. Системы с расчетом времени вулканизации по некому заданному закону 37
1.4.3. Модернизация систем верхнего уровня асутп с помощью компьютерных технологий на примере пакета realflex 38
1.5. Выбор методики и средств разработки системы управления процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий 44
1.6. Выводы 49
2. STRONG Модель процесса теплообмена при термообработке гуммированных изделий 51
2.1. Постановка задачи 51
STRONG 2.2. Построение модели процесса теплообмена при термообработке методом конечных элементов 54
2.2.1. Метод расчета температурных полей 54
2.2.2. Выбор формы конечного элемента 55
2.2.3. Функции формы 57
2.2.4. Вывод уравнений для области внутри материала 58
2.2.5. Вычисление интегралов в координатной плоскости конечного элемента 60
2.2.6. Вычисление интегралов во временной плоскости 63
2.2.7. Окончательная сборка формул интегрирования по конечному элементу 64
2.2.8. Интегрирование формулы невязки по объему и сторонам конечного элемента 65
2.2.9. Вывод уравнений для области границы с условиями ivрода 66
2.2.10. Синтез системы линейных алгебраических уравнений для
Построения температурных полей 67
2.3. Экспериментальное исследование математической модели Процесса теплообмена при термообработке гуммированных Изделий 69
2.3.1. Выводы 79
3. Разработка оптимального адаптивного автоматического регулятора системы управления тепловым режимом процесса термообработки гуммированных изделий 81
3.1. Выбор методсинтеза оптимального регулятора 81
3.2. Использование метода динамического программирования для управления процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий 82
3.2.1. Постановка задачи оптимизации. 83
3.2.2. Принцип оптимальности 86
3.3. Дискретные уравнения системы 88
3.4. Синтез регулятора полной обратной связью для процесса теплообмена при термообработке 90
3.5. Принцип перевода системы с распределенным параметром в систему со сосредоточенным параметром 93
3.6. Учет довулканизации вне оборудования 94
3.7. Выбор периода дискретизации ..94
3.8. Экспериментальное исследование оптимального регулятора процессом теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий 97
3.9. Структурная схема системы автоматического регулирования
Тепловых процессов 100
3.10. Выводы 103
4. Исследование эффективности теплообменных процессов при термообработке гуммированных покрытий путем применения адаптивной системы оптимального управления процессом термической обработки с прогнозирующей моделью 104
4.1. Разработка программного обеспечения адаптивной системы оптимального управления процессом термической обработки с прогнозирующей моделью 104
4.2. Экспериментальное исследование разработанной адаптивной системы оптимального управления процессом термической обработки с прогнозирующей моделью ПО
4.2.1. Определение кинетики вулканизации 113
4.3. Выводы 122
Выводы 123
Список литературы
- Анализ средств контроля процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий
- Системы с расчетом времени вулканизации по модели процесса
- Выбор формы конечного элемента
- Экспериментальное исследование математической модели Процесса теплообмена при термообработке гуммированных Изделий
Введение к работе
Различные отрасли промышленности и сельского хозяйства предъявляют высокие требования к антикоррозионной защите деталей машин и аппаратов, работающих в условиях сильно агрессивных сред при повышенных температурах и давлениях. Из существующих способов защиты поверхностей гуммирование занимает особое положение вследствие того, что резина обладает целым комплексом технически полезных свойств: способностью выдерживать мощные гидродинамические удары, водо- и газонепроницаемостью, тепло- и морозостойкостью и др. Теплообменные и вулканизационные процессы, сопровождающиеся большими затратами энергии и особенно нуждающиеся в совершенствовании, имеют наибольшее значение во всем цикле работ по изготовлению гуммированных объектов.
На данном этапе развития экономики важнейшее значение приобретают проблемы энергоресурсосбережения и связанные с этим вопросы надежности, рациональной и экономичной эксплуатации промышленных теплоэнергетических предприятий и их систем.
В настоящее время актуальны исследования, направленные на повышение эффективности процесса тепловой вулкнизации, создание непрерывных процессов и многофункционального оборудования с активным гидродинамическим и тепловым режимом для термообработки гуммировочных покрытий в целях создания поточных линий производства.
На практике возможности оптимизации и интенсификации процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий ограничиваются нестабильностью параметров теплоносителей на оборудовании, что приводит к необходимости удлинения режимов, ориентированных на нижние уровни колебаний температуры теплоносителей. Существенно стабилизировать эти температуры не представляется возможным из-за наличия большого числа технологических и конструктивных факторов, влияющих на характер теплового процесса. Следовательно, дальнейшее повышение качества и сокращение цикла процесса термообработки возможно лишь при организации автоматического управления режимами на базе математического моделирования процесса по его контролируемым параметрам, обеспечивающим заданный тепловой режим и желаемый оптимальный характер технологического процесса.
