Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процесса производства гофрированного картона и постановка задачи исследования 17
1.1. Описание технологического процесса производства гофрированного картона 17
1.2. Анализ технологического процесса как объекта управления 29
1.3. Состояние вопросов автоматизации и моделирования процесса производства гофрированного картона (литературный обзор) 39
1.4. Постановка задачи исследования 53
Выводы по первой главе 56
ГЛАВА 2. Построение энергоинформационной модели процесса производства гофрированного картона ... 57
2.1. Анализ процесса производства гофрированного картона как объекта моделирования 57
2.2. Построение энергоинформационной модели процесса производства гофрированного картона 61
2.3. Постановка и проведение эксперимента 82
2.4. Идентификация коэффициентов модели 88
2.5. Проверка адекватности модели 100
Выводы по второй главе 103
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмов оптимального управления с использованием ЭИМ 104
3.1. Постановка задачи оптимального управления 104
3.2. Решение задачи управления многостадийным процессом 107
3.3. Синтез алгоритма поиска оптимального режима гофроагрегата 112
3.4. Исследование алгоритма 118
Глава 4 Разработка системы оптимального управления процессом производства гофрированного картона 123
4.1. Выбор и обоснование структуры системы управления 124
4.2. Разработка функционально-алгоритмической структуры системы управления 128
4.3. Программное обеспечение АСУ ТП процесса производства гофрированного картона 133
4.4. Анализ эффективности системы управления гофроагрегатом методом имитационного моделирования 134
Основные результаты и выводы работы 137
Литература 139
Приложения
- Описание технологического процесса производства гофрированного картона
- Анализ процесса производства гофрированного картона как объекта моделирования
- Постановка задачи оптимального управления
- Выбор и обоснование структуры системы управления
Введение к работе
Картонная и бумажная тара занимают ведущее место в тароупаковочной отрасли. Их доля составляет в среднем 40-50% общего потребления и доминирует не только по объемам производства, но и по широкой номенклатуре тароупаковочной продукции и ассортименту упаковываемых товаров.
По данным Госкомстата емкость внутреннего рынка упаковочной продукции, наиболее распространенными видами которой являются тара, ящики и коробки из гофрокартона, превышает 1,5 млрд. долл. в год. За последние три года рынок гофротары удвоился. Вследствие роста отечественного производства с 1999 года началось формирование рынка гофроупаковки с многоцветной печатью. В ближайшие годы ожидается существенный рост потребления такой упаковки из-за динамичного роста крупных розничных торговых сетей и супермаркетов.
Согласно новому исследованию британской компании Pira, биоразлагаемые упаковочные материалы будут демонстрировать ежегодный рост спроса около 22% в течение ближайших 5 лет. Мировой уровень потребления биоразлагаемой упаковки в прошлом году составил 43 тысячи тонн и к 2012 году по прогнозам достигнет 116 тысяч тонн [10].
Гофрокартон - многосторонний, экономичный и эффективный упаковочный материал. Он способствует быстрой упаковке, удобному складированию, эффективному распределению и гибкости в продаже. Гофрокартонная упаковка имеет хорошие противоударные свойства, является относительно крепкой, более легкой, чем многослойная картонная упаковка, приводит к экономии сырья при производстве.
На гофрированный картон приходится порядка 70% всего производства упаковочного картона в России. Российская потребность в
гофрокартоне в 2003 году составила около 1,5 млрд.м2. Существующий дефицит в гофрокартоне не уменьшается, несмотря на соответствующий рост производства - около 15% в год. Для того чтобы восполнить прогнозируемый дефицит, в ближайшее десятилетие годовое производство тарного гофрокартона отечественными предприятиями должно достичь 3 млн. т.
Увеличение потребления связано, в первую очередь, с развитием пищевой промышленности, на долю которой приходится около 75% всей упаковки из тарного гофрокартона (рис. В.1.).
б
8%
Рис. В. 1. Распределение общего объема потребления гофрированного картона по отраслям
В условиях конкуренции с иностранцами отечественные производители вынуждены предлагать покупателю товар в упаковке европейского качества. Эти преобразования касаются, прежде всего, косметической и фармацевтической промышленности — большинство товаров этого сектора уже сегодня упаковываются в высококачественный микрогофрокартон.
Но, несмотря на то, что темпы роста потребления гофрокартона уже опережают западноевропейские, по потреблению гофрокартона на душу населения Россия еще значительно отстает от зарубежных стран (в 4-5 раз от уровня Европы и в 20-25 раз - от США). Среднероссийский показатель потребления упаковки из гофрокартона на душу населения составляет сейчас чуть более 7 кг в год.
