Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ технологической системы сушки молока и постановка задачи
1.1 Анализ существующих систем управления процессом сушки молока и молочных продуктов 16
1.2 Аналитический обзор программно-технических комплексов для практической реализации систем управления процессом сушки молока и молочных продуктов 21
1.3 Анализ технологического процесса сушки молока и молочных продуктов 36
1.4 Анализ сушильной установки как объекта управления 43
1.4.1 Метод стабилизации влажности сухого молока по косвенному параметру 43
1.4.2 Статистическая обработка экспериментальных данных входных и выходных параметров сушильной установки 48
1.4.3 Структурная схема сушильной установки 52
1.5 Постановка задачи 56
1.6 Выводы по первой главе 57
ГЛАВА 2 . Моделирование технологических процессов сушки молока
2.1 Разработка математической модели объекта управления 58
2.2 Имитационные модели систем автоматического регулирования (САР) влажностью сухого молока по каналам управления 67
2.3 Проверка адекватности модели , 73
2.4 Выводы по второй главе 79
ГЛАВА 3. Исследование системы контроля и управления процессом сушки молока с использованием scada-системы trace mode
3.1 Синтез устройства для коррекции сигнала задания 80
3.1.1 Метод коррекции сигнала задания 80
3.1.2 Имитационное моделирование САР параметров технологических процессов сушки молока и молочных продуктов с коррекцией и без коррекции сигнала задания 84
3.2 Компенсация негативного влияния транспортного запаздывания в системе ресурсосберегающего управления процессом сушки молока 87
3.2.1 Метод компенсации негативного воздействия транспортного запаздывания 87
3.2.2 Имитационное моделирование САР параметров технологических процессов сушки молока и молочных продуктов с компен сацией и без компенсации негативного влияния транспортного запаздывания 96
3.3 Выводы по третьей главе 99
ГЛАВА 4 . Разработка автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов на базе программно - технического комплекса
4.1 Структурный синтез автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов 100
4.1.1 Программно-технический комплекс для реализации автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока 100
4.1.2 Применение SCADA - системы Trace Mode для управления процессом сушки молока 102
4.1.3 Выбор программируемого логического контроллера для управления процессом сушки молока 105
4.2 Анализ технико-экономической эффективности автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов 112
4.3 Выводы по четвертой главе 113
Выводы 115
Список использованной литературы 117
Приложение 1
- Анализ существующих систем управления процессом сушки молока и молочных продуктов
- Разработка математической модели объекта управления
- Метод коррекции сигнала задания
- Применение SCADA - системы Trace Mode для управления процессом сушки молока
Введение к работе
Актуальность темы исследования._В результате деструктивных процессов в экономике России в начале 90-х годов прошлого столетия произошло значительное сокращение производства продуктов питания отечественными отраслями пищевой промышленности. Вследствие этого в стране на 30-40% возрос импорт продуктов молочной промышленности.
Особую значимость в условиях рыночных отношений приобретает вопрос обеспечения населения высококачественными продуктами питания отечественного производства, в частности сухими молочными консервами.
Технический прогресс в молочной промышленности характеризуется возрастающей сложностью и интенсификацией технологических процессов комплексной переработки сырья животного происхождения, необходимостью системного анализа всего многообразия определяющих факторов и связей между ними, многокомпонентностью целевой функции качества продукции и жесткими ограничениями на технологические режимы.
Основными направлениями увеличения объемов производства молочных продуктов являются повышение эффективности использования сырьевых ресурсов и внедрение безотходных и малоотходных технологий переработки сырья животного происхождения в заданный ассортимент продуктов питания со сбалансированными показателями биологической ценности и качества. В связи с этим сокращение потерь на всех стадиях производства и увеличение объемов продукции, вырабатываемой из единицы сырья, являются одними из главных задач перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса и достигаются в первую очередь оптимизацией технологических схем, структур и систем в целом с рациональным использованием ресурсов сырья, производственных мощностей и промышленных технологий.
Сложность решения отмеченных задач обычными методами для предприятий молочной промышленности определяется большими объемами переработки структурно-сложного сырья животного происхождения (молока) и широким ассортиментом выпускаемой продукции; начальной неопределен-
ностыо внешней среды, обусловленной неравномерностью поступления сырья, разбросом его свойств и параметров, колебаниями спроса на продукцию, а также высокой биологической ценностью сырья и продуктов и ограниченными сроками их реализации; необходимостью резервирования отдельных видов продукции в качестве сырья для дальнейшей переработки.
