автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологического процесса формования ленты стекла на расплаве олова

На правах рукописи УДК 62-50:666.1

Шориков Андрей Владимирович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ ЛЕНТЫ СТЕКЛА НА РАСПЛАВЕ ОЛОВА

05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владимир, 2003

Работа выполнена во Владимирском государственном университете

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Р.И. Макаров

доктор технических наук, профессор В.И. Денисенко,

кандидат технических наук, доцент Ю.А. Медведев

ОАО «Борский стекольный завод»

Защита состоится « / » ¿/¿О^иР_2003 г. в ¡2. &0 ч. на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 Владимирского государственного университета по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 211-1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государственного университета.

Автореферат разослан «¿¿)» /у СгЛ_2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

2ооМ

О 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в промышленности, гражданском и сельскохозяйственном строительстве. Крупными потребителями являются отрасли автомобилестроения, вагоностроения, железнодорожный транспорт. Растущая конкуренция требует повышения качества стекла и уменьшения издержек на его производство. Данная задача решается внедрением новых технологий, какой является флоат-способ производства, и автоматизацией технологических процессов.

Важнейшей стадией производства листового стекла флоат-способом является процесс формования ленты стекла на расплаве олова. Суть формования состоит в том, что жидкая стекломасса из выработочной части ванной печи по мелкому узкому каналу подается на поверхность расплава олова, заключенного в ванну. Стекломасса растекается по поверхности расплава равномерным слоем до равновесной толщины, постепенно охлаждается до затвердевания и выводится из ванны расплава в печь отжига тянущими усилиями роликового конвейера. Значительная часть дефектов готовой продукции вызывается отклонениями от оптимального режима формования.

В связи со сказанным актуальным является повышение качества вырабатываемой продукции засчет автоматизации процесса формования ленты стекла с использованием математических моделей.

Во Владимирском государственном университете в течение ряда лет проводятся -научные исследовательские работы по автоматизации технологического процесса производства листового стекла флоат-способом для ОАО «Борский стекольный завода». В работах по автоматизации процесса формования принимал непосредственное участие автор данной диссертации.

Основные направления исследований в диссертации связаны с построением математических моделей и алгоритмов управления процессом формования ленты стекла, использованием имитационного моделирования для предварительной настройки и оценки эффективности алгоритмов управления, разработкой математического и программного обеспеяевия-ддя-еиетем подрос. НАЦИОНАЛЬНАЯ[ держки принятия решений для технологов стекольного прор^щр^ КА

С.Петербург , |

09 т$**н%\

Целью диссертационной работы является повышение качества вырабатываемой продукции засчет автоматизации процесса формования ленты стекла с использованием математических моделей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие вопросы:

1. Сформулирована задача управления технологическим процессом фор- ' мования в производстве листового стекла флоат-способом. Выделены определяющие переменные и обоснованы критерии управления процессом формования.

2. Созданы математические модели «режим формования - качество стекла», позволяющие проводить статистический анализ процесса и принимать решения по коррекции температурного режима работы флоат-ванны.

3. Разработаны алгоритмы управления режимом формования ленты стекла для АСУТП формования и автоматизированного рабочего места технолога стекольного производства, позволяющие реализовать статистический анализ и статистическое регулирование процессом формовния.

4. Реализован вычислительный эксперимент по настройке и испытанию алгоритмов управления флоат-ванной оценена их эффективность по сравнению с ручным ведением процесса.

Методы исследования

В основу решения поставленной задачи положены выполненный на основе кибернетического подхода анализ технологического процесса формования ленты стекла, синтез линейных моделей и алгоритмов управления. Модели строились с использованием множественного регрессионного анализа, точность обеспечивалась периодической коррекцией параметров моделей с использованием экспериментальных данных. Выбор алгоритмов управления, оценка их эффективности по сравнению с ручным ведением процесса проводились имитационным моделированием функционирования автоматизированной системы управления на ЭВМ с использованием реальных данных, собранных в производственных условиях.

Научная новизна

1. Получены теоретические результаты, связанные с использованием математических моделей и моделирования при автоматизации процесса формования ленты стекла на расплаве олова.

2. Разработаны математические модели "режим формования - качество стекла", позволяющие решать задачи статистического анализа процесса и управления флоат-ванной в производстве стекла флоат-способом.

3. Исследованы различные алгоритмы управления температурным режимом формования. Показана эффективность использования методов математического программирования при решении задач компенсационного управления (планирования).

Практическое значение

1. Для ОАО "Борский стекольный завод" выполнены научные исследования по разработке математических моделей и алгоритмов управления теплового режима работы флоат-ванны.

2. Переданы в промышленную эксплуатацию алгоритмы и подсистема статистического анализа и регулирования процесса формования ленты стекла, которые использованы в системе поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства» в ОАО «Борский стекольный завод».