Отставание в потреблении гофрокартона особенно заметно на периферии, в то время как в мегаполисах (Москва, Санкт-Петербург и др.) его уровень давно превысил среднероссийское значение и составляет около 25 кг на душу населения в год (в том числе упаковка из гофрокартона, импортируемая вместе с продуктами и товарами народного потребления).
По данным государственного научно-исследовательского вычислительного центра ГТК, наблюдается положительная динамика емкости российского рынка тары и упаковки как в натуральном выражении (Рис. В.2), так и в стоимостном (Рис. В.З).
Рис. В.2 Динамика емкости российского рынка тары и упаковки в натуральном выражении
Рис. В.3 Динамика емкости российского рынка тары и упаковки в стоимостном выражении
По расчетам экспертов группы предприятий "ГОТЭК" (Курская область, г. Железногорск) среднегодовой рост рынка гофропродукции в России в период с 2005 по 2007 год составил 12% в натуральном и 14% в денежном выражениях [38].
Рост рынка в денежном выражении определяется возрастающей долей высечки и более дорогих видов упаковки в структуре производства и потребления.
По мнению экспертов компании, отрасль находится в динамичном развитии. По ряду позиций российский рынок тары уступает западным производителям (семислойныЙ картон, микрогофрокартон марки G, N и т.п.). В целом, тенденции для рынка гофропродукции в России отражают основные тенденции, характерные для мировых производителей. Изменения в структуре российского рынка, рост производства, изменения в культуре торговли и потребления, в технологиях упаковывания и логистике приводят к изменению требований потребителей к гофропродукции от простых ящиков для транспортировки товаров к сложным упаковочным решениям, включающим мощную маркетинговую
}
составляющую, позволяющую сделать гофротару элементом бренда потребителя, сопровождающего товар от упаковочной линии до прилавка магазина или супермаркета.
Рост рынка гофропродукции отмечают и другие игроки отрасли. Так, специалисты компании ОАО "Архбум" (филиал в г. Подольске), ЗАО "Каппа Санк-Петербург", ЗАО "Стора Энсо Пакаджинг" считают, что спрос в будущем году вырастет более чем на 10%, в том числе за счет появления новых потребителей, заинтересованных в качественной упаковке. Следует отметить, что потребителями дорогостоящей тары являются компании с высоким уровнем платежеспособности, сосредоточенные, в основном, вокруг крупных промышленных центров. Поэтому в рассматриваемом сегменте рынка гофротары конкурентная борьба особенно жесткая именно в таких регионах (например, Москва и Московская область, Санкт-Петербург и Ленинградская область, Нижний Новгород).
Сегмент высококачественной гофротары сравнительно новый на российском рынке гофропродукции (начал формироваться после 1998 г.), и поэтому наиболее динамично растущий.
Несмотря на значительный рост выпуска картонной тары, структура ее производства в России недостаточно прогрессивна. Незначительна доля картонной тары из пятислойного гофрокартона. Практически отсутствует производство упрочненного и влагостойкого гофрокартона. Это не позволяет полностью удовлетворить запросы потребителей, и поэтому не менее 25% тары из гофрокартона на российский рынок ввозится из-за рубежа.
Один из существенных недостатков гофрированного картона -слабая влагопрочность. Это значительно сужает сферу его применения в тех случаях, когда требуется сохранение прочности упаковки в условиях повышенной влажности. Между тем, опыт зарубежных стран показывает,
что именно применение тары из упрочненного гофрированного картона и картона с защитными свойствами наиболее эффективно, поскольку при этом значительно расширяется область применения и обеспечивается экономное расходование ресурсов на тару.
Потребность в гофрированном картоне повышенной прочности и влагопрочности в России составляет примерно 120-130 млн. м 2. Однако отечественное производство его до настоящего времени не организовано. Тара из картона повышенной прочности необходима для упаковки изделий бытовой техники и радиоэлектронной аппаратуры, изделий машиностроения и химической промышленности, метизных изделий, металлокорда, а также продовольствия для Минобороны.
Контейнеры из многослойного гофрокартона на Западе широко используются в автомобильной промышленности, машиностроении для перевозки отдельных тяжелых узлов и деталей, мотороллеров и мотоциклов в сборке. Конструкции таких контейнеров могут варьироваться. Наиболее распространен 4-х клапанный ящик. Применяются комбинации гофрокартонной обечайки с пластиковым дном и крышкой, устанавливаемые на деревянный "европоддон" размером 1200x800 мм - Euro Tray-Pak, а также контейнеры Uni-Pak с пластиковым дном-поддоном размером 1200x800 и 1200x1000 мм и пластиковой крышкой.