Современная промышленная переработка молока представляет собой сложный комплекс последовательно выполняемых взаимосвязанных химических, физико-химических, микробиологических, биохимических, биотехнологических, теплофизических и других трудоемких и специфических технологических процессов. Эти процессы направлены на выработку молочных продуктов, содержащих либо все биологически активные компоненты молока. Производство молочных консервов связано с сохранением всех сухих веществ в молоке после удаления из него влаги. Поэтому важным является соблюдение технологического регламента, то есть поддержание технологических параметров на определенном уровне.
Молоко имеет высокую пищевую и биологическую ценность. В его состав входят необходимые для организма человека и хорошо усвояемые пищевые компоненты: молочный жир, белки, углеводы, молочный сахар и минеральные вещества. К отличительным особенностям молока как сырья относится то, что, являясь источником полноценного белка, оно поликомпонентно по составу, неадекватно по функционально-технологическим свойствам, биологически активно и под влиянием внешних факторов лабильно изменяет свои свойства и параметры. В связи с этими обстоятельствами рациональное и рентабельное использование сырья, выработка высококачественных молочных продуктов могут быть достигнуты при условии профессионального понимания основных принципов и закономерностей процессов, заложенных в технологии молока.
Сырье для производства сухого молока и молочных продуктов имеет нестабильные качественные и количественные характеристики, что требует
контроля и управления параметрами технологического процесса в режиме реального времени.
Исследованию технологических процессов пищевых производств, в частности процессов сушки молока и молочных продуктов, посвящены работы ученых Харитонова В.Д., Космодемьянского Ю.В., Филиппенко Б.П., Вак-шуля В.И., Фофанова Ю.Ф, Брусиловского Л.П., Вайнберга А.Я., Попова В.И, Тихомировой Н.А. и др. Однако проблема повышения качества и рентабельности сухой молочной продукции, ресурсосберегающего управления процессом сушки молока остается актуальной.
В рыночных отношениях одним из путей повышения эффективности производства является выпуск высококачественной продукции, в частности, производство сухого молока и молочных продуктов, отвечающего требованиям мировых стандартов. Согласно ГОСТ 4495-87 сухое молоко должно удовлетворять следующим физико - химическим показателям: массовая доля влаги - не более 4,0%, массовая доля жира - не менее 25,0%, кислотность -21Т, индекс растворимости сырого осадка - не более 0,3 см3, чистота - не ниже 2 группы.
Одной из важнейших задач при производстве сухого молока является управление температурно - влажностным режимом в реальном режиме времени, что существенным образом влияет на производительность оборудования, себестоимость и качество продукции. В связи с этим актуальным является контроль качества продукции в реальном режиме времени.
Диссертационная работа посвящена решению изложенных выше актуальных проблем и задач. Ее результаты отражены в публикациях [68-72, 103, 132-138].
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение качества управления технологическими процессами сушки молока и молочных продуктов на основе разработки автоматизированной системы ресурсосберегающего управления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ технологического процесса сушки молока и молочных продуктов, осуществляемый в распылительной сушильной установке, и выявить факторы, существенно влияющие на качество готовой продукции.
Разработать математическую модель управления распылительной сушильной установкой с учетом статических и динамических характеристик объекта.
На основе математической модели управления распылительной сушильной установкой осуществить имитационное моделирование систем автоматического регулирования (САР) параметров технологического процесса по каналам управления.
Разработать методы, способы и алгоритмы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов, обеспечивающие высокую производительность распылительной сушильной установки за счет сокращения времени переходных процессов, в условиях негативного влияния неконтролируемых возмущающих воздействий.
Разработать автоматизированную систему ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов.
Методическая база и методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы: теории автоматического управления, статистического анализа, математического и имитационного моделирования, а также экспериментальные расчеты на компьютере.
Научная новизна.
Выявлены факторы, влияющие на показатели качества сухих молочных продуктов. Предложен метод повышения эффективности управления технологическими процессами сушки молока и молочных продуктов, обеспечивающий стабилизацию основного показателя качества готовой продукции - влажности - в режиме реального времени.