3. Алгоритмы и программы использованы в учебном курсе «Математические методы теории систем» при подготовке магистров по направлению 552800 во Владимирском государственном университете.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Линейные регрессионные модели "режим формования - качество стекла", описывающие зависимость разнотолщинности, оптических искажений, степени диффузии олова в поверхность и кривизны ленты стекла от режима формования.

2. Алгоритмы и программы управления процессом формования полированного листового стекла, построенные на основе использования математических моделей, технических и экономических критериев.

3. Практические результаты внедрения разработанных математических моделей и алгоритмов управления в систему поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства».

4. Таким образом, в виде совокупности названных положений выносятся на защиту научно-технические результаты, являющиеся решением задачи повышения эффективности автоматизированной системы управления флоат-ванной в производстве листового стекла.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 7 научных работах, в том числе в 1 отчете по НИР.

Апробация работы

Основные научные результаты представлены и одобрены на международных научных конференциях «Математические методы в технике- и технологиях» ММТТ-14 (2001 г.), ММТТ - 15 (2002 г) и научных конференциях ВлГУ (2003 г).

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав и заключения. Приложение составляют материалы, подтверждающие внедрение результатов. Список литературы содержит 50 наименований. Таблиц 54, рисунков 49.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы. Сформулированы цели и определены решаемые в диссертации научные задачи.

В первой главе кратко описывается технологический процесс производства полированного стекла и определяется место формования в этой технологической цепочке. Указывается влияние процесса формования на качество стекла.

Анализируется процесс формования как объект управления: определяются выходные показатели, управляющие воздействия, контролируемые и неконтролируемые возмущающие воздействия.

b v Вл Coa 8.

ррсы

Чбфы —

в.- —

р» -- -

ÜH2 -

QN2-Nx-

_!_L

« U

Возмущений

С

Флоат-ванна

W

Режимные переменные

Y ё

0

1

1—г

в в ал с

тттт

Бл

Рт ♦ *р

— 36 ► Ра

мт

Пр *■ Ken О

- Пс Вс

Сн2 С N2

вш - температура олова в пролетах флоат-ванны, 6С, - сводовая температура флоат-ванны, Р - давление защитной атмосферы, 6tux — температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны, Ст - содержание водорода в защитной атмосфере (%), CN2 — содержание азота в защитной атмосфере (%); Убфм - скорость бортоформующих машин, вп- температура сливного канала, Р,ш - мощность повторного нагрева ленты стекла, QN2 - расход азота, Qh2 ~ расход водорода, Nx - количество погруженных холодильников; Бл - степень диффузии олова в поверхность стекла (блюм), Рт - разно-толщинность, Кр - кривизна, 36 - оптические искажения, измеряемые по методу «зебра», Ра — оптические искажения (метод растра), МТ - микротвердость, Пр -прочность, Ken — коэффициент светопропускания, О - отходы, Пс - плоскостность, Вс - водостойкость стекла; 8- толщина ленты стекла, Ь - ширина ленты стекла, v -скорость ленты стекла, Вл- влажность защитной атмосферы, Cq2 - содержание кислорода в защитной атмосфере (%), вросы - точка росы защитной, атмосферы.

Рис. 1. Структурная схема объекта управления

Разрабатывается упрощенная структурная схема объекта управления со сосредоточенными параметрами (рис. 1). Описываются причины, вызывающие дефекты ленты стекла. Указывается влияние теплового режима на качество формования.

Анализируются системы управления процессом формования, указывается на перспективность использования регрессионных моделей и современных информационных технологий для автоматизации процесса формования.

Дается анализ аналитических математических моделей процесса формования ленты стекла, указываются трудности их использования в существующих промышленных системах автоматизированного управления. На основе проведенных Р.И.Макаровым исследований показана перспективность использования регрессионных моделей для автоматизации управления процессом формования в производстве стекла флоат-способом.

В диссертации решается задача автоматизации процесса формования с использованием математических моделей, описывающих зависимость показателей качества ленты стекла от режима работы флоат-ванны. Для решения поставленной задачи во второй главе диссертации проводятся исследования и разработка необходимых математических моделей.

Вторая глава посвящена исследованию процесса формования с целью создания моделей «режим - качество».

Для повышения достоверности моделей предложена методика предварительного анализа и подготовки данных включающая следующие этапы:

1) сбор среднесуточной информации о ходе технологического процесса,

2) восстановление недостающих данных в середине выборки с применением линейной интерполяции,

3) коррекция одиночных выбросов,

4) прогнозирование по тренду недостающих данных в конце интервала.

Проведен анализ корреляционных связей между входными, выходными и режимными переменными, а также возмущающими воздействиями. По результатам анализа произведена группировка переменных, что позволило значительно снизить размерность решаемой задачи.

