Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ работы сушильной части бумагоделательной машины 7
1.1 Характеристика производства бумаги 7
1.2 Автоматизация процесса сушки бумажного полотна 9
1.3 Системы управления качеством бумажного полотна 13
1.3.1 Основные характеристики систем управления показателями качества бумажного полотна 13
1.3.2 Системы управления средней влажностью и массой 1 м бумажного полотна 22
1.3.3 Системы управления влажностью по ширине бумажного полотна... 29
1.4 Анализ работы систем управления процессом сушки 34
1.5 Математические модели процесса сушки бумаги 37
1.6 Методы приближенного моделирования систем с распределенными параметрами 42
1.7 Постановка задачи исследования 43
2 Математические модели процесса сушки бумаги как объекта управления ... 44
2.1 Математическая модель паровой сушильной группы 44
2.2 Математическая модель сушильного цилиндра 44
2.2.1 Методика приближенного моделирования процесса тепло-передачи на сушильном цилиндре 46
2.2.2 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния давления пара 48
2.2.3 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния состояния окружающей среды 55
2.2.4 Проверка адекватности модели канала влияния давления пара 58
2.2.5 Проверка адекватности модели канала влияния состояния полотна. 64
2.3 Математическая модель удаления влаги из полотна 70
3 Разработка имитационной модели процесса сушки бумаги 72
3.1 Характеристика объекта моделирования 72
3.2 Методика разработки имитационной модели 75
3.3 Характеристика программы моделирования 81
3.4 Проверка адекватности имитационной модели 82
4 Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги 86
4.1 Принципы построения системы автоматического управления процессом сушки 86
4.2 Управление процессом сушки в режиме холостого хода 88
4.2.1 Разработка алгоритмов управления 88
4.2.2 Методика имитационного моделирования 93
4.2.3 Результаты имитационного моделирования 94
4.2.4 Адаптация систем регулирования влажности бумаги 95
Заключение 99
Библиографический список 101
Приложение
- Автоматизация процесса сушки бумажного полотна
- Анализ работы систем управления процессом сушки
- Математическая модель сушильного цилиндра
- Управление процессом сушки в режиме холостого хода
Введение к работе
Производство бумаги на бумагоделательной машине (БДМ) состоит из нескольких технологических стадий, наиболее важным из которых является процесс сушки полотна. Режим сушки бумажного полотна определяет один из основных параметров качества готовой продукции - влажность бумаги, и, кроме того, процесс сушки является наиболее энергоемкой стадией производства бумаги.
Производство бумаги характеризуется высоким уровнем автоматизации. Регулирование параметров технологического режима и качества готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации осуществляется автоматически, а при обрывах полотна - оперативным персоналом (сушильщиком) в режиме ручного управления процессом сушки.
Требования к эффективности работы БДМ, а также к качеству продукции непрерывно возрастают. Наиболее эффективными в настоящее время оказались решения по автоматическому управлению качеством готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации. Значительно меньший прогресс достигнут в создании систем автоматического управления качеством в переходных режимах: при смене производительности, вида продукции, обрывах бумажного полотна.
Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны. Результат: значительные отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента, и соответственно высокий процент брака готовой продукции, длительное восстановление режима нормального процесса сушки бумаги, повышенные затраты на теплоноситель.
Поэтому необходимо разработать новые пути к решению данной задачи.
Целью диссертационной работы является алгоритмизация процессов управления сушкой бумаги в нестандартных режимах, обеспечивающих повышение качества готовой продукции и минимизацию (экономию) теплоносителя, а также создание имитационной модели сушки, используемой для отладки режимов БДМ.
При выполнении диссертационной работы были использованы такие методы исследования как системный анализ, математический анализ и статистика, теории информации, вычислительная математика, современные системы компьютерной математики и имитационного математического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в следующем: разработаны принципы имитационного моделирования сушильной части БДМ как объекта управления процессом сушки полотна; разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами; разработаны аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна; разработана имитационная модель сушильной части БДМ как объекта регулирования влажности готовой бумаги; разработаны алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги.
Практическая ценность исследования: предложенная структура системы управления процессом сушки бумаги может быть использована при проектировании систем автоматического управления БДМ; разработана конструкция сушильного цилиндра, интенсифицирующая теплообмен и снижающая энергетические затраты, новизна которой подтверждена полученным патентом; разработанные модели процесса сушки могут использоваться при отладке программного обеспечения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) производства бумаги и в учебном процессе.
Данные, полученные при моделировании систем управления сушкой при обрыве полотна, переданы на производство ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» и используются при оперативном управлении картоноделательной машиной (КДМ). По результатам данного мероприятия имеется акт внедрения.
Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки бумаги внедрена в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров (СПб ГТУ РП) на факультете АСУТП как тренажер моделирования систем.
Получен патент на конструкцию, интенсифицирующую процессы теплообмена в сушильном цилиндре.
Положения, выносимые на защиту:
Методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами.
Аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна как объекта регулирования влажности готовой бумаги.
Алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины.
Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, научно-практических и научно-методических конференциях: «Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве», Санкт-Петербург, СПб ГТУ РП, 27-28 октября, 2005 г.; «Молодые учёные университета - ЛПК России», СПб ГТУ РП, 11 апреля, 2006 г.; «Энергетика в ЦБП», СПб ГТУ РП, 2-4 июля 2008 г.
Автоматизация процесса сушки бумажного полотна
Основным способом сушки бумажного полотна остаётся контактная сушка на цилиндрах, обогреваемых паром [1,4- 12, 58, 59]. Контактная сушка характеризуется тремя периодами. В первом периоде осуществляется постепенное повышение температуры цилиндров, влажность полотна падает незначительно. Основная масса влаги удаляется во втором периоде, характеризуемом постоянной скоростью сушки. В третьем периоде температура цилиндров снижается.
Для каждого вида бумаги задаётся определенный вид графика сушки. Необходимость соблюдения температурного графика привела к разделению сушильных цилиндров на группы. Схемы пароснабжения и удаления конденсата чрезвычайно разнообразны.
В настоящее время чаще всего используются комбинированные схемы поступления пара в группы, сочетающие подачу свежего пара из главного паропровода и последовательный перепуск пролётного пара из предыдущих групп.
На рис. 1 представлен вариант такой пароконденсатной системы. Сушильная часть состоит из четырёх групп сушильных цилиндров (нумерация групп I, II, III, IV против хода полотна).
Первая и вторая группы питаются только первичным паром, в третью и четвертую дополнительно подаётся пролётный пар из водоотделителей (поз. 1 и 2). Несконденсированный пар из водоотделителя (поз. 3) направляется к теплообменнику для подогрева свежей воды. Отсюда конденсат подаётся к вакуумному ресиверу. Создаваемое здесь вакуум-насосом разрежение способствует лучшему удалению воздуха из цилиндров.
Конденсат всех паровых групп и ресивера собирается во втором водоотделителе, далее с помощью насоса перекачивается в сборник конденсата и оттуда подается на ТЭЦ.
Принципы управления процессом сушки. Основными задачами систем управления являются: - стабилизация в соответствии с графиком сушки температуры поверхности сушильных цилиндров при нормальной эксплуатации и при обрывах полотна; - стабилизация влажности готовой бумаги.
Так как промышленные измерители температуры цилиндров отсутствуют, то стабилизация графика сушки осуществляется по косвенным показателям: давлениям пара в коллекторах паровых групп и перепада давлений между соседними группами. При этом используются общепромышленные измерители и типовые пропорционально-интегральные законы управления.
В режиме нормальной эксплуатации задание АСР давления в основной паровой группе формируется системой управления средней влажностью готовой бумаги.
При обрыве полотна алгоритмы автоматического управления изменяются. Система управления влажностью отключается, запоминаются текущие параметры АСР давлений пара, эти системы переводятся в новый режим, задаваемый оператором процесса.
После заправки полотна параметры АСР давления восстанавливаются на прежний уровень. При этом учитываются ограничения на скорость изменения давления пара, так как она влияет на деформацию сушильных цилиндров.
Система управления средней влажностью готовой бумаги рассмотрена в разделе 1.3. Здесь отметим, что обычно одна из паровых групп принимается ведущей - в ней стабилизируется давление пара, а остальные группы связаны с ведущей системами регулирования перепадов давлений. В результате при изменении регулятором влажности задания АСР ведущей группы пропорционально изменяются давления пара в остальных группах, перепады давлений между группами остаются постоянными и вид графика сушки сохраняется.
Функции систем автоматизации прогресса сушки. На рис. 1 представлен пример функциональной схемы автоматизации процесса пароснабжения и удаления конденсата сушильной части БДМ. Вторая сушильная группа располагается ближе к накату и является ведущей в системе управления влажностью готовой бумаги.
