автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса отжига полированного листового стекла

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОТЖИГА ПОЛИРОВАННОГО ЛИСТОВОГО СТЕКЛА.

1.1. Производство листового стекла флоат-способом. Место отжига в технологическом процессе.

1.2. Особенности процесса отжига стекла в туннельных печах. Структурная схема ту ннельной печи отжига.

1.3. Анализ систем управления туннельными печами отжига.

1.4. Анализ использования математических моделей и моделирования при автоматизации процесса отжига листового стекла.

Выводы по главе 1.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТЖИГА С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ МОДЕЛЕЙ «РЕЖИМ - КАЧЕСТВО ОТЖИГА СТЕКЛА».

2.1. Постановка задачи по математическому описанию Процесса отжига стекла. Выделение определяющих переменных объекта управления.

2.2. Обоснование и выбор метода синтеза математических моделей ту ннельной печи отжига.

2.3. Исследование и разработка модели остаточных напряжений в ленте стекла.

2.4. Исследование и разработка модели кривизны ленты стекла.

2.5. Исследование и разработка модели отходов стекла после отжига.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ОТЖИГА СТЕКЛА.

3.1. Обоснование и выбор метода решения задачи управления процессом отжига ленты стекла.

3.2. Формализация задачи управления туннельной печью отжига в производстве стекла флоат-способом.

3.3. Обоснование и выбор метода решения задачи управления печью отжига.

3.4. Исследование эффективности алгоритмов управления туннельной печью отжига.

3.4.1. Алгоритм стабилизации режима отжига при ограничении величины остаточных напряжений в стекле.

3.4.2. Управление температурным режимом отжига в лере из условия обеспечения требуемого качества отжига.

Выводы по главе 3.

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Применение математического моделирования на предпроектных стадиях исследований при разработке АСУТП отжига ленты стекла.

4.2. Применение математических моделей для описания процесса отжига ленты стекла в туннельной печи типа КНУД.

4.2.1. Модель остаточных напряжений в ленте стекла после отжига.

4.2.2. Модель кривизны ленты стекла.

4.2.3. Модель отходов ленты стекла на выходе из печи отжига.

4.3. Применение математических моделей и алгоритмов управления для статистического анализа и регулирования процесса отжига листового стекла.

4.3.1. Управление печью отжига по величине остаточных напряжений.

4.3.2. Управление печью отжига по величине отходов с учетом остаточных напряжений и кривизны ленты стекла.

4.4. Статистический анализ работы линии ЛПС-1 в 2000 году по сравнению с 1999 годом. Статистическое регулирование.

Выводы по главе 4.

Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском, жилищном и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт. Стекло используется в приборостроении, в электронной промышленности и других отраслях. Различные требования к изделиям из стекла, а также разнообразные свойства его как материала обусловили разработку многочисленных технологических процессов, способов и оборудования, позволяющих получить широкий ассортимент изделий. В нашей стране получили распространение следующие способы выработки листового стекла: лодочный вертикального вытягивания (ВВС), безлодочный вертикального вытягивания (БВВС), непрерывного горизонтального вытягивания и флоат-процесс. Тенденция развития производства листового стекла в мире такова, что флоат-процесс, как новейший и наиболее прогрессивный, вытесняет остальные способы выработки стекла.

Одной из важных технологических операций при производстве листового полированного стекла является отжиг - охлаждение ленты стекла по определенному режиму, обеспечивающему такое распределение напряжений в стекле, которое гарантировало бы его как от самопроизвольного разрушения, так и от разрушения, связанного с предусмотренными техническими условиями, тепловыми и механическими воздействиями. Процесс отжига стекла влияет на выход годного стекла. Отходы стекла по причине некачественного отжига могут достигать 2 - 4% от объема выработки, что при производительности технологической линии 19 млн. кв. метров стекла условной толщины в год составляют значительные экономические потери. Потери стекла на стадии отжига можно уменьшить за счет автоматизации технологического процесса отжига, которая позволяет достигнуть оптимального распределения напряжений в стекле на основе использования информации о всех составляющих напряжений, возникающих в стекле и их взаимосвязи с различными стадиями технологического процесса производства флоат-стекла [1]. В связи со сказанным актуальными являются работы по дальнейшей автоматизации технологического процесса отжига листового полированного стекла на основе использования современных средств локальной автоматики и персональных компьютеров.

Во Владимирском государственном университете в течение ряда лет проводятся научные исследовательские работы по автоматизации технологического процесса производства листового стекла флоат-способом для Борского стекольного завода. В этих работах принимал непосредственное участие автор диссертации, проводя научные исследования по автоматизации процесса выработки полированного стекла, в том числе процесса отжига стекла в туннельных печах.

Целью диссертационной работы является повышение технико-экономических показателей работы туннельных печей отжига в производстве листового стекла за счет автоматизации технологического процесса с использованием математических моделей. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научно-технические задачи:

1. Сформулирована задача управления технологическим процессом отжига в производстве листового стекла флоат-способом. Обоснованы критерии управления процессом отжига.

2. Созданы математические модели, позволяющие проводить статистический анализ процесса отжига по ретроспективным данным работы печи отжига и принимать решения по коррекции температурного режима отжига.