В работе использованы линейные регрессионные модели вида:

уО) = Ь0О)+^Ь1О)х,(1) (О

1=1

где у - зависимая переменная, х, - входные переменные, Ь, - регрессионные коэффициенты, г - текущее время.

Для отслеживания дрейфа выходных переменных используется одноша-говый алгоритм адаптации регрессионных коэффициентов.

На вход модели подаются реальные данные X, по ним рассчитываются

выходные переменные У. Сравнивая значения расчетной переменной У с фактическим значением У, вычисляется ошибка модели:

ДУ = У-У. (2)

При превышении ошибкой допустимой величины происходит инициирование алгоритма адаптации, который, используя информацию о входных и выходных переменных, значения текущих параметров модели и ее ошибки, проводит коррекцию коэффициентов модели по формуле:

ъ,о)=ь1«-\)+-=¡4--&

у+1*,2<%>

г=0

где у - параметр алгоритма адаптации.

Сходимость алгоритма обеспечивается выбором значения параметра у и начальных значений коэффициентов регрессии. Значение у подбирается экспериментально. В качестве начальных значений коэффициентов регрессии выбираются коэффициенты модели, полученной на обучающей выборке.

Работоспособность адаптивных линейных регрессионных моделей проверяется на контрольной выборке по следующей схеме (Рис.2).

После отсева незначимых факторы были получены следующие модели:

- разнотолщинность:

Рт, = 0.052 - 0.00063 Убфм + 0.0025 8вк - 0.0049 0, + 0.0029 02 + 0.032 5 Рт2 = 0.1 - 0.00014 УБФМ+ 0.00096 0ВК + 0.0013 0, - 0.0017 02 + 0.031 5

- оптические искажения (метод растра):

Ра, = -0.062 0ВК - 0.039 02 + 0.29 03 - 0.12 0Вых,

- оптические искажения (метод «зебры»):

36 = 30 + 0.017 УБФМ - 0.042 0, + 0.12 02 + 1.69 С02 + 2.375 5, (4)

- блюм-эффект:

Бл = 15 - 0.002 92 + 0.01 С02 - 0.02 0ВЫх + 0.05 5,

- кривизна:

Кр = - 0.0052 5 + 0.0015 9Вых- 0.35 Пл, где 6 - толщина ленты стекла, 9ВК - температура сливного канала, 8Ь 92, 63 температура олова в 1, 12, и 20 пролетах флоат-ванны, 0Вых - температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны, Пл - плотность стекла, УБфм - скорость бортоформующих машин, Сог - процентное содержание кислорода в защитной атмосфере.

Входные переменные X

Рис.2. Схема проведения машинного эксперимента для исследования работоспособности моделей

Результаты исследования точности разработанных моделей и параметры алгоритма"адаптации приведены в табл. 1.

Таблица 1

Оценки точности разработанных моделей

-^(Эценка Модель ■—^ Параметр адаптации Абсолютная погрешность Относит, погрешность Р- критерий

Разнотолщинность 1 20 0,00016 0,2% 4,82

Разнотолщинность 2 20 0,00074 2,9% 4,75

Опт. искажения (метод растра) , 10 0,035 0,4% 3,00

Опт. искажения («зебра») 20 0,11 0,17% 4,34

Блюм-эффект 10 0,07 5% 3,83

Кривизна 40 0,0014 5,3% 3.03

Достигнутые точностные оценки моделей и достоверное отражение рег-рессорами характера влияния входных переменных на выходные показатели позволили использовать разработанные модели для автоматизации процесса формования ленты стекла на расплаве олова.

В третьей главе разработаны и исследованы алгоритмы управления технологическим процессом формования ленты стекла.

Управление процессом формования ленты стекла вытекает из общей задачи управления технологическим процессом производства листового стекла флоат-способом (табл. 2).

Таблица 2

Структура задачи управления производством полированного стекла

Ос - производительность технологической линии по выработке листового стекла, Ош - расход шихты, - расход боя, (}г - расход газа, исв - регенеративный режим, тепловой и газовый стекловаренной печи; Wээ - расход электроэнергии, в,, - расход вспомогательных материалов, Цф - тепловой и газовый режим формования ленты стекла в ванне с расплавом олова, 110 - режим отжига ленты стекла, ир - раскрой ленты на форматы.

Задача управления процессом формования ленты стекла заключается в нахождении оптимального режима работы флоат-ванны по критерию минимума затрат с учетом ограничений, накладываемых на качество стекла.

Е качестве критериев оценки эффективности формования ленты стекла на расплаве олова могут использоваться расход электроэнергии и расход вспомогательных материалов, представляющие собой переменные цеховые затраты.

