автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная система управления процессом каскадной зонной очистки

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

ХОТУНЦОВА СВЕТЛАНА ВЛАДИМИРОВНА

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КАСКАДНОЙ, ЗОННОЙ О. ЧИСТ К И

05.13.07 - автоматизация технологических процессов и производств (промышленность) •

АВТОРЕФЕРАТ.-диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 191

Работа выполнена в Санкт-Пе гербургском Технологическом иястьгуте.

Научные руководитель: доктор технических наук, профессор Кашмет Владимир Васильевич;

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Лазаренко Юрий Петрович. (

Официальные оппоненты: доктор физико-матемагтческих

наук, профессор Романов Вадим Петрович;'

кандидат технических наук, ■рцент Рукин Владимир Львович. Ведущее предприятие: Волховский алюминиевый завод. Защлта состоится <?//' мая 1992г ъ/£ часов на заседании Специализированного Совета Д.063.25.II в Санкт-Петер-Оургсксм Технологическом шституте по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский проспект, 26. .

Отзывы и поколения присылать по названному адресу. С. диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институте.

Автореферат разослан

■Л/. №. 1992г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ У К.Т.Н.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА В.И.Халимон

;

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Возросшие требования современной промышленности к остаточному содержанию примесей в высокочистых веществах делают невозможным или затруднительным управление процессами глубокой очистки на основе экспрессного анализа содержания лимитирующих очистку примесей. В связи с развитием техники проведения анализов, позволившей определять кснцентрации примесей до Ю-5 масс %, появилась возможность построения математической модели, адекватно описывающей реальный процесс очистки.

В настоящей работе проведено теоретическое исследование перераспределения примесей при зонной перекристаллизации и построена математическая модель каскадной зонной очистки, на основе которой разработана автоматизированная система опт®гального управления процессом каскадной зонной очистки. Разработка и внедрение системы оптимального управления процессом каскадной зонной перекристаллизации позволит повысить эффективность очистхш, снизить уровень содержания примесей в очищаемых металлах или полу.гроводниках, что является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планом проведения хоздоговорных работ Технологического института. I■ ¡/

Цель и задачи работы. Целью работы являлись разработка и внедрение автоматизированной системы оптимального управления процессом каскадной зонной очистки с целью повышения ее производительности. При этом ставились следе .лив

задачи:

- осуществить анализ процесса каскадной зонной очистки, на его основе разработать структуру математической модели объекта управления и сформулировать критерий качества управления;

- произвести теоретическое исследование перераспределения примесей при зонной перекристаллизации;

- получить уравнения, описывающие перераспределение примесей в неконсервативном случае при отсутствии ограничений на коэффициенты диффузии примесей в материале контейнера;

- построить физически адекватную математическую модель перераспределения примесей при зонной перекристаллизации; .

- разработать метод определения эффективных коэффициентов распределения но небольшому числу экспериментальных данных и построить алгоритм расчета;

- на основе выявленных закономерностей перераспределения примесей при зонной перекристаллизации провести теоретическое исследование процесса каскадной зонной очистки как

л

объекта управления;

- по результатам проведенного исследования осуществить синтез алгоритмов системы оптимального управления.

Научная новизна и значимость результатов работы. Теорет'тческая новизна исследования состоит в том, что в работе впервые на основе теоретического анализа закономерностей процессов массообмена при отсутствии каких-либо ограничение на параметры контейнера получено выражение для удельного загрязняющего потока в зону расплава из контей-

нера при зонной перекристаллизации. Построена математическая модель зонной перекристаллизации с учетом загрязняющего дейстьия графитового контейнера. Построена математическая модель процесса зонной перекристаллизации, пригодная для целей управления, и разработан алгоритм, позволяющий осуществлять параметрический синтез модели зонной перекристаллизации по результатам анализов содержания примесей вдоль слитка после нескольких проходов зонной перекристаллизации.

Практическая значимость проведенного исследования состоит в том, что: .

г "а основе теоретической модели процесса каскадной зонной очистки разработаны соответствуицие алгоритмы оптимального управления, позволяющие осуществлять сбережение энергии и рабочего времени;

- выработаны рекомендации по выбору параметров контейнера, позволяющие снизить загрязняющее действие аппаратуры. Защищаемые положения.

1. Построена математическая модель зонной перекристаллизации, учитывающая эффект очистки материала контейнера.

2. Получена полуэмпирическая модель перераспределения примесей, адекватно описывающая процесс перераспределения примьсей при зонной перекристаллизации на реальной промышленной установке.

3. Разработаны алгоритмы автоматизированной системы оптимального управления процессом каскадное зонной очистки.

/пробация работы. Основные научные результаты, изло-

- б -

кенные в диссертации, докладывались на совещании "Интенсификация тепловых массобменных и физико-химических процессов в металлургических агрегатах" (Свердловск,1989), на III Региональной конференции "Аналитика Сибири" (Иркутск,1990).

Публикации. По материалам диссертации опуб^шковано 6 печатных работ.

Объе! работы. Диссертация состоит из введения, четырех . глав, заключения и приложений. Общий объем работы составляет Iis страниц, включая 17 рисунков и s таблиц '.

СОДЕРЖАНИЕ 7~ 'ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается состояние исследуемой проблемы и . краткое содержание основных этапов работы.