Также растет и потребление высокохудожественной упаковки из гофрокартона. Такая упаковка широко применяется для товаров, реализуемых в розничной сети. Ее основные функции — реклама в местах продажи продукции и дополнительная возможность идентификации товара на всем пути его следования к потребителю. Благодаря преимуществам офсетной печати высокохудожественная упаковка успешно выполняет такие функции.
Существующий дефицит упаковки из гофрированного картона покрывается за счет импорта.
Ввоз гофропродукции в Россию из других стран, включая Белоруссию, стабилизировался в 2001-2002 гг. примерно на одном уровне. В 2001 году его величина составила 110,2 млн.м2, в 2002 году - 107 млн.м2 . Общий объем импорта гофрокартона за 2003 год составил порядка 135-140 млн. м2 и превысил показатель 2000 года на 43,5% [27].
Гофропродукция поставляется в Россию более чем из 20 стран, но явным лидером в последние годы является Белоруссия. В 2003 г. из данной страны было поставлено 74,1 млн. м гофропродукции или 67,2% всего импорта. В 2004 году отмечалось небольшое снижение объемов поставок -до 67,4 млн. м и, соответственно, уменьшение доли белорусской гофропродукции в общем объеме российского импорта - до 63%. В 2005 году «Светлогорским ЦБК» (Белоруссия) было экспортировано в Россию 60-65 млн.м . Что касается импорта по странам в 2005 году, то его объем (помимо импорта из Белоруссии) составил 75-78 млн. м . Из них около 25% [27] приходится на Польшу. А половина импорта (около 50%), не включая Белоруссию, ввозится из Украины (около 37-39 млн. м ).
Из вышесказанного видно, что, несмотря на увеличивающиеся каждый год объемы производства гофрированного картона, спрос на него на российском рынке растет с опережающими темпами, что, в свою очередь, вызывает необходимость увеличения импорта тары данного вида.
Увеличение объемов изготовления гофрокартона может произойти либо за счет строительства новых производственных мощностей, что требует крупных инвестиций, либо за счет разгона агрегатов, что при нынешнем уровне автоматизации приводит к увеличению брака.
Необходимость увеличения производительности путем разгона агрегатов и снижение брака, возрастающие требования потребителей к
качеству упаковочного материала заставляют производителей всё больше внимания уделять вопросам автоматизации производств.
В сегменте рынка более дешевой продукции (стандартная гофротара, в том числе из макулатурного сырья) круг конкурентов расширяется -наряду с крупными участниками рынка в борьбу за покупателя вступают малые предприятия. Среди менеджеров крупных компаний, формирующих данный сегмент рынка, наиболее распространено мнение, что именно мелкие фирмы являются их основными конкурентами, привлекающие потребителей низкими ценами в ущерб качеству и возможностью применения «серых» схем расчетов [7].
Исходя из вышесказанного, потребность внедрения автоматики на отдельных узлах перерастает в необходимость решения задачи оптимального управления процессом в целом.
Управление процессом производства гофрированного картона является достаточно сложной задачей по целому ряду причин. Технологический режим процесса определяется большим количеством режимных переменных. Кроме того, на процесс действуют существенные возмущающие воздействия. Имеет место непрерывное изменение качества поступающего на агрегат сырья. Определенный вклад в нарушение установившегося технологического режима вносит изменение технического состояния оборудования.
Все это требует частой перестройки технологических режимов и многокритериального поиска оптимальных режимов управления. Поиск оптимальных управлений путем проведения экспериментов невозможен в связи со значительными материальными затратами и сложностями подбора параметров многостадийного процесса.
Внедрение систем оптимального управления агрегатом наталкивается, в свою очередь, на ряд трудностей. В первую очередь, это
связано с вопросами построения адекватных математических моделей процесса производства гофрированного картона.
Развитие методологии ЭИМ [81] позволило расширить возможности моделирования взаимовлияющих процессов тепловлажностной обработки, а также её использования для целей управления [84]. При этом технологические параметры изучаемого объекта интерпретируются в виде их электрических аналогов, а их взаимосвязи описываются наборами физико-технических эффектов. Это позволяет создать модель на базе универсальных структурных единиц и быстро перестраивать её при изменении конструкции агрегата, включении или отключении некоторых узлов, переходе на новые виды сырья.
Построение математической модели процесса производства гофрированного картона открывает значительные перспективы для расширения возможностей оптимального управления. Следует учесть, что для высокопроизводительных процессов с большой энергоемкостью, к которым относится и производство гофрокартона, внедрение систем оптимального управления позволит получить значительную экономию энергоносителя.