Компонентом, определяющим энергетические затраты на формование, является мощность повторного электроподогрева ленты стекла Рт, материальные затраты - содержание олова в стекле Ол и связанный с ним унос олова из флоат-ванны. Качество формования оценивается разнотолщинностью (Рт), блюм-эффектом (Бл), кривизной (Кр), оптическими искажениями, измеряемыми по методу «зебра» (36) и методом отраженного растра (Ра). Таким образом, векторный критерий имеет вид:

Р = (Рпн,Ол,Бл,Рт,Кр,Зб,Ра) (5)

Компромисс локальных критериев разрешался с использованием принципа выделения одного оптимизируемого критерия, а на остальные накладывались ограничения. Одношаговая задача управления с использованием алгоритмов линейного программирования была сведена к последовательности задач безусловной минимизации с использованием метода штрафных функций.

Штрафная функция алгоритма управления мощностью повторного нагрева ленты стекла имеет вид:

м1(^,ъ2,ъ}#АМ,1) = х](ь0 + ь$2+ь2с12+ь3ъАОО + Ь4Ь)+

+ Хг\тт[А ~(га0 + + гагв2 + га3в3 + га4вА00 ), 0] + + Л-з | тт[- 50 + (г0 + гуУАй1 + г20, + г3в2 + 2 + г58 ¿0] + + ХА\тт[0.02 - (гГ10 + пиУА6, + + г*130, + *1402 + г/155;,0] (6) + Х5\тт[0.02 - (П20 + П21УАй1 + г/ив, + ^2302¿0] + + Х6\тт[0.025-(к1Ь + к2Ъш + к31ё ;,0] + 1000000 * \тт(\2\5 - Д0,_2 % - 7,0^ + + \тт(\\ 88 - Д02_3 ^ - 8,0>} + + |т/иГ|8-Д03^бо;|-5.5,04]

где ДО 1-2 = 01 - 02, Д02-3 = 02- 03, Лбз-вых = 0з - 0вых, г,, 1% Ь, - регрессионные коэффициенты адаптивных моделей,

X, = 1.008, Х2 = 41.67, Х3 = 25, X* = 3503.34 , Х5 = 5000, = 62.5.

Штрафная функция алгоритма управления содержанием олова в стекле: Мг(в1,в2,В3,9АМ,1) = оа + о1в3 + о2 Вш +о3С/2 +о45; + + X,\тт[4 - (га0 + га£м + га2В2 + га3в3 + га,ВАОб ), 0] + + Х2\тт[- 50 + С20 + г,Уш + г20, + г302 + г4С{ 2 + г58;,01 +

(7)

+ Х3 \тт[0.02 - (+ г^Ул0/ + паВм + гГие, + гГ1402 + гГ158;,0] + А.4|т/«[0.02 - (г120 + Пгут + гг220, + П13В2 ),0] + + Хъ|т/л[0.025 - (кхЪ + к2Вш + к31ё ;,0] + 1000000 * \тт(\2\5 - Д0,_2 - 7,0 +

+|тшГ|188-де2;3;|-8,о;| +

+ |тшф-Д03_/(йо;|-5.5,О;|]

где Хх ®= 15, Х2 = 15.792, Х3 = 109.472, Х4 = 200, ^ = 1076.2.

Коэффициенты штрафа подбирались постановкой на ЭВМ вычислительного эксперимента с использованием центрального композиционного ро-татабельного плана второго порядка.

Для исследования эффективности разработанных алгоритмов было проведено моделирование системы управления флоат-ванной с использованием реальных данных, собранных с объекта автоматизации. Схема моделирующего алгоритма приведена на Рис.3.

3

Восстановление аномальных наблюдений

-6-

Адаптация модели

Минимизация штрафной функции

8-

Вывод результатов моделирования

С

Останов

Рис. 3. Схема моделирующего алгоритма

Использование разработанных алгоритмов приводит к снижению материальных затрат на 9% при управлении содержанием олова в стекле и энергетических затрат на 20% при управлении мощностью повторного нагрева.

Учитывая ббльшую долю энергетических затрат в цеховой себестоимости продукции по сравнению с материальными, алгоритм управления мощностью повторного нагрева является более предпочтительным.

В четвертой главе описано внедрение результатов исследований, которое заключается в реализации разработанных моделей и алгоритмов в виде подсистемы статистического анализа и управления флоат-ванной в составе системы поддержки принятия решений (СППР) «Технолог стекольного производства», которая эксплуатируется в ОАО «Борский стекольный завод».'

Место СППР в структуре ИС производства полированного стекла приведена на рис. 4.

Рис. 4. Структура ИС производства полированного стекла

На нижнем уровне управления располагаются датчики, контроллеры, операторские и лабораторные системы. Они обеспечивают управление технологическим процессом, мониторинг которого в реальном масштабе времени осуществляет PI System.