Разработаны:
математическая модель процесса сушки молока на основе уравнений материального и теплового баланса;
структурная схема объекта управления - сушильной установки "Не-ма-500", на основе которой проведено имитационное моделирование САР параметров технологических процессов по каналам управления с использованием инструментальных средств SCADA-системы Trace Mode.
Разработан метод и алгоритм коррекции сигнала задания, синтезировано корректирующее устройство, позволяющее сгладить скачкообразные изменения сигнала задания и сократить время переходных процессов в системе управления.
Разработаны метод, алгоритм и устройство частичной компенсации негативного влияния транспортного запаздывания в системе управления процессом сушки молока и молочных продуктов. Проведено имитационное моделирование технологических процессов сушки молока без компенсатора и с компенсатором негативного влияния транспортного запаздывания, позволяющее сделать вывод о сокращении времени пребывания сырья (сгущенного молока) в зоне распыления.
5. Разработана автоматизированная система на базе программно-
технического комплекса, реализующего методы, алгоритмы и устройства ре
сурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных про
дуктов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель на основе уравнений материального и теплового баланса, учитывающая статические и динамические характеристики процесса сушки молока и молочных продуктов.
Имитационное моделирование САР параметров технологических процессов сушки молока и молочных продуктов:
по каналам управления;
с коррекцией и без коррекции сигнала задания;
- с компенсацией и без компенсации негативного влияния транспортно
го запаздывания с использованием инструментальных средств SCADA-
системы Trace Mode.
3. Корректирующее устройство, позволяющее сгладить скачкообразные
изменения сигнала задания и сократить время переходных процессов, возни
кающих в системе управления.
4. Устройство частичной компенсации негативного влияния транс
портного запаздывания в системе управления процессом сушки молока, по
зволяющее сократить время нахождения сырья (сгущенного молока) в зоне
распыления.
5. Автоматизированная система на базе программно-технического комплекса, реализующего методы, алгоритмы и устройства ресурсосберегающего управления процессом сушки молока, обеспечивающая высокое качество готовой продукции.
Практическая значимость результатов исследований.
1 .Разработаны методы, алгоритмы и устройства ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов;
2.Разработана автоматизированная система ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов, которая внедрена на ЗАО "Мелеузовский молочноконсервный комбинат ".
Опытная эксплуатация автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока на ЗАО "Мелеузовский молочноконсервный комбинат " позволила:
стабилизировать влажность сухого молока на уровне 3-3,2%;
снизить потери готовой продукции около 8 тонн в год;
сократить энергозатраты на процесс сушки молочных продуктов на 12-14%.
Практическая значимость диссертационных исследований подтверждена патентом РФ на полезную модель (№ 53026 регистрация в Госреестре
27.04.06)
Внедрение результатов исследований.
На ЗАО "Мелеузовский молочноконсервний комбинат" для управления процессом сушки молока и молочных продуктов. Годовой экономический эффект составляет 685 тыс. рублей.
В учебный процесс на кафедре "Информационные технологии и системы управления" в филиале Московского государственного университета технологий и управления в г. Мелеузе.
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах:
- X Международной научно-практической конференции "Стратегия
развития пищевой промышленности", (Москва, МГУТУ, 27-28 мая, 2004).
III Международной выставке - конференции "Технологии и продукты здорового питания" (Москва, МГУПП, 6-8 июня 2005);
XIII Международной научно-практической молодежной конференции "Туполевские чтения" (Казань, КГТУ, 10-11 ноября 2005) - Диплом I степени;
XI Международной научно - практической конференции "Стратегия развития пищевой промышленности", (Москва, МГУТУ, ноябрь, 2005);
расширенном семинаре кафедр "Информационных технологий и систем управления", "Технологии и машины пищевых производств" в филиале Московского государственного университета технологий и управлений в г. Мелеузе (г. Мелеуз, Республика Башкортостан, февраль, 2006);
расширенном семинаре кафедр "Автоматизация биотехнических систем", "Компьютерные технологии и системы ", "Технология молока и молочных продуктов" Московского государственного университета прикладных биотехнологий (Москва, 15 мая 2006);
расширенных семинарах кафедр "Систем управления", "Информационных технологий", "Процессы и аппараты" Московского государственного
университета технологий и управления (Москва, 14 апреля и 17 мая 2006).