Таким образом, разработка эффективных автоматизированных систем управления процессом производства гофрированного картона, которые смогут повысить производительность оборудования, улучшить качественные показатели выпускаемого продукта и снизить энергопотребление агрегата, является, несомненно, актуальной научной и практической задачей.
Целью настоящей работы является повышение эффективности управления агрегатом по производству гофрированного картона за счет внедрения систем оптимального управления технологическим процессами.
С учетом вышесказанного, цель настоящей работы является актуальной.
Соответствующей указанной цели научной задачей является разработка алгоритмов оптимального управления процессом производства гофрокартона. При этом в качестве основной трудности можно выделить отсутствие полного математического описания объекта. Следует отметить, что в литературе вопросы моделирования взаимовлияющих процессов тепловлагопереноса в материалах волокнистой структуры недостаточно проработаны.
Основные задачи исследований;
провести анализ современного состояния вопросов автоматизации и управления процессом производства гофрированного картона;
рассмотреть процесс производства применительно к целям оптимального управления, определить пути совершенствования системы управления гофроагрегатом;
сформулировать задачу оптимального управления процессом производства гофрированного картона;
построить энергоинформационную модель процесса;
разработать алгоритмы оптимизации процесса производства гофрированного картона с использованием энергоинформационных моделей;
разработать систему управления, реализующую алгоритмы оптимизации процесса.
исследовать эффективность разработанной системы управления агрегатом с использованием метода имитационного моделирования. Методы исследования. Для решения поставленных задач
применялись методы энергоинформационного, имитационного моделирования, теория управления, методы оптимизации, динамическое программирование.
Научная новизна работы:
построена энергоинформационная модель процесса производства гофрированного картона для решения задач оптимального управления технологическим процессом;
разработан алгоритм расчета по энергоинформационным моделям объекта управления;
поставлена и решена задача оптимального управления многостадийным процессом производства гофрированного картона. Практическая ценность работы:
рассчитаны управляющие воздействия для обеспечения оптимального режима работы агрегата;
создано программное обеспечение, реализующее алгоритм оптимизации процесса производства гофрированного картона с использованием энергоинформационной модели процесса;
разработана система оптимального управления процессом производства гофрированного картона, позволяющая повысить эффективность процесса.
Реализация результатов работы.
Основные выводы и положения диссертационной работы используются при выполнении учебно-исследовательских работ по курсам «Математические модели и методы технической кибернетики», «Теория автоматического управления» студентами специальности № 220301 "Автоматизация технологических процессов и производств". Применение научных результатов подтверждено актом об использовании результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - Международной научной конференции «ММТТ-21» - г. Саратов, 2008 г.;
международной научной конференции «ММТТ-20» - г. Ярославль, 2007г.;
международной научной конференции «ММТТ-18» - г. Казань, 2005 г.;
международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)» - г. Москва, 2002 г.;
конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «АГТУ».
По теме диссертации автором опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в журналах по списку ВАК, получено 4 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 56 рисунков, 8 таблиц, список литературы, состоящий из 98 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов и 6 приложений.
Во введении показана актуальность, сформулирована цель, определена научная новизна и практическая ценность результатов данной работы, приведено краткое содержание работы по главам.
Первая глава посвящена анализу современного состояния существующего уровня автоматизации процесса производства гофрированного картона. Дано описание технологического процесса, проведен анализ процесса как объекта управления, освещено текущее состояние вопросов автоматизации и моделирования. Поставлена задача исследования.
Во второй главе дается методика построения энергоинформационных моделей. Выполнен подробный анализ процесса производства гофрированного картона с точки зрения моделирования, обозначены недостатки существующих моделей. Разработана
энергоинформационная модель процесса производства гофрированного картона. Проведены экспериментальные исследования и идентификация коэффициентов модели. Рассмотрены вопросы адекватности модели и установлено, что разработанная модель адекватна процессу производства гофрокартона, и достаточно точно описывает его.
Третья глава посвящена вопросам оптимального управления по энергоинформационным моделям. Произведен и обоснован выбор решения задачи оптимизации. Разработан алгоритм решения задачи оптимального управления процессом сушки гофрированного картона. Предложено решение задачи оптимального управления гофроагрегатом как многостадийным процессом.
В четвертой главе производится выбор и обоснование структуры системы управления. Представлена структура и показан принцип построения АСУ ТП производства гофрированного картона. Для эффективного управления, в соответствии с алгоритмом, предложена SCADA-система Trace Mode, позволяющая успешно решать поставленные задачи. Проведен анализ и исследование статических режимов работы гофроагрегата методом имитационного моделирования.