Оперативные данные аккумулируются в БД PI-сервера. Здесь производится их архивация и длительное хранение. Отсюда информация посредством открытого интерфейса баз данных PI-ODBC передается по запросу потребителям: SAP R/3 и СППР «Технолог стекольного производства».

Технология подготовки и принятия решений представлена на Рис.5.

Сбор Контроль Моделиро- Принятие Выдача

данных данных вание решения результатов

9--•-•-•-•-•

Рис. 5. Технология подготовки и принятия решений

СППР «Технолог стекольного производства» состоит из двух программных компонентов: диалоговой системы и конфигуратора. Основным режимом функционирования системы является диалог с пользователем.

Пользователь-технолог, оперируя предоставленными в его распоряжение объектами, реализует технологию поддержки принятия решений.

В данном режиме математические объекты, доступные для редактирования в режиме конфигуратора, используются неявно при выборе пользователем соответствующего пункта меню.

Режим конфигуратора служит для настройки системы на определенную задачу и корректировки моделей объектов управления. Настройка заключается в создании интерфейса пользователя и математической модели объекта управления. Модели сохраняются в базе данных и используются технологом при расчетах.

Проектирование СППР и разработка программного обеспечения системы проведено по объектно-ориентированной технологии в среде Borland Delphi 6.

Показана возможность переносимости разработанных моделей на схожие объекты управления (флоат-ванны технологических линий типа «Пил-кингтон») благодаря заложенному в них алгоритму адаптации коэффициентов.

Настройка моделей на новый объект производится подбором начальных значений регрессионных коэффициентов без изменения структуры уравнения. Переносимость алгоритмов управления возможна без внесения изменений в их структуру.

Испытание разработанных моделей и алгоритмов управления на реальном объекте показало их эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа систем управления процессом формования ленты стекла на расплаве показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование действующих автоматизированных систем на основе использования математических моделей.

2. Построены линейные регрессионные модели, описывающие зависимость «режим - качество стекла», вырабатываемого флоат-способом. Требуемая точность моделей обеспечена засчет уточнения коэффициентов моделей в процессе их эксплуатации. Показана переносимость разработанных математических моделей на аналогичные производства стекла флоат-способом.

3. Сформулирована задача управления процессом формования как многокритериальная задача оптимизации в пространстве режимных переменных. Обосновано применение метода компенсационного управления флоат-ванной с использованием разработанных моделей. Разработаны и исследованы алгоритмы управления процессом формования по критериям минимума содержания олова в стекле и минимума мощности повторного нагрева ленты стекла.

4. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной подсистемы управления процессом формования для принятия решений по коррекции температурного режима флоат-ванны. Подсистема включена в состав СППР «Технолог стекольного производства», которая эксплуатируется на технологических линиях ОАО «Борский стекольный завод».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Шортов A.B., Макаров Р.И. Информатизация технологического процесса производства листового стекла. Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-14: Сборник трудов Международной научной конференции в б томах. Т.6. / Смоленский филиал Московского энергетического института, Смоленск, 2001, с.228.

2. Шортов A.B., Макаров Р.И. Система поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства». Компьютерные и информационные технологии обработки и анализа данных: Сборник научных статей / Под ред. С.С. Садыкова. - Муром, Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2001, т.1, с.155-160.

3. Шортов A.B., Макаров Р.И. Разработка математической модели процесса формования ленты стекла на расплаве олова. Сборник трудов 15 международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Тамбов, 2002,3 стр.

4. Шортов A.B. Алгоритмы восстановления информации в ИУС. Данные, информация и их обработка: Сборник научных статей / Под ред. С.С. Садыкова, Д.Е. Андрианова - М.: Горячая линия - Телеком, 2002, с. 146-151.

5. Шортов A.B. Алгоритм управления процессом формования ленты стекла на расплаве олова. Материалы международной научно-технической конференции «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники», Владимир, 2002, с. 88-89.

6. Шортов A.B. Разработка моделей «режим формования - качество ленты стекла». Разработка математических моделей и алгоритмов управления для статистического анализа и регулирования процесса формования ленты стекла в составе программного комплекса «Технолог стекольного производства»: Научно-технический отчет по теме № 2473/01 (гос. per. № 01.200.2 01289). Владимир: ВлГУ, 2002. - С. 2 - 50.

7. Шортов A.B. Математическое моделирование процесса формования ленты стекла на расплаве олова. Материалы сборника научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации" / Под ред. В.В.Ромашова, В.В.Булкина. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2003, с.287-291.

JIP № 020275. Подписано в печать 27.05.03. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ.л.0,93. Уч.-изд. л.0,95. Тираж 100 экз.

Заказ

Редакционно-издательский комплекс Владимирского государственного университета. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

" iii4o

,i 111 4 О

1

J

'j

i

ВВЕДЕНИЕ.

L ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМОВАНИЯ ЛЕНТЫ

СТЕКЛА НА РАСПЛАВЕ ОЛОВА.