Автоматизированная система управления осуществляет: - контроль и автоматическое регулирование: - влажности готовой бумаги (поз. 2); - давления пара в главном паропроводе (поз. 1); - давления пара в коллекторах первой (поз. 5) и второй (поз. 6) групп сушильных цилиндров; - перепада давлений пара между второй и третьей группами (поз. 7), третьей и четвертой группами (поз. 8);
Анализ работы систем управления процессом сушки
Режим сушки бумажного полотна определяет один из основных параметров качества готовой продукции - влажность бумаги. Поэтому была поставлена задача на действующем оборудовании провести исследование качества систем управления влажностью бумаги в наиболее распространенных АСУТП [62]. Это системы фирм Honeywell, Metso, ABB и Siemens. Основные характеристики обследуемого оборудования представлены в табл. 2. Регулирование влажности бумаги в режиме нормальной эксплуатации в рассматриваемых случаях осуществлялось автоматически, а при обрывах полотна - оперативным персоналом (сушильщиком). В системах использовались измерители влажности бумаги, установленные на сканирующих устройствах. Системы автоматического регулирования влажности изменяют задание регулятору давления пара в основной сушильной группе в зависимости от отклонений влажности от заданного значения. Но при обрывах полотна все операторы переходят в режим ручного управления процессом сушки. Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны. Методика исследований: 1) Из архива АСУТП выбирались реализации влажности готовой бумаги, характерные для режима нормальной эксплуатации и содержащие нештатные ситуации - обрывы. В основном использовались видеограммы трендов, а на БДМ 1 Светогорского ЦБК - числовые значения из базы сервера АСУТП. 2) Формировались выборки влажности, на основе которых рассчитывались гистограммы по формуле тде/і — частота попадания влажности в /-тый диапазон, %; М - влажность бумаги; щ - количество точек, удовлетворяющих условию попадания рассматриваемого значения влажности в заданный /-тый диапазон rrii.i М тс ті — заданная граница влажности г -ого диапазона; N - общее количество точек в выборке. 3) Определялись статистические характеристики выборки: - математическое ожидание - процент выхода за нижнюю и верхнюю границы регламента. 4) Оценивались величина и длительность колебаний влажности бумаги после ликвидации обрыва. Типичные тренды изменений технологических параметров рассматриваемых АСУТП изображены на рис. 13. Результаты статистической обработки данных об изменениях влажности бумаги представлены в табл. 3. Анализ гистограмм и трендов показывает: - отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента довольно значительны (6 -г 13%); - наблюдается тенденция оперативного персонала пересушивать полотно; - наиболее существенные изменения влажности бумаги имеют место после ликвидации обрывов полотна; - восстановление режима нормального процесса сушки полотна после обрыва происходит не менее чем через 30 мин. Математическому описанию процесса сушки бумаги на Б ДМ посвящено достаточно много работ. Большое количество исследователей ставило целью интенсифицировать и удешевить процесс удаления влаги из полотна. С этой точки зрения одни оценивали влияние на процесс сушки параметров технологического режима [ЗО, 31]. Другие рассматривали влияние на эффективность сушки конструктивных данных машин [32, 33].
Математическая модель сушильного цилиндра
Математическая модель сушильного цилиндра получена при следующих допущениях: - пар насыщенный, - температура поверхности сушильного цилиндра по длине одинаковая, - конденсат в цилиндре равномерно распределен и имеет сечение в виде кольца, - коэффициенты теплопередачи через слой конденсата и стенку цилиндра постоянны [34, 35]. При разработке моделей сушильный цилиндр рассматривался как объект с распределенными параметрами. Математическая модель описывает зависимости отклонений температур от изменений давления пара в цилиндрах в режиме нормальной эксплуатации. Предлагается распространить указанную модель на ситуацию обрыва полотна. В этом случае резко изменяется коэффициент теплоотдачи от поверхности цилиндра к окружающей среде, поэтому изменяется граничное условие (6). В результате имеем следующую систему уравнений где A6K(y,t), Авц(у,ґ) - отклонения температур конденсата и цилиндра; A0(y,t) = 6(y,t) — в(у,0) — отклонения температуры от начального (номинального) значения; у - радиальная пространственная координата (по слою конденсата и стенке цилиндра); t - время; &к ац - коэффициенты температуропроводности конденсата и цилиндра (зависят от удельной теплоемкости, плотности и коэффициента теплопроводности материала); дк - толщина слоя конденсата; 8ц — суммарная толщина слоя конденсата и стенки цилиндра. где аПк - коэффициент теплоотдачи от пара к конденсату; до 6ц о.цс - номинальные значения температур и коэффициента теплоотдачи от поверхности цилиндра к окружающей среде; Аацс(і), A6c(t) — отклонения коэффициента теплоотдачи цилиндра и температуры окружающей среды от номинальных значений; Ак Лц - коэффициенты теплопроводности конденсата и стенки цилиндра; С - индекс окружающей среды. Начальные условия Как следует из общей теории линейных уравнений в частных производных общее решение краевой задачи вида (10 - 17) может быть представлено в интегральной форме [42, 43]. При этом выход системы связывается с внешними воздействиями с помощью интегральных операторов, все ядра которых выражаются через функцию Грина. Функция Грина определяется как реакция системы на дельта-функцию. В теории автоматического управления ее называют весовой или импульсной функцией системы. Таким образом, весовая функция с исчерпывающей полнотой описывает свойства системы с распределенными параметрами и является ее фундаментальной характеристикой. В инженерной практике при определении динамической модели объекта по экспериментальным данным хорошо зарекомендовал себя метод идентификации с использованием моментов весовых функций [44, 45].