Описание технологического процесса производства гофрированного картона
Процесс производства гофрокартона начинается с того, что рулоны с картоном для плоских слоев (лайнером) и бумагой для гофрирования (флютингом) доставляются в помещение, где установлен гофроагрегат. Рулоны устанавливаются на специальную тележку, которая, перемещаясь по рельсам, доставляет их к раскату гофроагрегата. Для улучшения склейки лайнер подогревается. Непосредственно процесс гофрирования включает в себя подогрев, увлажнение флютинга, после чего он проходит через гофровалы, приобретая волнистую форму. После гофрирования клеенаносящии валик наносит клеящий раствор на вершины гофров. После этого флютинг плотно прижимается к лайнеру — происходит склейка двухслойного гофрокартона.
Одним из способов повышения пластичности бумаги перед гофрированием является ее подогрев. Воздействие тепла вызывает пластификацию и образование поперечных связей в листе раньше, чем пройдет деструкция материалов. Склейка лайнера и флютинга происходит на скорости до 300 м/мин., что равнозначно приклеиванию 650 гофров профиля С к лайнеру за одну секунду. Подогрев лайнера способствует более плотному сцеплению его волокон с волокнами флютинга за наименьшее количество времени. Подогрев дает также возможность контролировать влажность лайнера [8].
Кроме подогрева флютинг проходит еще через стадию увлажнения. Увлажнение флютинга с одновременным нагревом лайнера растворяет наносящееся на них склеивающее вещество и способствует улучшению проникновения клея между волокнами этих материалов. Кроме того, флютинг становится более эластичным, увеличивается его способность к удлинению в процессе гофрирования без образования трещин. Подогрев лайнера осуществляется на барабанах диаметром 600-1500 см сухим паром под давлением 11 кг на 1 см2 при температуре 170. При помощи тепла и пара сегодня удается достигнуть высокой скорости склейки. Если температура лайнера недостаточно велика одного давления пара будет мало. Скорость гофроагрегата и качество продукции заметно уменьшится [1, 37]. Контроль влажности — другая задача подогрева. Поскольку лайнер и бумага с бумагоделательных фабрик поступает с уже определенным содержанием влаги, а нанесение клея еще более увеличивает ее содержание, возникает необходимость контроля уровня их влажности. От того, насколько умело оператор справляется с этой задачей, зависит качество вырабатываемого гофрокартона. Если влажность лайнера в пределах допустимых норм — его только подогревают. Для контроля над влажностью лайнера по всей ширине полотна, используется практика полного осушения лайнера с последующим увлажнением до нужного уровня [8, 20].
Считается, что лайнер имеет две стороны: внутреннюю — для нанесения клея и внешнюю — которая остается незадействованной в процессе производства двухслойного гофрокартона. Хорошая проклейка требует глубокого проникновения клея между волокнами лайнера [33, 34].
Слишком сухой лайнер плохо впитывает клей, если лайнер содержит слишком много влаги, то он уже не в состоянии впитывать клей.
Современное производство картона позволяет контролировать параметры его влажности, так что в большинстве видах картона они стабильны и предсказуемы. Оператору гофропресса необходимо обращать внимание только на изменение влажности при переходе с одного вида лайнера на другой, а также на влажность воздуха в производственном помещении. Например, 440 граммовая бумага имеет в два раза большую толщину, чем 200 граммовая. В результате чего, два сорта бумаги впитывают и удерживают влагу по-разному — более тонкая бумага более чувствительна к воздействиям влаги и различного рода негативным эффектам.
Погода — другой немаловажный фактор. Подготовка бумаги в жаркое влажное время года должна отличаться от, подготовки в зимнее время года, при минусовой температуре и небольшой влажности.
В случаях, когда показатель влажности лайнера превышает требуемые нормы, его обворачивают вокруг барабана стороной, предназначенной для проклейки к барабану. Такая процедура удаляет излишнее количество влаги перед проклейкой. Если лайнер недостаточно увлажнен, его обворачивают вокруг барабана, внешней стороной, не предназначенной для нанесения клея. Таким образом, вся содержащаяся в лайнере влага конденсируется на его оборотной стороне. Оператор может контролировать площадь лайнера, которая соприкасается с барабаном — от небольшого сегмента то почти полного оборачивания лайнера всей поверхности барабана (360). Таким способом, появляется возможность контроля степени увлажнения лайнера. После подогревателя лайнер поступает на прижимной вал, где он приклеивается к флютингу.
Подогретый флютинг подается в гофропресс для гофрирования. Процесс гофрирования представляет собой формирование гофров на полотне флютинга.