1.1. Особенности процесса формования ленты стекла как объекта управления.

1.2. анализ зависимости свойств и пороков стекла от режима формования.

1.3. Анализ системы управления процессом формования ленты стекла.

1.4. анализ использования математического моделирования при автоматизации процесса формования ленты стекла.

1.5. Постановка задачи управления.

Выводы по главе 1.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ ЛЕНТЫ СТЕКЛА НА РАСПЛАВЕ ОЛОВА.

2.1. анализ задачи моделирования.

2.2. Определение требований к исходной информации и организация ее сбора.

2.3. Определение параметров и переменных модели.

2.4. Обоснование критериев оценки адекватности моделей.

2.5. Разработка моделей «режим формования - качество ленты стекла».

Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМОВАНИЯ.

3.1. Обоснование и выбор метода решения задачи управления.

3.2. Формализация задачи управления.

3.3. Разработка алгоритмов управления.

3.4. Исследование эффективности разработанных алгоритмов.

Выводы по главе 3.

4. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Место подсистемы управления флоат-ванной в структуре АСУ производством листового стекла.

4.2. Программная реализация подсистемы управления флоат-ванной.

4.3. Испытания моделей и алгоритмов управления.

Выводы по главе 4.

Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Тенденция развития производства в мире такова, что флоат-процесс, как новейший и более прогрессивный, вытесняет остальные способы выработки стекла.

Важнейшей стадией производства листового стекла флоат-способом является процесс формования ленты стекла на расплаве олова.

Значительная часть дефектов готовой продукции вызывается отклонениями от оптимального режима формования.

В связи со сказанным, целью диссертационной работы является повышение качества вырабатываемой продукции засчет автоматизации процесса формования ленты стекла с использованием математических моделей.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие научно-технические задачи:

1) сформулирована задача управления процессом формования,

2) созданы математические модели, позволяющие проводить статистический анализ процесса формования и принимать решения по коррекции режима работы флоат-ванны,

3) разработаны алгоритмы управления режимом формования ленты стекла на расплаве олова,

4) разработана подсистема управления процессом формования и оценена эффективность ее использования по сравнению с ручным ведением процесса.

Использование разработанного математического аппарата для управления флоат-ванной на технологической линии типа ЛПС-5000 в ОАО «Борский стекольный завод» позволило улучшить качество готовой продукции и уменьшить энергетическую составляющую затрат на формование ленты стекла.

СОКРАЩЕНИЯ

АРМ - автоматизированное рабочее место

АСУ - автоматизированная система управления

АСУП - автоматизированная система управления предприятием

АСУТП - автоматизированная система управления технологическим процессом

БД - база данных

БФМ - бортоформующая машина

ИС - информационная система

КИС - контрольно-испытательная станция

ЛПС - линия производства стекла

МГТН - мощность повторного нагрева

МРА - множественный регрессионный анализ

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОС - операционная система

ПО - программное обеспечение

ПС - полированное стекло

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

СППР - система поддержки принятия решений

СУБД - система управления базами данных

ЦЗЛ - центральная заводская лаборатория

ФВ - флоат-ванна

DCS - Distributed Control System (распределенная система управления) DSN - Data Source Name (имя источника данных)

ODBC - Open DataBase Connectivity (открытый интерфейс доступа к БД) OLTP - OnLine Transaction Processing (обработка транзакций в реальном времени),

PI - Plant Information (производственная информация)

SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (система операторского контроля и сбора данных)

ОБОЗНАЧЕНИЯ

5 - толщина ленты стекла b - ширина ленты стекла v - скорость ленты стекла

9Вк - температура входного канала

0|, 02> 0з - температура олова в 1, 12, и 20 пролетах флоат-ванны 0вых температура ленты стекла на выходе из флоат-ванны Vbom - скорость бортоформующих машин

Сог - процентное содержание кислорода в защитной атмосфере С|-|2 - процентное содержание водорода в защитной атмосфере QN2 - расход азота на создание защитной атмосферы Qh2 ~ расход водорода на создание защитной атмосферы Вл - влажность защитной атмосферы Р - давление защитной атмосферы z-„ rai? rtjj, bj, k- коэффициенты адаптивных моделей показателей качества Х - коэффициенты штрафа

Бл - степень диффузии олова в поверхность стекла (блюм-эффект) Рт - разнотолщинность

Ра - оптические искажения, измеренные методом отраженного растра 36 - оптические искажения, измеренные методом «Зебра» Кр - кривизна стекла Пл - плотность стекла

1. Постановка задачи управления процессом формования ленты стекла на расплаве олова

Производство листового стекла характеризуется непрерывностью технологии, начиная от поступления сырья и заканчивая выпуском готовой продукции, а также взаимной обусловленностью процессов, протекающих в смежных цехах и на отдельных участках. По масштабу выпускаемой продукции стекольное производство относится к числу крупнотоннажных. Суточная выработка стекла на флоат-линии достигает 600 тонн.