Личный вклад автора. Теоретические и экспериментальные исследования по теме диссертационной работы выполнены автором самостоятельно. В процессе работы автором разработаны метод и устройство частичной компенсации негативного влияния транспортного запаздывания в системе управления процессом сушки молока, получен патент РФ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в список ВАК РФ, и патент РФ на полезную модель № 53026 (2006 г.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов, изложенных на 154 страницах машинописного текста, включая приложения на 25 страницах, содержит 45 рисунков и список использованной литературы из 141 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, изложено краткое содержание глав диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ существующих автоматизированных систем управления технологическими процессами производства сухих молочных продуктов, программно-технических комплексов для реализации систем; рассмотрены особенности технологического процесса сушки молока и молочных продуктов.
Выявлены факторы, влияющие на основной показатель качества готовой продукции - влажность сухого молока. Показано, что управление сушильной установкой "Нема-500", состоящей из калорифера для подогрева воздуха до 160-180С и сушильной башни, целесообразно осуществлять по косвенному параметру - температуре воздуха на выходе сушильной башни, как наиболее доступному параметру для контроля.
По результатам исследования объекта управления построена структурная схема сушильной установки, позволяющая методом имитационного
моделирования исследовать динамические характеристики объекта по каналам управлений и возмущений. Анализ работы сушильной установки показал, что обеспечить статическую нагрузку сушильной башни довольно проблематично, так как сырье (сгущенное молоко), поступающее в сушильную башню, неоднородно по количеству и качеству (расходу, влажности и температуре), а следовательно, в системе периодически возникают переходные процессы.
Выбраны критерии качества управления технологическим процессом сушки молока: время переходного процесса и перерегулирование.
На основании проведенного анализа сформулированы основные задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена разработке математической модели управления сушильной установкой по производству сухого молока и молочных продуктов и выбору эффективного алгоритма управления технологическим процессом сушки молока.
На основании уравнений материального и теплового баланса получено выражение, описывающее процесс сушки молока в сушильной башне в статическом режиме.
На основании уравнения статики, динамических характеристик объекта в виде передаточных функций получена динамическая модель сушильной установки, которая в операторной форме описывает передаточную функцию объекта (сушильной установки) по каналу управления "температура воздуха на входе в сушильную башню - температура воздуха на выходе сушильной башни".
В работе проведены исследования адекватности математической модели. Показано, что с доверительной вероятностью 0,95 относительная ошибка идентификации объекта не превышает 2,4 %.
На основании математической модели объекта управления рассчитаны параметры настройки типовых регуляторов и проведены исследования ими-
тационных моделей системы управления процессом сушки молока с использованием SCADA-системы Trace Mode.
Третья глава посвящена разработке методов, алгоритмов и устройств, обеспечивающих повышение качества управления технологическим процессом сушки молока.
Применение типовых регуляторов не обеспечивает требуемое качество регулирования температуры воздуха на выходе сушильной башни, а, следовательно, и качество готовой продукции из-за воздействия неконтролируемых возмущений и инерционности объекта управления.
С целью решения данной задачи предлагается схему регулирования влажности сухого молока по косвенному параметру (температуре воздуха на выходе сушильной башни) дополнить двумя звеньями - корректирующим звеном сигнала задания и компенсатором негативного влияния транспортного запаздывания.
Применение метода коррекции сигнала задания, позволило получить математическое выражение для передаточной функции корректирующего устройства и определить показатели качества управления при использовании коррекции сигнала задания и в ее отсутствии с помощью имитационных моделей.
Исследования на имитационных моделях позволили сделать вывод, что применение корректирующего устройства обеспечивает сглаживание скачкообразного характера сигнала задания, устраняет перерегулирование и сокращает время переходного процесса, возникающего в системе из-за нестабильности количественных и качественных характеристик поступающего сырья, а следовательно, уменьшает время нахождения сгущенного молока в зоне распыления, тем самым сохраняя в сухом молоке биологически активные вещества.
Установлено, что объект управления обладает значительным транспортным запаздываем (около 1 минуты), наличие которого отрицательно сказывается не только на качестве управления (время переходных процессов
достигает 1,5-2 мин), но и на качестве сухих молочных продуктов, так как длительное время пребывания молока в зоне распыления пагубно влияет на биологически активные вещества.
Предложено компенсировать негативное влияние транспортного запаздывания с помощью специального устройства - компенсатора негативного влияния транспортного запаздывания, используемого в системе автоматического регулирования влажности сухого молока по косвенному параметру.