3. Разработаны алгоритмы управления режимом отжига стекла в туннельной печи.

4. Реализован вычислительный эксперимент с использованием статистических данных, собранных с объекта управления и оценена ожидаемая эффективность использования алгоритмов управления по сравнению с ручным ведением процесса отжига.

Использование разработанных математических моделей и алгоритмов управления на печи отжига технологической линии типа ЛПС-5000 ОАО «Борский стеклозавод» позволило уменьшить отходы листового стекла после отжига на линии ЛПС-1 с 3,45% до 2,69% и улучшить качество вырабатываемого стела за счет уменьшения остаточных напряжений в стекле на 6%.

Основные обозначения и сокращения, используемые в работе

5 - толщина ленты стекла в мм; Ь - ширина ленты стекла, мм; у - скорость выработки ленты, м/мин; в - производительность технологической линии по варке стекла в кг в смену;

Ос - расход воздуха в сводовые калориферы, м /час; о расход воздуха в подовые калориферы, м /час; Рс - мощность сводового обогрева, кВт; Рп - мощность подового обогрева, кВт; 9вых - температура выходного конца ленты стекла из флоат ©окр - температура воздуха окружающей среды, °С; 0А - температура отжига в зоне А лера; Эв - температура отжига в зоне В лера; 0С - температура отжига в зоне С лера; 90 - температура отжига в зоне Б лера; 0Е - температура отжига в зоне Е лера;

Д6 - занижение температуры краев ленты по сравнению частью;

Уе - скорость охлаждения ленты стекла в зонах лера; Пл - плотность стекла, г/см"*; К - кривизну ленты стекла, мм/мм О - отходы стекла, %; ст - остаточные напряжения в стекле, мкм/мм ; g - удельный расход тепла на стекловарение; 0Т - термическая однородность стекла; Св - свильность стекла; П - содержание пузырей в стекле; Срегоз - окись железа в стекле; Н - нерастворимые остатки в шихте; Вл - влажность шихты; Сщ - щелочность шихты; т - время запаздывания по входным переменным; I - текущее время;

Тс - временной интервал стандартизации переменных;

Т - временной интервал управления;

СТП - стандарт предприятия;

КИС - контрольно-испытательная станция;

ЦЗЛ - центральная заводская лаборатория;

ПК - программный комплекс;

ЛПС - линия полированного стекла; выработке

-ванны, С; с центральной

Выводы по главе 4

1. Показана эффективность использования имитационного моделирования и вычислительного эксперимента для оценки точности моделей и выбора алгоритмов управления печью отжига.

2. Проведены промышленные испытания разработанных регрессионных моделей. Показана эффективность коррекции коэффициентов моделей с использованием одношагового алгоритма адаптации.

3. Проведены предпроектные исследования алгоритмов управления туннельной печью отжига в производстве листового стекла на технологической линии ЛПС-1 для ОАО "Борский стекольный завод". Оценен предельно достижимый технико-экономический эффект от внедрения разработанных алгоритмов .

4. Создана подсистема поддержки принятия решений по коррекции режима работы туннельной печи отжига с использованием разработанных в диссертации моделей и алгоритмов управления. Система реализована на базе ПК "Технолог стекольного производства" и находится в промышленной эксплуатации в ОАО "Борский стеклозавод".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа современного состояния систем управления печами отжига показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование действующих автоматизированных систем управления печами отжига на основе использования математических моделей.

2. Построены линейные регрессионные модели, описывающие зависимость "режим - качество отжига стекла", вырабатываемого флоат-способом. Требуемая точность моделей обеспечена за счет уточнения коэффициентов моделей в процессе их эксплуатации. Показана переносимость разработанных математических моделей на аналогичные печи отжига в производстве листового стекла флоат-способом, что подтверждено использованием моделей в составе ПК "Технолог стекольного производства" в ОАО "Борский стеклозавод".

3. Предложена декомпозиция задачи управления печью отжига по иерархическим уровням с учетом периодичности их решения. На верхнем уровне решается задача коррекции режима отжига, на нижнем уровне -задача стабилизации режимных переменных. Сформулирована задача управления печью отжига как многокритериальная задача управления в пространстве режимных переменных. Обосновано применение метода компенсационного управления печью отжига с использованием разработанных в диссертации математических моделей.

4. Исследованы алгоритмы управления печью отжига по величине остаточных напряжений, а также отходам стекла после отжига при выполнении ограничений на величину остаточных напряжений и кривизну ленты стекла. Показан технико-экономический эффект, достигаемый от внедрения алгоритмов управления на технологических линиях производства полированного стекла флоат-способом.

1. Уманский С.Э., Покрасс Б.И. Регулирование напряжений при производстве листового стекла // Стекло и керамика,- 1989, -№6 .-С.20 22.

2. Методы устранения некоторых проблем, возникающих в сфере производства полированного стекла/ составлено Т. Ди Лабио. Брюссель, Бельгия.

3. Harold A. McMaster. Annealing and Tempering. The Handbook of Glass Manufacture. Volume II. Ashlee Publishing Co., 1984. p. 799-832.