Поэтому острой является проблема разработки системы оптимального автоматического управления режимами термообработки на базе математической модели процесса теплообмена, решение которой позволит повысить среднюю производительность работы оборудования при одновременном улучшении качества изделий.
Цель работы. Интенсификация и совершенствование процессов теплообмена при термической обработке многослойных гуммировочных покрытий путем применения адаптивной системы оптимального управления теплотехническим оборудованием с прогнозирующей моделью, улучшение качества и степени вулканизации, химической стойкости и прочности крепления покрытий.
Научная новизна.
Разработана математическая модель процесса теплообмена при термообработке многослойных гуммировочных покрытий, отличающаяся повышенной точностью и инвариантностью к геометрии исследуемого изделия;
На базе разработанной математической модели осуществлено решение следующих задач теплопереноса: а) теплоперенос в многослойном эластомерном покрытии без учета внутренних источников теплоты при граничных условиях III рода на внешних поверхностях в процессе горячего крепления к металлу; б) теплоперенос в многослойном эластомерном покрытии при его предварительной термообработке отдельно от металлической основы при граничных условиях III рода на внешних поверхностях;
Получены результаты экспериментального исследования точности расчетов и адекватности предложенной математической модели процесса теплообмена в зависимости от различных параметров моделирования;
Разработана методика расчета и оптимального управления тепловыми режимами при термообработке многослойных гуммировочных покрытий по смешанному квадратичному критерию оптимальности (равномерность прогрева и затраченная тепловая энергия) при помощи регулятора с полной обратной связью;
Предложена методика адаптации числовых данных температурных полей к разработанному оптимальному регулятору процесса теплообмена путем выбора экстремальной точки, лимитирующей процесс вулканизации.
Практическая ценность. Внедрение разработанных математической модели процесса теплообмена и адаптивной системы оптимального управления теплообменом при термообработке с прогнозированием распределения температуры изделия в пространстве и времени позволило интенсифицировать процесс термообработки, повысить качество гуммировочных покрытий, уменьшить энергозатраты и снизить себестоимость готовой продукции.
Реализация результатов исследований. Результаты работы переданы для внедрения в ОАО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод», ЗАО «Вологодский подшипниковый завод», ПУ «Грязовецрайгаз», ГУ «Центр по оказанию работ и услуг природоохранного назначения», ГУЛ «Вологодский вагоноремонтный завод», «ЧереповецМеталлургПрокатМонтаж-2».
По материалам диссертационной работы получены две приоритетные справки о выдаче патентов Российской Федерации на изобретение: «Способ термообработки синтетического рулонного материала» №2003100585 от 03.01.2003; «Устройство для непрерывной вулканизации длинномерных изделий» №2003113039 от 05.05.2003.
Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных на их основе, подтверждается сравнением с данными натурных экспериментов по исследованию процесса теплообмена при горячем креплении гуммировочных покрытий к металлу и математического моделирования процесса теплообмена других авторов.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и экспонировались на: первой международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (24-27 июня 1998 г., Вологда); второй региональной научно-технической конференции «Вузовская наука региону» (23-24 февраля 2001 г., Вологда); международной научно-технической конференции «Энергосбережение в теплоэнергетических системах» (24-26 апреля 2001 г., Вологда); второй Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (2001 г., Череповец); международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (29-31 октября 2001 г., Вологда); третьей региональной научно-технической конференции «Вузовская наука региону» (27-28 февраля 2002 г., Вологда);
Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (28-29 мая 2002 г., Москва); международной научно-технической конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (2002 г., Череповец); первой общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука -региону» (27-28 февраля 2003 г., Вологда); третьей международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (20-23 мая 2003 г., Вологда).
По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа.
Анализ средств контроля процесса теплообмена при термообработке гуммировочных покрытий
При термообработке гуммировочных покрытий, как и в любом другом производственном процессе исключительно важен контроль, как качества конечного изделия, так и состояния самого процесса на текущий момент.
В настоящее время широкое распространение для лабораторных исследований получили химические методы определения общей и свободной серы. Практическое их использование в производстве ограничено из-за длительности анализа. Даже разработанные экспрессные методы еще недостаточно быстры.