Анализ показателей качества регулирования выявил, что использование компенсатора способствует более быстрому затуханию переходных процессов в системе (время переходных процессов и перерегулирование уменьшаются примерно в 2 раза).
Показано, что применение компенсатора негативного влияния транспортного запаздывания повышает показатели качества управления в системе автоматического регулирования влажностью сухого молока, так как способствует более быстрому затуханию переходных процессов в системе.
В четвертой главе Рассмотрены прикладные аспекты реализации автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов на серийных технических средствах, в частности осуществлен структурный синтез программно - технического комплекса, включающий выбор SCADA - системы TRACE MODE и программируемого логического контроллера "Лагуна".
Проведен анализ экономической эффективности применения автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов.
В выводах сформулированы основные результаты работы.
В приложении приведены акт внедрения автоматизированной системы ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов, экспериментальные данные входных и выходных параметров сушильной установки, данные лабораторных анализов физико-химических показателей сухого молока за 2005 год.
Анализ существующих систем управления процессом сушки молока и молочных продуктов
В современных условиях хозяйствования, характеризующихся структурной перестройкой производственных предприятий и компаний, ростом масштабов и сложности как самих процессов и технологий производства, так систем управления ими, существенно возрастают требования к повышению эффективности управления развитием производственных технико- экономических систем различной отраслевой направленности. Основой повышения эффективности управления является разработка теоретических основ, методологической базы, математических моделей и методов, позволяющих формализовать, алгоритмизировать и автоматизировать процесс принятия управленческих решений [109]. Возможности формирования исследования различных вариантов развития крупных производственных технико - экономических систем на стадии их проектирования с использованием методов математического моделирования позволяет существенно повысить качество и обоснованность управленческих решений, избежать внедрения на практике неэффективных (а зачастую и просто убыточных) вариантов развития, получить значительный экономический эффект практически без дополнительных вложений [109].
Появление персональных компьютеров и особенно их использование для управления технологическими процессами привело к поистине революционным изменениям в структуре систем управления на различных уровнях производства. Возможность разграничения вычислительных ресурсов в зависимости от территориальной и функциональной распределенности объектов управления создали предпосылки для перехода от централизованных к распределенным системам управления (РСУ). Это стало возможным также благодаря бурному развитию сетевых технологий распределенной обработки данных.
Структурные изменения в перерабатывающих отраслях пищевой промышленности выдвинули новые подходы к производству в целом. Активно прорабатываются вопросы, связанные с оптимальностью режимов управления и отсутствием потерь при ведении технологического процесса, увеличением межремонтных периодов оборудования, экологической безопасностью производства, обоснованностью оперативных решений, а также другие аспекты, улучшающие экономические параметры производства [47]. Осн ову успешного индустриального предприятия в существенной степени закладывает использование АСУ, в том числе интегрированной. Это, в свою очередь, вызывает решение проблем, связанных с выбором технических, программных, организационных средств, а также путей дальнейшего развития таких систем.
С одной стороны: - увеличилась роль автоматизированных систем управления; возросла сложность и стоимость аппаратных средств (современные ПК, серверы, сети, SCADA - системы); увеличились затраты ресурсов и времени на проектные работы; возросли требования к квалификации обслуживающего персонала; возросли затраты на обслуживание [47].
С другой стороны: - более 20 лет не изменяется интеллектуальный уровень автоматизированных систем управления. В системах управления автоматизируются традиционные и методологически проработанные функции: телеметрии (измерительные каналы), автоматического регулирования, защит и блокировок по параметрам (ТЗ, ТБ), динамического управления (ДУ) и, в лучшем случае - функционально - группового управления. В функциональном отношении сегодняшние АСУТП практически совпадают с системами КИП и А 60 - 70 годов, в которых достаточно развиты методы управления параметрами материальных потоков и практически отсутствуют АСУ регламентами и конфигурацией потоков в объекте. Вследствие этого имеют место потери по причине несовершенства АСУТП: несоблюдение регламента с вытекающими отсюда последствиями [47]. Повышение эффективности производства за счет АСУ является важной научно - практической проблемой, решение которой становится особенно актуальной в неопределенных условиях перехода к рыночным отношениям. Современное автоматизированное производство представляет собой сложную динамическую систему, характеризующуюся большим количеством изменяющихся параметров, их сильной взаимозависимостью, наличием обратных информационных и материальных связей, адаптивностью, нелинейностью и нестационарностью поведения. Функционируя в неопределенных условиях рыночных отношений и дефицита ресурсов, производственные системы (ПС) постоянно находятся под влиянием внешних и внутренних возмущений, снижающих их эффективность и приводящих к неустойчивому функционированию.