Управление процессом сушки в режиме холостого хода
В качестве объекта управления рассматривалась БДМ 1 Светогорского ЦБК. Характеристики систем автоматизации сушильной части этой машины были приведены в разделе 3.1, а имитационная модель процесса сушки бумаги - в разделе 3.2. Обозначения переменных, использованные далее при описании алгоритмов, отличаются от принятых в модели. Они соответствуют идентификаторам программы моделирования и сведены в табл. 8. С этими обозначениями в табл. 9 приведены алгоритмы управления. Они соответствуют предложенной выше стратегии управления и реализованы в моделируемой системе. Так как в имитационной модели влажности готовой бумаги учитывалось влияние только третьей, четвертой и пятой сушильных групп, соответственно рассматриваются системы регулирования давлений и температур цилиндров этих групп. Эффективность предложенных алгоритмов управления процессом сушки при обрыве полотна проверялась путем их моделирования. Для этого была написана специальная программа "Break" (раздел 3.3). Качество управления оценивалось по величине отклонений влажности бумаги после заправки полотна. Так как установка датчиков температуры на вращающихся цилиндрах представляет определенные трудности, то рассматривались различные варианты использования АСР температуры. 1) Предварительно задавались параметры систем регулирования. Большинство настроек вводилось с экранных форм, представленных на рис. А8. 2) Считалось, что реакция АСР давлений пара в сушильных группах соответствует апериодическими звеньям с инерционностью (постоянной времени), не превышающей 1 мин. 3) Коэффициенты регуляторов температуры цилиндров и влажности бумаги находились путем перебора: оценивалась реакция на ступенчатое изменение заданий регуляторам.
Выбирались настройки, обеспечивающие апериодический переходный процесс с максимальным быстродействием. 4) Коэффициенты соотношения давлений в /-той и ведущей паровой группе выбирались так, чтобы обеспечить неизменность вида графика сушки. 5) Влияние количества используемых АСР температуры цилиндров оценивалось путем изменения их режима работы: включены/выключены. Рассматривалась разная длительность обрыва: 15 и 30 мин. Причем процесс моделирования начинался с условия, что произошел обрыв полотна. Считалось, что измеритель влажности бумаги включается через 0,5 мин после заправки полотна. 6) На экраны все переменные выводились в отклонениях от номинального (начального) технологического режима. С дискретностью 0,5 мин фиксировались переходные процессы: - давлений пара в группах; - температур цилиндров в группах; - влажности бумаги после ликвидации обрыва и вывода измерителя на полотно. Чтобы быстрее настроить регуляторы температуры цилиндров, на экран выводились прогнозируемые отклонения влажности бумаги для случая, как если бы заправка полотна произошла на рассматриваемом такте управления. Результаты моделирования предложенных алгоритмов управления процессом сушки при обрывах на БДМ 1 Светогорского ЦБК представлены на рис. А9 - А14. Время обрыва 15 мин. Работают: АСР температуры цилиндров четвертой группы, АСР соотношений давлений пара третьей и четвертой групп, пятой и четвертой групп. Время обрыва 30 мин. Работают: АСР температуры цилиндров четвертой группы, АСР соотношений давлений пара третьей и четвертой групп, пятой и четвертой групп. Время обрыва 15 мин. Работают: АСР температуры цилиндров четвертой и пятой групп, АСР соотношений давлений пара третьей и четвертой групп. Время обрыва 30 мин. Работают: АСР температуры цилиндров четвертой и пятой групп, АСР соотношений давлений пара третьей и четвертой групп. Время обрыва 15 мин. Работают: АСР температуры цилиндров третьей, четвертой и пятой групп. Время обрыва 30 мин. Работают: АСР температуры цилиндров третьей, четвертой и пятой групп. Анализ результатов моделирования. Данные отклонений влажности после обрыва при разных способах регулирования сушильной части при обрыве сведены в табл. 10 [64]. Можно видеть: - по сравнению с системой фирмы Honywell предложенный способ регулирования сушильной части при обрыве полотна путем стабилизации температуры поверхности сушильных цилиндров обеспечивает снижение отклонений влажности после заправки полотна в 10 раз;