4. Методы устранения некоторых проблем, возникающих в сфере производства полированного стекла /составлено Т. Ди Лабио. «Кунд С.А.», Брюссель, Бельгия.-38с.

5. Макаров Р.И. Внедрение в стекольное производство новых информационных технологий на базе персональных ЭВМ //Стекло и керамика. -1993. -№8. -С.23 -24.

6. Миронов В. Л. Математические модели и алгоритмы автоматизированного управления процессом отжига листового стекла. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук.

7. Кондрашов В.И., Пентко Ю.Н., и др. Автоматический контроль печи отжига на линии термически полированного стекла //Стекло и керамика. 1997. -№7. - С.З - 5.

8. Орлов Е.М., Кисляк З.Н., Цибульская С.Г. Тенденции развития производства строительного стекла // Стекло и керамика. -1987. -№1. -С.29 31.

9. Системы управления в стекольной промышленности // Экспресс -информация. -Серия 21. Вып. 14. Стекольная и керамическая промышленность. Зарубежный опыт. -М.: ВНИИЭСМ, 1984.

10. Макаров Р.И. Автоматизация технологического процесса производства листового стекла на основе математических моделей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Владимир, 1998. -32с.

11. Будов В.М., Саркисов П.Д. Производство строительного стекла. -М.: В.Ш.,. 1977.-208с.

12. Покрасс Б.И. Технологические напряжения в листовом стекле после отжига и методы их регулирования //АСУТП производства строительных материалов (сборник научных трудов). JI-д: 1984. -С.137 149.

13. Уманский С.Э., Покрасс Б.И. Регулирование напряжений при производстве листового стекла //Стекло и керамика. 1989. -№6. - С.20 - 22.

14. Лалыкин Н. В., Мазурин О.В. Расчет оптимальных параметров отжига листового стекла // Стекло и керамика. 1985. - № 3. - С. 7 - 10.

15. Применение математических методов для совершенствования и оптимального управления технологическим процессом в стекольной промышленности / Отчет о НИР. Научный руководитель Любимов.- ВПИ. 1989.

16. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р., Лукашин С.А. Автоматизация производства листового стекла / Под ред. Р.И. Макарова; В ладим, гос. ун-т. Владимир, 2000. -248с.

17. Garcelon J.P. Float glass annealing 1976 1986 - 1996 /14 th Intern. Congress on Glass, New - Delhi, March 2 - 7, 1986, v. 3, 129 - 137.

18. И.В. Дунин Барковский, H.B. Смирнов. Теория вероятностей и математическая статистика в технике. Гостехиздат, 1955.

19. Бородюк В.П. Статистические методы математического описания сложных объектов. -Учебное пособие. -М.: МЭИ, 1981.-91 с.

20. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем. Киев: Наукова думка, 1982. -296 с.

21. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965. -340 с.

22. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Построение моделей процессов производства. -М.: Энергия, 1975. -375 с.

23. Макаров Р.И. К выбору структуры регрессионных моделей в задачах управления . Всесоюзная научно - техническая конференция. Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов. -Тез. докл. Новосибирск, 1991. - С. 33 - 34.

24. Макаров Р.И., Дубов И.Р., Лукашин С.А. Анализ стабильности производства листового стекла // Стекло и керамика. 2000. -№9. - С. 19-20.

25. Пакет статистической обработки информации с расширенными графическими возможностями. М.:МГУ, 1989. -46с.

26. Бородюк В.П., Лецкий Э.К. Статистическое описание промышленных объектов. -М.: Энергия, 1971. -111 с.

27. Карманов В.Г. Математическое программирование. -М.: Наука, Главная редакция физ.- мат. литературы, 1980. -256с.

28. Макаров Р.И. Моделирование на ЭВМ инерционных промышленных объектов непрерывных производств. Учебное пособие. -Владимир. 1985. -86с.

29. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства полированного стекла Борского стекольного завода им. М. Горького. -Техническое задание. Владимир, 1992. -127 с.

30. Лукашин С.А., Макаров Р.И. Оптимизация технологического процесса отжига листового стекла /Сборник трудов 14 международной научной конференции, том 6 , секции 10, 11, 12. Смоленск. 2001, с.68.

31. Макаров Р.И., Лукашин С.А. Использование математических моделей для статистического анализа и регулирования процесса отжига листового стекла в туннельных печах// Стекло и керамика. -2001. -№ 9.-С.3-6.

32. С.А. Лукашин, Р.И. Макаров. Моделирование процесса отжига листового стекла. / Сб. науч. трудов, Муром. -2001. С.

33. Мы, ншкшодписавшиесж, представитель Владимирского государственного университета начальник НИСа Ваковский О.Я, и представитель ОАО «Борский стеклозавод» начальник инженерного отдела Молодкмн A.B. составили настоящий акт в шшеследующем,

34. В систему поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства» внедрены разработанные Лукахшшым С.А, математические модели и алгоритмы управления туннельной печью отжига линии производства полированного стекла ЛПС-1.

35. Представитель ОАО «Борский стеклозавод».

36. Зам, начальника шженерного отдела