Объективная сложность решения задач анализа и синтеза иерархических многофункциональных и многосвязанных динамических производственных систем, функционирующих в условиях рынка, снижение их эффективности при ошибках управления, невозможность проводить физические эксперименты над системой с целью прогнозирования развития неблагоприятных ситуаций, плохо формализуемые свойства отдельных элементов системы, в том числе и человека как управляющего элемента, определяют необходимость, важность и значимость проблемы анализа, синтеза и моделирования функционирования ПС в условиях рынка на основе имитационного моделирования [46].
В настоящее время автоматизированные системы управления производственных процессов развиваются в двух направлениях: первое - создание АСУ технологических процессов, которые, как правило, обеспечивают стабилизацию заданных рабочих режимов путем поддержания постоянными или изменяющимися по заданной программе параметров процесса с применением ЭВМ и программируемых логических контроллеров (ПЛК); второе - создание автоматизированных систем управления предприятием в целом.
Разработка математической модели объекта управления
С помощью средств вычислительной техники можно создавать модели самых разнообразных систем, описание которых может быть не связано с алгебраическими или дифференциальными уравнениями и сводится к машинной имитации их функционирования в алгоритмической форме.
В этом случае имеет место имитационное моделирование, заключающееся в воспроизведении на ЭВМ поведения управляемой производственной системы, сложных технологических комплексов и процессов, не поддающихся прямому экспериментальному исследованию или аналитическому решению. Для составления имитационных моделей наряду с универсальными языками программирования применяют специализированные алгоритмические языки для ситуационного описания объектов и алгоритмов моделирования [80].
При разработке автоматизированной системы управления процессом сушки молока и молочных продуктов в распылительных сушильных установках необходимо обеспечить заданную влажность продукта и производительность установки. При автоматизированном управлении сушильной установкой можно выделить два основных регулируемых параметра: влажность готового продукта на выходе из сушильной башни и температуру горячего воздуха на выходе из калорифера.
В процессе производства сухих молочных продуктов значения параметров технологического процесса могут изменяться, вызывая отклонения от нормального режима (регламента). Поддержание параметров технологического процесса в диапазоне заданных значений выполняет система автоматического регулирования (САР). В нашем случае объектом управления является сушильная установка, которая состоит из сушильной башни и калорифера для подогрева воздуха.
Явление высушивания влажных предметов широко распространено в природе и в быту. Обычным носителем процесса сушки является воздух. Чем выше температура воздуха и его скорость, тем сушка протекает интенсивнее. В молочной промышленности для сушки применяется чистый воздух. В отличие от выпаривания, которое осуществляется под вакуумом, сушка ведется большей частью при атмосферном давлении. Влага при сушке поглощается и уносится воздухом. Количество поглощенной воздухом влаги зависит от свойств воздуха и его способности растворять водяные пары.
При конвективной сушке воздух не только поглощает и уносит влагу, но и одновременно является источником тепла, которое необходимо для того, чтобы превратить воду в пар. Эта двойственная роль воздуха в качестве вла-гопоглотителя и теплоносителя предопределяет построение математической модели объекта управления [36, 54].
Для выбора оптимальной структуры неоднородных и нестационарных материальных потоков в технологической системе молочного производства следует использовать комплексную имитационную модель производства, воспроизводящую различные альтернативные варианты на ЭВМ для оценки их оптимальности по выходу и качеству готовой продукции, рациональности использования сырья и оптимизации технологических режимов.
Создание имитационной модели производственной деятельности предприятия с воспроизведением различных технологических ситуаций, возникающих в процессе комплексной переработки сырья в заданный ассортимент продукции, базируется на следующих основных принципах: - адекватное отражение структуры свойств и особенностей комплекса технологических процессов с возможностью варьирования параметров воспроизводимых процессов в исследуемой области; - максимальное использование априорной информации об объекте, обеспечивающее возможную на этапе моделирования информационную разгрузку оператора в процессе принятия решения с оптимальным распределением функций между человеком и машиной; - гибкость и самоорганизация модели с возможностью обновления, дополнения и усложнения выполняемых функций; - реализация модели на ЭВМ с помощью пакета или системы приклад ных программ с многоуровневой, иерархической модульной структурой управления совокупностью модулей, каждый из которых осуществляет законченное преобразование информации [49]. Процесс сушки молока и молочных продуктов осуществляется в сушильной установке следующим образом [54]. Очищенный свежий воздух с температурой to и влагосодержанием do подается вентилятором / в калорифер 2, где при постоянном влагосодержа-нии подогревается до температуры ti и затем снизу поступает в сушильную башню 3, внутри которой сверху на вращающий распылительный диск 4 падает сгущенное молоко. Отработавший воздух выходит из сушильной башни с параметрами \г и д .