Технологический процесс производства листового стекла флоат-способом (Рис. 1.1) включает в себя подготовку шихты и возвратного стеклобоя (1), варку стекломассы (2), формование ленты стекла (3), отжиг (4), а также резку и раскрой стекла на форматы (5).

Подготовка сырьевых материалов и их смешивание в однородную шихту протекает в цехе подготовки шихты. Допустимое содержание химических соединений в шихте ограничивается технологическим регламентом и существующими стандартами предприятия. Стекольный бой является отходом производства, который используют при варке стекла с целью его утилизации.

Варка стекломассы проводится в крупных ванных регенеративных печах, отапливаемых природным газом. Мощность стекловаренных печей достигает 57.5 - 140 МВт. Технологический процесс варки должен обеспечивать химическую и термическую однородность стекломассы, поступающей на формование.

Лента стекла формуется во флоат-ванне на поверхности расплавленного олова в результате растекания стекломассы под действием сил тяжести при организованном оконтуривании и передвижении в направлении выработки.

Отформованную ленту охлаждают в печи отжига до комнатной температуры таким образом, чтобы освободить стекло от напряжения. Отжиг проводится в горизонтальной туннельной печи в диапазоне температур 540-470°С.

После отжига лента поступает на автоматизированную транспортную линию, где осуществляется резка и раскрой на заданные форматы. К

Л1.Г;Т!.|,

ПРОИЗВОДСТВО СТЕКЛА ФЛОАТ-СПОСОБОМ ч 'М'лЧТА '' !? Я т

711 и

1! Подготовка 'шихты.

Стекловаренная печь

Возвратный стеклобой Флоат-ванна гД , Печь отжига

Резные столы

Рис. 1.1. Схема технологического процесса производства листового слекла флоат-способом

Выводы по главе 4

1. Создана подсистема поддержки принятия решений по коррекции режима работы флоат-ванны с использованием разработанных моделей и алгоритмов управления. Подсистема находится в промышленной эксплуатации в инженерном отделе и отделе управления качеством ОАО «Борский стекольный завод».

2. Показана эффективность использования подсистемы при статистическом анализе процесса производства листового стекла и выработке корректирующих действий при управлении флоат-ванной.

3. Показана переносимость разработанных моделей и алгоритмов управления на флоат-ванны при производстве листового стекла толщиной от 2.5 до 10 мм.

Заключение

1. На основе анализа систем управления процессом формования ленты стекла на расплаве показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование действующих автоматизированных систем на основе использования математических моделей.

2. Построены линейные регрессионные модели, описывающие зависимость «режим - качество стекла», вырабатываемого флоат-способом. Требуемая точность моделей обеспечена засчет уточнения коэффициентов моделей в процессе их эксплуатации. Показана переносимость разработанных математических моделей на аналогичные производства стекла флоат-способом.

3. Сформулирована задача управления процессом формования как многокритериальная задача оптимизации в пространстве режимных переменных. Обосновано применение метода компенсационного управления флоат-ванной с использованием разработанных моделей. Разработан и исследован алгоритм управления процессом формования по критерию минимума содержания олова в стекле.

4. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной подсистемы управления процессом формования для принятия решений по коррекции температурного режима флоат-ванны. Подсистема включена в состав СППР «Технолог стекольного производства», которая эксплуатируется на технологических линиях ОАО «Борский стекольный завод».

1. Кондратов В. И., Файнберг Е. В., Безлюдная В. С. Развитие флоат-процесса производства листового стекла. Стекло и керамика, 6'2000, с. 11-14

2. Тарбеев В. В. Прогрессивные технологические процессы при производстве полированного стекла на Борском стекольном заводе. НН: Институт повышения квалификации руководящих работников и специалистов, 1997.115 с.

3. Кондратов В. И., Безлюдная В. С. Способы выработки флоат-стекла толщиной более равновесной. Стекло и керамика, 3'99, с.3-8.

4. Кондратов В. И., Безлюдная В. С. Особенности формования утоненного флоат-стекла и перспективы его развития (обзор). Стекло и керамика, 1 '2000, с.4-8.

5. Гойхман В. Ю., Полохливец Э. К., Живенкова Г. Г., Фабрикант С. А., Зуди-лов Б. В., Куценко J1. В. Особенности формования ленты стекла толщиной более равновесной. Стекло и керамика, 8'90, с. 10-11.

6. Тарбеев В. В. Сокращение вредных выбросов в атмосферу при выработке полированного стекла. Стекло и керамика, 2'98, с.3-5.

