Введение к работе
Актуальность темы исследования. Основной целью управления большинством технологических процессов является достижение заданного качества производимой продукции. В то же время во многих случаях в составе систем управления технические средства определения показателей качества либо отсутствуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. Кроме задачи определения показателей качества продукции имеется еще одна проблема - разработка методов управления качеством готового продукта, обеспечивающих надежное выполнение регламентных требований к этим показателям. Таким типичным примером является процесс получения поливинилформальэтилаля (ПВФЭ). Наиболее важными показателями качества поливинилформальэтилаля, соответствующими требованиям государственного стандарта (ГОСТ 15874-81), являются внешний вид, массовая доля формальных групп, массовая доля этилальных групп и кислотное число.
Производство поливинилформальэтилаля общепромышленного качества (первый сорт), который применялся в гражданских целях, в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г.Санкт-Петербург); «Кусковский химический завод» (г.Москва); ПО «Поливинилацетат», (г.Ереван, Армения); СПО «Азот» (г.Северодонецк, Украина). На основании анализа литературных данных по управлению этими технологическими процессами, установлено, что оперативный контроль показателей качества производства поливинилформальэтилаля отсутствовал, а управление процессом осуществлялось вручную или регулированием отдельных технологических параметров, что обуславливало запаздывание по корректировке качества производимого продукта. Это приводило к негативным последствиям, например существенному влиянию неконтролируемых возмущений на качество продукции.
ПВФЭ специального качества (высший сорт) применяется в военной и космической промышленности, поэтому требования к качеству готовой продукции жесткие: массовая доля формальных групп (18 -1- 21) %; массовая доля этилальных групп (18 -^ 20) % и кислотное число не более 0,12 мг КОН на 1 г сухого продукта.
В настоящее время в России производство поливинилформальэтилаля отсутствует. В российской и зарубежной научно-технической литературе информации по методам управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта не имеется.
В области автоматизации технологических процессов широко известны труды Балакирева B.C., Лебедовского М.С., Шински Ф., Липатова Л.Н., Цирлина A.M., Бояринова А.И.. Проблемами управления полимерными процессами занимались Осипов В.Н., Тихомиров С.Г., Шауро B.C., Вставская Е.В., Енютин А.Ю., Камакин А.Н., Пыркин А.А., Давыдов Р.В. и другие учёные. Большой вклад в развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, составной частью которых является система автоматизированного управления, внесли труды Макарова Р.И., Кострова А.В., Егорова И.Н., Хорошевой Е.Р., Клюшникова В.Ю., Белобородова В.В. и Белова А.А.
Однако вопросы управления качеством поливинилформальэтилаля высшего сорта изучены недостаточно ввиду особенностей данного объекта управления (ОУ).
Поэтому поставленная для решения в диссертации проблема разработки системы управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта является актуальной, а ее решение имеет научное и государственное значение.
Объектом исследования является технологический процесс на стадии ацеталирования ПВС производства ПВФЭ высшего сорта и система управления им.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач адаптивного и нечеткого управления динамическими объектами с положительным и отрицательным самовыравниванием, а также закономерности их функционирования.
Целью диссертационной работы является снижение массовой доли этилальных групп до (18 ^- 20) % на стадии ацеталирования поливинилового спирта процесса получения поливинилформальэтилаля высшего сорта.
Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач:
-
Установление значимых параметров, влияющих на снижение массовой доли этилальных групп ml, и нахождение их значений, при которых обеспечивается получение ПВФЭ высшего сорта.
-
Разработка математических моделей первой и второй фаз ацеталирования поливинилового спирта.
-
Разработка алгоритмов управления технологическими параметрами и их проверка путем математического моделирования.
-
Разработка системы управления стадией ацеталирования поливинилового спирта процесса получения ПВФЭ высшего сорта.
Научная новизна
-
Установлена зависимость между показателем качества (массовой доли этилальных групп) и значимыми параметрами технологического процесса, позволяющая сформулировать задачи управления нестационарным объектом.
-
Разработана математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективности комбинированного управления температурой реакционной смеси и найти настроечные параметры регулятора.
-
Разработана функциональная схема комбинированного управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС с фиксацией заданного значения, позволившая управлять технологическим процессом с учетом изменения расчетной скорости химической реакции и обеспечивающая инвариантность показателя качества к основному неконтролируемому возмущающему воздействию.
-
Разработана математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективности алгоритма управления температурой реакционной смеси и найти настроечные параметры регулятора.
-
Разработаны алгоритмы управления температурным режимом и оптимального управления мешалкой реактора ацеталирования, позволяющие учитывать изменение условий проведения процесса.
-
Разработана система управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющая обеспечить получение ПВФЭ высшего сорта.
Практическая значимость работы. В диссертационной работе разработана система управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта. Разработанная система управления внедрена на ФГУП «НИИ полимеров» (г.Дзержинск).
Разработано программное обеспечение микропроцессорного контроллера Simatic S7-300 фирмы Siemens на базе следующих алгоритмов:
управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при экзотермической реакции на участке первой фазы ацеталирования ПВС;
управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при эндотермической реакции на второй фазе ацеталирования ПВС;
- программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта с контролем состояния исполнительных устройств.
Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках следующих дисциплин: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы управления» и «Программное обеспечение систем управления» ДПИ НГТУ.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использовались методы планирования факторного эксперимента, наименьших квадратов, математического моделирования, оптимизации, сравнения эффективности различных методов управления данным технологическим процессом.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Уравнение регрессии, описывающее зависимость массовой доли эти-лальных групп в готовой продукции от значимых параметров технологического процесса.
-
Математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений.
-
Функциональная схема комбинированного управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС, учитывающая изменение расчетной скорости экзотермической реакции.
-
Математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных уравнений.
-
Алгоритм управления температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталирования ПВС, предусматривающий численное интегрирование величины изменения управляющего воздействия, позволяющий повысить точность регулирования.
-
Адаптивный алгоритм оптимального управления мешалкой с использованием модели, позволяющий сократить время поиска оптимального режима перемешивания при переменных условиях проведения процесса.
-
Алгоритм программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющий снизить массовую долю этилальных групп до (18 -^- 20) %.
-
Система управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющая обеспечить получение поливинилформальэтилаля высшего сорта.
Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы на ФГУП «НИИ полимеров» г.Дзержинск, а также в учебном процессе ДПИ НГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались: на IX, X, XI, XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.), XVI, XVII, XVIII, XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.) и международной научной конференции ММТТ-26 (г.Нижний Новгород, 2013 г.).
Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 151 наименование и 4 приложения. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков и 12 таблиц.
Похожие диссертации на Система управления процессом получения поливинилформальэтилаля высшего сорта