Существуют несколько профилей гофра, которые отличаются друг от друга по высоте и длине. Основными профилями гофра являются — А, В, С, Е и F, где А — самый крупный a F — самый мелкий гофр [19]. Существует также так называемый гофр профиля К, — с особо крупным шагом и микрофлютинг — профиль гофра с мелким шагом, по своим размерам приближающийся к гофру профиля F. Новые профили гофра постоянно появляются на рынке.Гофр образуется при прохождении флютинга через два гофровала, чья поверхность состоит из чередующихся рифов и впадин (рис. 1.З.). По мере вращения валов, выступы одного заходят в желоба второго. При прохождении между двумя валами флютинг приобретает характерную волнистую форму. Гофровалы также наполняются сухим паром, что позволяет увеличить температуру их поверхности до 150-170. Тепло помогает закрепить формирование гофров и высыхание клея.
Поскольку флютинг имеет волнистую форму, его расход намного превышает расход лайнера на производство единицы гофрокартона. Каждый профиль гофра имеет свой коэффициент расхода. Чем больше высота гофра, тем больше коэффициент.
Существование различных профилей гофра обусловлено различными требованиями к гофроящикам. Чем выше и шире шаг гофра, тем жестче гофрокартон и соответственно, тем прочнее ящик, который изготавливается их этого гофрокартона.
Анализ процесса производства гофрированного картона как объекта моделирования
Математическая модель объекта является основой для целого ряда практических приложений вопросов управления. Как уже замечалось, процесс производства гофрированного картона принадлежит к классу объектов, для которых получение математической модели за счет аналитического описания затруднено. При этом разработка систем управления такими объектами наталкивается на определенные трудности.
С задачей рационального построения математической модели технологического процесса тесно связано принятие системы допущений. В общем случае обсуждаются и затем принимаются или отвергаются следующие важнейшие допущения: о стационарности процессов; о сосредоточенности или распределенности его параметров; об учете тех или иных физико-химических процессов, имеющих место в объекте [48, 49]. Систему допущений при этом можно разделить на два уровня: допущения, влияющие на модель в целом, и допущения, принимаемые для каждого параметра или связи.
Вся система допущений направлена, как правило, на упрощение и обоснование принятой схемы взаимовлияний параметров [57]. Допущения представляют компромисс между требуемой или желаемой точностью модели объекта и возможностью их математического описания [18].
При построении математической модели процесса производства гофрированного картона примем следующие основные допущения верхнего уровня: - технологические переменные поддерживаются в допустимых пределах; - преобразование сырья происходит только на агрегате, процессы, происходящие на другом технологическом оборудовании, не учитываются; - процесс считается объектом с сосредоточенными параметрами; - в пределах заданной совокупности входных переменных объект является стационарным. На стадии анализа технологического процесса с точки зрения моделирования объект представляется как набор параметров и их взаимосвязей. Здесь следует обратить внимание на то, что глубина расчленения объекта не имеет предела, поэтому выбор числа параметров и взаимосвязей должен производиться с учетом уровня знаний о процессах, реальной возможности определения неизвестных параметров, возможности решения полученных систем уравнений, целевого назначения математической модели и т.п. При этом возникает вопрос определения минимально возможной единицы расчленения схемы взаимного влияния без нарушения взаимосвязей параметров в целом. Далее необходимо получить математическое описание каждой элементарной единицы расчленения схемы взаимного влияния, получить математическую модель всего объекта, через объединение математических моделей элементарных единиц входящих в её состав [24]. После чего проводится оценка адекватности математической модели.
Основу ЭИ-метода моделирования [30, 31, 81, 84, 85] составляют принципы реструктуризации совокупности процессов, проявляющихся в исследуемом материальном теле, т.е. выделение процессов одной физической природы (тепловой, диффузионной и др.). Каждый процесс представляется в виде цепи (с названием, соответствующим физической природе процесса), а полная характеристика цепи, вне зависимости от природы процесса, определяется универсальным набором переменных, называемых величинами (величина импульса, заряда, воздействия и реакции), и параметрами (сопротивление (проводимость), емкость (жесткость), индуктивность (дедуктивность)) [58, 61, 81].
Согласно принципу ЭИ-метода моделирования аналогией температуры является тепловое напряжение (Т{ — Uwi), химического потенциала - диффузионное напряжение (jut — / #), а вычисление теплового тока, статической проводимости и сопротивления производится по уравнениям (2.2.1). Тепловая и диффузионная ячейки рассматриваются раздельно, а взаимовлияние учитывается особыми физико-техническими эффектами [81].
Постановка задачи оптимального управления
Для дальнейшего решения задачи необходимо задаться целью управления, то есть определиться с критерием оптимальности.