7. Кучеров О.Ф., Маневич В.Е., Клименко В.В. Автоматизированные системы управления производством стекла. Л.: Стройиздат, 1980

8. Вахула Я.И. Влияние газовой среды на кристаллизацию поверхности стекла- Стекло и керамика, 5'99, с. 12-14.

9. Гороховский A.B., Матазов К.Н., Плеханова E.H., Герман Е.В. Влияние состава атмосферы ванны расплава олова на микротвердость поверхности флоат-стекла. Стекло и керамика, 6'99, с.6-7.

10. Хорошева Е.Р. Автоматизация процесса стекловарения в производстве листового стекла флоат-способом. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владимир, 1999.

11. П.Лукашин С.А. Автоматизация процесса отжига полированного листового стекла. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владимир, 2001.

12. Тарбеев В.В. Производство листового и безопасного стекла.- Стекло и керамика, 6'98, с.8-10.

13. Макаров Р.И., Дубов И.Р. Алгоритмы прогнозирования в задачах АСУ ТП стекольных производств Стекло и керамика, 9'89, с. 19-20.

14. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 2001.-343 с.

15. Солинов В.Ф., Каплина Т.В. Влияние олова на состояние нижней поверхности флоат-стекла. Стекло и керамика, 3'97, с.7-10.

16. The Handbook of Glass Manufacture. Vol 1,2. Ashlee Publishing Co., Inc, 1984.-1240p.

17. Glass Processing Days. 6th International conference on Architectural and Automotive Glass Now and the Future. Tamglass Engineering Oy, Finland, 2001.

18. Макаров P.И., Хорошева E.P., Лукашин С.А. Автоматизация производства листового стекла. / Под. ред. Р.И. Макарова, ВлГУ, 2000 248 с.

19. ГОСТ 111-2001. Стекло листовое. Технические условия.

20. Племянников Н., Крупа А. Моделирование в стеклоделии. Стекло мира, 4/2000, с.67.

21. Бородюк В.П., Лецкий Э.К. Статистическое описание промышленных объектов. М.: Энергия, 1971. - 112 с.

22. Теория статистики / Под. ред. P.A. Шмойловой. М.: Финансы и статистика, 1998.

23. Четыркин Е.М. Статистические методы прогнозирования. М.: Статистика, 1977.

24. Гороховский А. В. Формирование поверхностных структур термически полированных стекол. Стекло и керамика, 2'97, с.8-12.

25. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1. М.: Мир, 1974.

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

27. Кондратов В.И., Безлюдная B.C., Зверев Ю.В. Влияние режимов и способов формования на содержание олова в флоат-стекле. Стекло и керамика, 6'98, с.3-5.

28. Ланцов В.Н. Моделирование: Учеб. пособие. Часть 1 / ВлГУ, Владимир, 1999,88 с.

29. Копчекчи Л.Г. Причины повреждения поверхности термически полированного стекла при его выработке. Стекло и керамика, 5'99, с.6-8.

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

31. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей сложных систем. Киев: Наукова думка 1982. - 295 с.

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

33. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978.-419 с.

34. Гулоян Ю.А. Эксплуатационная надежность стеклянной тары. Статья. Научно-исследовательский институт стекла.

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

36. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.

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

38. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Краткий курс математической статистики для технических приложений. М.: ФизМатГИз, 1959

39. Статистика. // Под ред. Струмилина С.Г. М.: Статистика, 1969

40. Смилянский Г.Л., Амлинский JI.3., Баранов В.Я. Справочник проектировщика АСУТП. М.: Машиностроение, 1983

41. Макаров Р.И. Моделирование на ЭВМ инерционных промышленных объектов непрерывных производств. Учебное пособие. Владимир, 1985.

42. StatSoft, Inc. (2001). Электронный учебник по промышленной статистике. Москва, StatSoft.

43. WEB: http://www.statsoft.ru/home/portal/textbookind/default.htm.

44. Тарбеев В.В., Шепелев Д.Н., Бутняков А.И., Цепелева Т.Г. Производство стекла. Н.Новгород: ФГУИПП «Нижполиграф», 2002.

45. Matlab Optimization ToolBox User's Guide. Math Works, Inc., 2000. WEB: http://www.matlab.com.

46. Matlab Statistics ToolBox User's Guide. Math Works, Inc., 2000. WEB: http://www.matlab.com.

47. Система поддержки принятия решений «Технолог стекольного производства». Технический проект. ВлГУ, 2001.

48. Статистические методы повышения качества. Пер. с англ. / Под ред. Х.Кумэ. М.: Финансы и статистика, 1990. - 304 с.

49. Автоматизация предприятий стекольной промышленности. / Под. ред. Г.Бретфельда. М.: Стройиздат, 1985. - 164 с.

50. Pincus A.G. Forming in the Glass Industry (in 2 parts). Ashlee Publishing Co, Inc., 1983.-498 p.