Метод коррекции сигнала задания
Одна из главных задач, среди решаемых разработчиками автоматических систем - это повышение качества управления. Основное назначение критерия качества управления - численно оценить качество управления и успешность решения задачи управления. Выбор критерия управления обычно осуществляется в зависимости от характера решаемой задачи, статистических сведений о входных и выходных сигналах объекта, а также на основании опыта и интуиции разработчиков автоматических и автоматизированных систем. К критериям управления предъявляются два общих требования: во-первых, он должен соответствовать поставленной задаче управления, т.е. служить действительной мерой успешности ее выполнения; во-вторых, он должен быть достаточно прост, чтобы можно было математически решить поставленную задачу [85]. На рис. 3.1 J показана имитационная модель САР с типовым ПИД- регулятором. Рис. 3.1.1
Имитационная модель САУ сушильной установки с типовым ПИД-регулятором. График переходного процесса по каналу "температура воздуха на входе - температура воздуха на выходе" представлен нарис. 3.1.2 Рис. 4.7 График переходного процесса по каналу "температура воздуха на входе температура воздуха на выходе" Показатели качества управления: - время переходного процесса- 187 сек; - перерегулирование-27%; - время запаздывания - 60 сек.
Применение типовых ПИД- регуляторов не обеспечивает требуемого качества регулирования температурой, а, следовательно, и качества готовой продукции из-за интенсивного воздействия неконтролируемых возмущений и инерционности объекта. Для решения данной проблемы предлагается схему регулирования дополнить звеном с передаточной функцией W.,KB, представляющее собой два последовательно соединенных звена: корректирующего устройства с передаточной функцией WK(ipp и компенсатора негативного влияния транспортного запаздывания с передаточной функцией WK0Mn (рис. 3.1.3).
Командный блок A(t) УэД $5 8"- Исполнительный механизм /кпяпаї-Л , :: , Корректи- рующее устройство Компенсирующее устройство 40 пид-регулятор №ь uft) Сушильная установка і L У( t) y(t) Датчик . і температуры Рис. 3.1.3 Функциональная схема САР влажности молока с корректирующим устройством и компенсатором негативного влияния транспортного запаздывания
Рассмотрим метод коррекции сигнала задания, заключающийся в синтезе корректирующего устройства с передаточной функцией WKOpp. На рис. 3.1.4 представлена функциональная схема САР с коррекцией сигнала задания. Функциональная схема САР с коррекцией сигнала задания Как видно из рис. 3.1.4, сигнал у3д(0 поступает на вход специального устройства, называемого корректирующим, которое преобразует его в сигнал g(t), фактически исполняющий роль задающего воздействия. Рассмотрим метод синтеза передаточной функции корректирующего устройства IVfrpis) с учетом расположения доминирующих полюсов системы управления.
Поскольку передаточная функция от входа до выхода, представленной на рис. 3.1.3 системы, определяется выражением где 3 ( ) и Узд( ) " изображения по Лапласу сигналов y(t) и .Узд (О соответственно, то передаточную функцию Wjip{s) можно выбрать так, чтобы ее числитель и доминирующие корни замкнутой системы взаимно сократили 101-105]. Тогда в знаменателе передаточной функции (3.1.1) доминировать станут корни более удаленные от мнимой оси, чем те, которые удалось сократить.