Известно, что, в принципе, кинетика вулканизации может быть определена по любому физическому показателю [34, 43]. Таким образом, к числу известных методов определения степени вулканизации следует отнести рентгено- и радиографические, с помощью инфракрасных спектров, микроскопические и др. Однако все эти методы трудны и длительны, для ряда методов требуется защита от радиации, а при некоторых из них образцы полностью разрушаются. Все это делает эти методы трудно- или вообще неприменимыми для контроля в режиме реального времени.
Практически у каждого из перечисленных методов есть свои недостатки, поэтому часто пользуются методом расчета степени вулканизации через известные температуру и время. Расчет степени вулканизации через температуру В термокамере устанавливают датчики, измеряющие температуру теплоносителя. Данные с датчиков поступают на блок определения граничных и начальных условий, а далее блок моделирования температурного поля изделия.
Процесс термообработки является процессом с распределенными параметрами. Часто требуется контролировать только минимум либо максимум параметра. В этом случае из полученной серии значений температуры для различных точек изделия выбирают наименьшее либо наибольшее. Далее по этому рассчитанному значению температуры определяют значение степени вулканизации в точке. Функциональная схема устройства изображена на рис. 1.4.
Сформулируем общее понятие управления:
Исходными являются понятия объект управления, цель управления, стратегия управления. Объект управления (ОУ) характеризуется наличием входного процесса (набором управляющих и возмущающих воздействий), выходного процесса (управляемого процесса или выхода ОУ) и связями между входными и выходными процессами [37].
Решение задачи управления состоит в требовании указать способ изменения во времени входного управляющего процесса, при котором выходной процесс обладал бы предписанными свойствами (то есть обеспечивал бы поставленные цели управления). Этот способ называют стратегией управления (СУ). Стратегия должна быть допустимой, то есть использовать лишь те данные об ОУ, которые доступны в соответствующий момент времени (эти данные могут изменяться, например, в результате обновления информации в процессе управления), и обеспечивать выполнение некоторых общих условий протекания процесса управления. Важным из таких условий является обеспечение устойчивости системы управления, это свойство означает, что для любого ограниченного во времени входного процесса соответствующий выходной процесс также должен быть ограничен во времени. В некоторых приложениях требование устойчивости системы управления может выступать в качестве цели управления. Задача управления предполагает задание класса допустимых стратегий, и ее решение состоит в выборе из этого класса стратегии, обеспечивающей выполнение ЦУ.
В инженерной практике обычно стремятся построить возможно более простую модель управляемого процесса [14] (которая тем не менее должна отражать основные его свойства). Наличие простых моделей позволяет, в частности, более полно изучить процесс управления путем имитации его с помощью аналоговых либо цифровых вычислительных машин и в итоге выбрать наиболее подходящий режим работы системы управления.
Для современного производства характерны усложнение технологических процессов, ужесточение допустимых отклонений управляемого процесса от предписанных значений и т.д. Совершенствование методов управления в этих условиях предполагает разработку более сложных математических моделей управляемых процессов, позволяющих оптимизировать управление, а использование усложненных моделей порождает проблему задания значений характеристик и параметров модели, нужных для формирования требуемого управления. Более того, некоторые из таких параметров могут дрейфовать во времени вследствие износа или старения тех или иных устройств и механизмов, составляющих ОУ [15].
Системы с расчетом времени вулканизации по модели процесса
Патент SU №1621007 «Устройство для управления тепловым режимом вулканизации изделий» [115]. Заявлено 01.08.88. В патенте представлена схема электронного устройства на элементах логики (рис. 1.10). Устройство служит для повышения качества продукции путем оптимизации процесса. Оптимизация производится за счет корректировки времени вулканизации по отношению к заданному эталонному значению для данного процесса в зависимости от изменения температуры. Корректировка производиться по линейному закону с заранее заданным коэффициентом зависимости корректируещего значения времени вулканизации от изменения температуры. Так же данное устройство имеет режим «холодного пуска», который характеризуется тем, что ко времени вулканизации добавляется некоторое заранее заданное значение.
Патент SU №1647538 «Устройство для управления тепловым процессом вулканизации изделий» [116]. Заявлено 05.01.89. В этом патенте представлена схема электронного устройства на элементах логики с использованием памяти (рис. 1.11). Устройство также служит для повышения качества продукции путем оптимизации процесса. По сути решения устройство сходно с описанным в патенте №1621007. Оно так же корректирует время вулканизации по линейному закону с заранее заданным коэффициентом и так же имеет режим «холодного пуска», характеризующийся добавлением ко времени вулканизации некоторого заранее заданного значения. Отличительной особенностью этого устройства является контроль за температурами двух теплоносителей, а так же более жесткая привязка к вулканизационному оборудованию: описанная система управления контролирует не только нагреватели, но и систему загрузки/выгрузки.