При производстве гофрированного картона основанием для изменения статического режима является изменение входных координат, являющихся возмущениями для процесса. К таким координатам следует отнести следующие: марка материала - масса картона или бумаги (т); начальная влажность материала (W0); марка клея (модуль) (М); вязкость клея (д.); рельеф и природа поверхностей; температура окружающей среды.
Параметры, касающиеся состава сырья (масса картона, бумаги, начальная влажность материала, марка клея, вязкость клея, рельеф и природа поверхностей) меняются только при необходимости перехода на производство качественно другого гофрированного картона.
Данный набор параметров, за исключением температуры окружающей среды определяется при смене сырья и вводится оператором в модель в качестве входной координаты.
Параметры состояния технологического оборудования также предлагается принять в качестве входных координат математической модели.
Следует отметить, что из всех вышеперечисленных координат входа, выхода, внутрисистемных переменных и управления автоматически могут быть измерены лишь некоторые параметры, такие как температура, давление и расход материальных потоков. Все остальные переменные могут быть измерены либо лабораторными методами (масса картона, бумаги, начальная влажность материала, марка клея, вязкость клея, рельеф и природа поверхностей), либо оцениваться оператором.
При анализе технологического процесса как объекта управления был выявлен вектор внутрисистемных параметров, включающий температуру и влажность каждого слоя полотна на выходе агрегата (картона верхнего и нижнего слоев, гофрированной бумаги, верхней и нижней клеевой прослойки). В свою очередь выяснилось, что вектор внутрисистемных параметров зависит от входных переменных: начальная температура и влажность картона нижнего слоя (Т0кнс и WOKHC) начальная температура и влажность картона верхнего слоя (Токвс и WOKBCX начальная температура и влажность бумаги для гофрирования (Т0Б И WOE), толщина слоев (5Кнс 8квс, 5Б), масса 1м слоев (тКнс3 пік:вс тБ) РасхД клея (ч) и 0Т вектора управления: расход пара в цилиндрах (цилиндрах для предварительного подогрева Qi, цилиндрах для подогрева двухслойного гофрокартона Q2, плитах сушильного стола СЬ), углы охвата цилиндров (ф).
Каждая стадия производства характеризуется координатами состояния и управления. При этом координаты состояния могут меняться в некотором диапазоне в зависимости от управления. Для графической интерпретации зависимости многообразия координат от управлений удобнее применить сетевой график, представленный на рис. 3.2.2. На данном графике за координату состояния принято тепловлажностное состояние обрабатываемого на текущей стадии компонента, определяемое его температурой (Т) и влажностью (W).
Согласно проведенного анализа технологического процесса как объекта управления (глава I, пункт 1.2.) на стадии I начальное состояние КВС определяется его начальной температурой (Т0квс) и влажностью (WOKBC)S управляющим воздействием, при этом является расход пара подогревающего цилиндра, диапазон изменения которого обозначен на сетевом графике как QKBC І QKBC к- При изменении управляющего воздействия в рамках указанного диапазона получаем множество координат состояния КВС на конец стадии I, которые обозначены через Т квс ь WJKBC і Тквс к, W KBC к- Начальное состояние бумаги для гофрирования (Б) определяется её начальной температурой (Т0Б) И влажностью (WOB), управляющим воздействием является расход пара подогревающего цилиндра, диапазон изменения которого обозначен на сетевом графике как ( і QB п, множество координат состояния на конец стадии I обозначено как Т!Б ь W B І ТГБ n, W п- На второй стадии параллельно происходит две операции: обработка двухслойного гофрированного картона (2х ел гк) и предварительная подготовка картона нижнего слоя (КНС). Начальным состоянием для обработки 2х ел гк являются координаты состояния снятые с выхода стадии I (Т!квс ь W кве і Тквсk, WKBCк, Т!в ь WБ і Т[Б„, W Bп), набор возможных управлений обозначен как СЬхсл- Обработанный на данной стадии 2х ел гофрированный картона характеризуется множеством координат состояния. Предварительная подготовка KHC аналогична подготовке КВС на стадии I (начальное состояние КНС - Токнс, WOKHC, множество управлений - QKHC І QKHC Ь множество координат состояния КНС на конец стадии II - ТПкнс ь W"KHC І ТПкнс ь W KHC L)- Начальные координаты состояния для стадии III -выходные координаты стадии II, множество управлений - возможный диапазон расхода теплоносителя в сушильном столе QTHcc і QTHcc р выходная координата состояния (тепловлажностное состояние готового трехслойного гофрированного картона) единственна и должна удовлетворять критерию качества - Т Квс Т Б, Т КНс, W квс, W Б, W кнс При решении задачи с использованием приведенного сетевого графика необходимо задаться конечной координатой состояния, которой, при производстве гофрированного картона, является технологический критерий качества готовой продукции - разность влажностей слоев на выходе агрегата Aw- Зная для последней стадии диапазон изменения управления, определяем набор возможных координат состояния предыдущей стадии, который будет дополнительно ограничен технологическими требованиями к данному этапу. Значит, для последнего этапа из каждого состояния можно попасть в конечное состояние применив единственно возможное управление, которое будет оптимальным по отношению, к каждому конкретному состоянию, достигнутому на предпоследнем этапе. Для построения оптимальной траектории движения по сетевому графику находим то управление, для которого затраты энергии были бы минимальными. Таким образом мы получаем условно оптимальные затраты при условно оптимальном управлении.