Вследствие этого качество переходных процессов в системе при изменениях сигнала зд(/) резко повышается. Пусть Sfr, к = \,пд - совокупность всех доминирующих полюсов замкнутой системы, тогда синтезируемую передаточную функцию можно представить в виде
Применение SCADA - системы Trace Mode для управления процессом сушки молока
Основное программное обеспечение пультов оператора и диспетчера, рабочих станций мастера и начальника цеха реализуется SCADA- программой, которая выполняет следующие основные функции: 1. Сбор, первичная обработка и накопление информации о параметрах технологического процесса и состоянии оборудования от промышленных контроллеров и других цифровых устройств, непосредственно связанных с технологической аппаратурой. 2. Отображение информации о текущих параметрах технологического процесса и состоянии на экране АРМ оператора (технолога) в виде графических мнемосхем. Отображение графиков текущих значений технологических параметров в реальном режиме времени за заданный интервал. 3. Обнаружение критических (аварийных) ситуаций. 4. Вывод на экран АРМ оператора (технолога) технологических и аварийных сообщений. 5. Архивирование "истории" изменения параметров технологического процесса. 6. Оперативное управление технологическим процессом. 7. Предоставление данных о параметрах технологического процесса для их использования в системах управления предприятием. Важным компонентом автоматизированной системы управления технологическим процессом является SCADA - система Trace Mode. Trace Mode - самая распространенная в России SCADA-система, предназначенная для разработки распределенных АСУТП. Системы, разработанные на базе Trace Mode, работают в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, химической, пищевой и других отраслях промышленности. Trace Mode автоматизирует наиболее сложные этапы разработки систем управления: - прием данных и управление технологическим процессом; - создание АРМ диспетчеров и операторов; - разработка рабочих мест руководителей цехов и участков; - обеспечение обмена информацией с СУБД уровня управления предприятием. Trace Mode позволяет осуществлять: - разработку распределенной АСУТП как единого проекта. Модифика ция переменной на одном узле ведет к автоматическому обновлению на дру 103 гом узле. Преимущество: проектом легко управлять, а АСУТП легко обслуживать. - программирование АРМ диспетчеров и контроллеров при помощи единого инструмента. Преимущество: единая база данных проекта, обслуживание и развитие АСУ проще. - технологию автопостроения проекта. Преимущество: АСУ генерируется автоматически на основании данных об УСО (устройстве связи с объектом), ПЛК (программируемом логическом контроллере) и связях между ними.
Косвенные преимущества: - Trace Mode имеет одновременную поддержку, как современных западных и российских, так и старых советских контроллеров. Это позволяет производить поэтапное обновление аппаратных средств АСУТП предприятия. - Trace Mode ориентирована на стандартное программное обеспечение. - Trace Mode имеет документацию и техническую поддержку фирмы производителя на русском языке. Trace Mode состоит из инструментальной системы и исполнительных модулей (RUNIME). При помощи инструментальной системы осуществляется разработка всех проектов, создаваемых в Trace Mode. Исполнительные модули служат для запуска в реальном времени проектов, разрабатываемых в инструментальной системе Trace Mode. Trace Mode создана в архитектуре клиент - сервер и основана на новейшей распределенной общей модели объектов - DCOM. Связь между модулями Trace Mode, с контроллерами, независимыми приложениями, базами данных осуществляется через стандартные интерфейсы. Поэтому отдельные модули системы, легко сопрягаются между собой, а АСУТП на базе Trace Mode легко поддерживать, развивать и интегрировать в корпоративные информационные системы. Trace Mode позволяет создавать многоуровневые АСУТП масштаба предприятия, включая уровень контроллеров. Для Trace Mode разработаны уникальные алгоритмы адаптивной подстройки регуляторов, позволяющие отслеживать динамику объекта и автоматически рассчитывать оптимальные настройки П-, ПИ-, ПИД- регуляторов. Адаптивные алгоритмы позволяют сократить время пуска сложный систем в несколько раз, улучшают качество управления, снижают износ оборудования. Монитор реального времени - мощный сервер реального времени - основной элемент распределенных АСУТП, который предназначен для сбора данных с УСО, управления технологическим процессам и распределения данных между станциями, может поддерживать до 300 типов контроллеров. Мощная система архивирования данных Trace Mode обеспечивает: - непрерывную запись значений параметров ТП с точностью до 0,001 с; - ведение протокола аварий и тревог; - запись отчетов в базу данных; - генерирование отчетов о технологическом процессе. Скорость архивирования достигает 100000 записей в секунду. Накопленные данные можно просматривать в реальном времени с локальных и удаленных узлов, выводить на печать, а также, используя технологию графического "плейбека", просматривать в виде фильма.
Похожие диссертации на Автоматизированная система ресурсосберегающего управления процессом сушки молока и молочных продуктов