В условиях экономического кризиса на промышленных предприятиях наиболее типичной является ситуация, когда для управления технологическим процессом используется либо физически и морально устаревшая вычислительная техника (например, СМ-2М), либо множество разнотипных контроллеров отечественного производства. У предприятий нет средств для перехода на более современное оборудование по всей номенклатуре используемой техники: ф датчиков, контроллеров, сетевого оборудования, компьютеров и т.д. Поэтому задача ставится следующим образом: используя готовый пакет, за короткий срок (измеряемый, как правило, несколькими месяцами) модернизировать только верхний уровень АСУТП без замены нижнего (датчиков, контроллеров) так, чтобы:
модернизированная система верхнего уровня АСУТП удовлетворяла требованиям по времени реакции на любые ситуации (особенно на аварийные), надежности, устойчивости и непрерывности работы;
в качестве вычислительных средств использовались IBM-совместимые компьютеры, как наиболее распространенные и дешевые на отечественном рынке;
система была распределенной, т.е. позволяла иметь большое количество операторских мест, связанных между собой в единую сеть, с каждого из которых можно было наблюдать и управлять технологическим процессом; поддерживались различные виды сетей: локальные, глобальные, с топологией типа «звезда» и «шина», работающие по кабелю и модемам (коммутируемым или радио-);
система работала со всеми контроллерами, имеющимися в наличии, особенно с наиболее часто используемыми: типов Ломиконт-110, Ремиконт-110 и -130, ШУИ, ТКМ51, Микродат, ТМ-120, ЭК-2000, МЦР-64 и др.;
система позволяла применять новые контроллеры отечественного и зарубежного производства;
система могла работать как в составе АСУТП с числом технологических параметров порядка нескольких сотен, так и на крупных автоматизированных производствах с числом параметров в несколько десятков тысяч;
система допускала обмен данными с уже имеющимися на предприятии вычислительными сетями, созданными для решения задач АСУ.
В качестве одного из пакетов, проверенных в условиях отечественных промышленных предприятий и удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, можно назвать систему RealFlex - интегрированный пакет для создания АСУТП, разработанный американской компанией BJ Software Systems (BJSS) [54, 56]. Пакет обеспечивает быстрый и сравнительно недорогой вариант построения распределенных АСУТП на базе персональных компьютеров, совместимых с IBM PC, с использованием операционной системы (ОС) реального времени (РВ) QNX канадской фирмы QNX Software Systems Ltd.
Как показывает опыт, для АСУТП практически невозможно использовать «конторские» ОС MS-DOS, Windows, UNIX. В этих ОС под работой в РВ понимают работу в диалоговом режиме. В таких системах пользователи ожидают ответ в течение нескольких секунд и, как правило, его получают. Если ответ приходит позже, пользователь вправе быть недовольным, но, если в конечном счете ожидаемый результат получен, система функционирует правильно. Однако для АСУТП это не так: получение ответа от системы за время, большее требуемого, рассматривается как неполучение или получение неверного ответа. Именно в этом смысле ОС QNX является системой РВ; QNX гарантирует время реакции в пределах от нескольких десятков микросекунд до нескольких миллисекунд (в зависимости от быстродействия ПЭВМ).
Используя возможности QNX, пакет RealFlex обеспечивает одновременную работу нескольких десятков рабочих мест операторов в рамках единой системы, связанных между собой по локальной сети с помощью выделенного или коммутируемого канала связи (через телефонные и радиомодемы). В RealFlex включены все необходимые средства для построения АСУТП, что позволяет обеспечить быструю настройку RealFlex на конкретный объект пользователя, сбор и обработку данных РВ, тревог по 128 000 точкам, поддержку работы до 16 драйверов различных устройств ввода-вывода, хранение и графическое отображение данных предыстории, выполнение вычислений в оперативном режиме, построение трендов РВ и предыстории, генерацию отчетов, парольную защиту, многотерминальную поддержку, утилиты оперативного конфигурирования.
Выбор формы конечного элемента
Экспериментальное исследование математической модели Процесса теплообмена при термообработке гуммированных Изделий
Декомпозицию и составление структурной и функциональной схем системы будем производить с помощью CASE-средства Rational Rose, которое используется для упрощения работы с моделью, описанной языком UML.