Выбор и обоснование структуры системы управления
На основании проведенного анализа объекта управления, выбранного критерия оптимальности и разработанной математической модели, рассмотрим функции, которые должна выполнять система управления процессом производства гофрированного картона для его оптимального ведения.
Для управления процессом согласно выбранному критерию оптимальности система должна выполнять ряд функций, которые можно разбить на следующие основные группы: сбор, первичная обработка и регистрация информации о процессе производства гофрированного картона и технических средствах автоматизации (датчиков, каналах связи, регуляторов и т.д.); анализ технологического процесса и расчет управляющих воздействий для его оптимального ведения; оперативное отображение информации о наиболее важных параметрах процесса и информации о работе системы управления; обработка управляющих воздействий техническими средствами.
К первой группе функций системы управления относятся: контроль и регистрация начальных параметров сырья (температуры, влажности, массы 1 м), теплового состояния греющего оборудования (температуры подогревающих валов, гофрировальных валов, плит сушильного стола) скорости главного привода.
Вторую группу функций системы составляют: предварительная обработка и запись оперативной информации о ходе процесса; анализ отклонений параметров процесса производства гофрированного картона от номинальных значений; выбор режимов управления; расчет управляющих воздействий в соответствии с критерием оптимальности; прогноз состояния критериев оптимальности при реализации управляющего воздействия и выдача на монитор оператора соответствующей информации.
Третью группу функций системы составляют: отображение максимально полной информации о процессе производства гофрированного картона; выработку предупреждающих сообщений о превышении некоторыми параметрами своих критических значений и отказах технических средств; вывод на печать протоколов о текущем состоянии процесса. К четвертой группе функций относится выработка управляющих воздействий в соответствии с критерием оптимальности.
Функции четвертой группы подчинены задаче непосредственного управления технологическим процессом производства гофрированного картона. При этом отдельные решения по управлению процессом могут быть реализованы либо автоматическим воздействием на объект, либо в виде рекомендаций оператору агрегата, которые он может принять или отклонить, либо в виде воздействий, которые реализуются автоматически после их подтверждения оператором.
Выполнение вышеуказанных функций предъявляет к системе управления высокие требования по функциональности, гибкости, надежности с одной стороны и простоте обслуживания — с другой.
Таким требованиям удовлетворяют автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе современных средств цифровой вычислительной техники [26, 80]. Применение ЭВМ в системе управления обуславливается, прежде всего, необходимостью обработки управляющим устройством больших объемов информации. Эти задачи успешно решаются современными цифровыми ЭВМ, поэтому их применение в составе системы управления является естественным и закономерным.
В соответствии с назначением и техническим уровнем оснащения в состав АСУ ТП производства гофрированного картона должны входить следующие компоненты: - комплект измерительных преобразователей, обеспечивающих измерение параметров процесса и преобразование их физических величин в электрические сигналы; - исполнительные и вспомогательные приборы и устройства для преобразования электрических сигналов в параметры и команды управления технологическим процессом; - управляющий вычислительный комплекс, включающий управляющие вычислительные устройства, периферийные устройства, обеспечивающие двухстороннюю информационную связь ЭВМ с объектом, стандартное программное обеспечение для функционирования УВК; - функциональное программное обеспечение, включающее в себя, комплекс программ, реализующих функции АСУ ТП; - устройства связи с объектом, обеспечивающие аппаратную связь УВК с объектом; - устройства связи с оператором для обеспечения его необходимой информацией о ходе технологического процесса и управления им, о состоянии объекта и управляющей подсистемы, а так же позволяющие оператору вводить коррективы в УВК, сигналы управления на пуск и останов системы. Таким образом, автоматизированное управление технологическим процессом производства гофрированного картона можно представить в виде последовательности следующих операций: - сбор информации о текущем состоянии процесса; - обработку информации по программе, определяемой заданным алгоритмом управления в реальном масштабе времени (определение оптимальных значений управляющих воздействий); - выдачу результатов обработки информации оператору и реализация выбранного воздействия на объекте.