UML - это набор диаграмм, которые позволяют проектировать и создавать сложные программные системы. В распоряжение проектировщика системы Rational Rose предоставляет следующие типы диаграмм, последовательное создание которых позволяет получить полное представление обо всей проектируемой системе и об отдельных ее компонентах: Use case diagram (диаграммы сценариев); Deployment diagram (диаграммы топологии); State diagram (диаграммы состояний); Activity diagram (диаграммы активности); Interaction diagram (диаграммы взаимодействия); Sequence diagram (диаграммы последовательностей действий); Collaboration diagram (диаграммы сотрудничества); Class diagram (диаграммы классов); Component diagram (диаграммы компонент). В первую очередь произведем анализ списка операций, которые будет выполнять система, и определим список объектов системы, которые данные
функции выполняют. Таким образом, определим требования к системе и границы предметной области. Для этого будем использовать диаграммы Use case.
Затем, еще до окончательной детализации сценариев поведения, произведем анализ аппаратной части системы при помощи Deployment диаграммы. Это скорее задача системного анализа, чем практическая. В общем случае она позволит определиться в таких вопросах как технологичность и стоимость системы, а также определить набор аппаратных средств, на которых предстоит эксплуатировать систему.
В нашем случае анализ аппаратной части системы ограничится перечислением устройств, которые будут работать под управлением нашего программного обеспечения и ничего более.
Возможно, именно аппаратные средства внесут свои коррективы, ограничения или дополнительные требования к создаваемому программному обеспечению.
Затем определим список классов, которые должны присутствовать в системе, пока без конкретной детализации и подробного описания действий. Для этого будем использовать диаграмму классов (Class diagram) [106].
После заведения в системе необходимых классов определим поведение конкретных классов при помощи диаграмм State diagram (диаграммы состояний) и Activity diagram (диаграммы активности).
Дальнейшая детализация взаимодействия классов будет производиться при помощи Sequence diagram (диаграммы последовательностей действий), Collaboration diagram (диаграммы сотрудничества).
На основании производимых классами действий создадим окончательную иерархию классов системы при помощи диаграммы классов (Class diagram) и определим компоненты, в которые эти классы необходимо включить при помощи диаграммы компонентов (Component diagram).
Так как разработка - это итерационный процесс. Нельзя за один раз создать полный проект системы. То придется многократно возвращаться к уже созданным диаграммам и вносить в них изменения.
Для того чтобы определить требуемую функциональность системы рассмотрим ее взаимодействие с другими объектами производственного процесса. Определим список этих объектов:
Датчики, измеряющие показатели среды, в которой происходит управляемый тепловой процесс. Это могут быть, например, датчики температуры в различных зонах термообрабатывающего оборудования. Для получения универсальной системы управления процессами термообработки на этом этапе проектирования абстрагируемся от типа и количества датчиков.
Исполнительные механизмы, управляющие процессом термообработки. Это могут быть нагреватели, воздуходувы, различные вентили и всевозможные их комбинации. Конкретное описание этих устройств и алгоритмов управления ими на данном этапе так же опустим.
Конвейер. Обычно термообработка является частью многоступенчатого технологического процесса, выполняемого в непрерывном режиме на конвейере. Все операции должны производиться согласованно, поэтому на оборудование для термообработки либо на подсистему им управляющую должны приходить сигналы с других устройств конвейера. Предположительно это сигналы на начало термообработки или на подготовку к ее началу. На этом этапе проектирования нет необходимости точно знать количество, характер и значение сигналов.
Технолог - создает первоначальную программу (режим) термообработки. Система управления должна придерживаться этой программы с учетом изменения внешних условий, других параметров, влияющих на процесс, заданных критериев и принципов оптимизации.
Оператор. За процессом термообработки в отдельности, либо за работой всего конвейера в целом обычно наблюдает человек - оператор. Поэтому 107 разрабатываемая система должна предоставлять средства контроля и мониторинга процессов, происходящих под ее управлением. Под управлением будем понимать планирование всего процесса термообработки и различных его стадий в отдельности (с учетом режима, разработанного технологом), а также экстренное изменение параметров процесса относительно заранее заданных этим планом. Для реализации возможности мониторинга проектируемая система должна формировать протокол своей работы в удобной для восприятия человеком форме (табличная, графическая). Кроме того, так как наша система должна включать в себя экспертную подсистему, то у нее тоже должен быть свой интерфейс работы с пользователем. В частности, оператор должен получать советы, формируемые этой системой по ходу процесса в зависимости от текущего состояния изделия в оборудовании;