В первой главе рассматриваются особенности технологии получения веществ особой чистоты методом каскадной зонной перекристаллизации. Приводится характеристика процесса, как объекта управления.

На основании анализа техн!}ко-экономических показателей процесса глубока очистки вводится критерий качества qs, пропорциональный производительности работы установки по готовому продукту, и ¡^.пропорциональный выходу готового продукта. Формулируется задача синтеза оптимального управления.

Вторая глава посвящена разработке математической теории зонной перекристаллизации. Перераспределение примесей с учетом сагрязнявдего действия материала аппаратуры определяется уравнениями

бОп(х) от

= г

0 = 7 X . +й7 л о

Сп(1г-1-0) = Сп(Ъ-1+0)

аОп(х) И?

спгх;

или

при ( I )

(3).

при Ь-КкЬ

(4)

С(х) = СО-1}/к п и

При Ь-1<Х<1 (5)

Здесь х - расстояшэ от начала образца, I - длина расплавленной зоны, I - длина образца, Сп(х) - распределение примеси вдоль образца после п-гб прохода зоны, к - оффектив-ный коэффициент распре деления пришси, 7° и 7п(х) - уд&ль-

ные загрязняйте потоки, связаннне с плотностью потока

♦

¿па,х) примеси через поверхность раздела контейнер -расплаз следутсщзн образом:

I,

к. 1

I

\<х> ' зг'тт/

~0 = V

'п.

г (х-^у/у

яг о

/

46)

(7)

где г;=1, при Осгс!

г,=ь, при. 1г-кх<1 5К - площадь контакта расплава с контейнером, 3 - площадь попречного сечения, 7 - скорость движения зоны.

На основе решения' задачи диффузии с нестационарными краевыми условия?,и были получены Еыраяеяил для и 7^. Характер зависимости 7 (х) и 7° от. скорости кристалл!!-

|тг*- П7

зации определяется параметром ге, ж=—где В - коэффициент?

ент диффузии примеси в контейнере, <3 - толщина контейнера.

Показано, что для малых ге в случае, когда С^(з:)»Сп(х), молено считать удельный загрязняющий поток постоянным .

Для х»1, что соответствует, например, использованию графита в качестве материала контейнера, получены приближенные выражения:

где С*ск) - распределение прж, юи в контейнера после л.-го прохода. По уравнениям (1)-(3), (5) с использованием (3), (Э) были ссставлены алгоритм и программа для ЭВМ и произведены расчеты. Результаты расчетов грисэдеш на рис.1,2.

/нализ получениях формул и розультатои расчетов позволяет сделать ряд заключений, которые носят практический ларактер: в процессе зонной перекристаллизации происходит очкетк" материала контейнера; при большом числе проходов существенную роль в снижении эффективности очистки играет загрязняющий коток из загрязненной части контейнера, вследствие этого нежелавольно многократно© использование лодочзк; выбором пара,мэтров а, й/Т, С^/Б можно добиться

(8)

1

го;]| о)

%

а

' !.г о» «6 о,4 о,г

О

Вю. I. Кришз распределения прямасай, рассчитанное по подоля Пфанна /—/ и с учотсм измекявщогосп эпгрйзкжэщзгосл потопа, (с?»юс0 ;к-о,(; е/»4; **о.{)

. íf и

I о

0,6 о,! 0,2

О

Рис. 2. Распределение угольного зйгрязняшцэго потока по длине слитка (С** (0Са ; 0, (,&>*{<?}

днииения загрязняющего действия контейнера.

харатья глава посвящена выбору математической модели перераспределения примесей при зонной перекристаллизации, идентификации параметров модели по экспериментальным, дан- '

ным. Плавки проводились на опытной устеновке ВЛж! и на '

' р '

•■' ВЛЗе им. Кирова.. Анализы содержания примесей были проведены ВАШ При этом были использованы масс-спектральный . (точность 20% относительных) и нейтронно-активационный . (точность 30%) методы анализа, которые являются чрезвычайно дорогостоящие и 'трудоемкими.

- В результате ана/жза экспержентельных,' Данных была' №}бдат полуэмпирическая математическая модель.

С « c-cfï, (10)

п TI .

где G - параметр модели, (Р® - концентрация примеси, рас-читанная по Пфанновской модели, которая не учитывает загрязняющего действия аппаратуры. Расчеты по.(1)-{5) о учетом загрязнения показал™, что параметр. С отракаэт загрязняющее действио контейнера, учтенное в Пфанновской мод пи.

Для оценки эффективных коэффициентов распределения к и параметра С был использован метод найденыше квадратов. Возможность применения результатов линейной теории

для нелинейной по й модели проверялась по критерию Биля.

\

По экспериментальным данным был;! построены доверительные всесоюзный Алшиниевп-''агниевый институт гЕолхозский Алюминиевый завод им. С.М.Кирова

области параметров С к к. Пересечение - доверительных областей, построенных по .наборам данных, ' полуденных для

различного числа проходов, свидетельствует об адекватностй

• 1

математической модели.Результаты расчетов представлены а

Таблицах I и 2. "

■ • " Таблица I

Распределение •'щта^есей меди и марганца ' по слитку й

результаты расчетов. I набор экспериментальных данных'1

Пр им ее ь Час ло про хо Содержание примесей на расстоянии,от начала слитка (в длинах зоны)«Ю^масй С_ а +

дов О.УЬ Ь 6,5 В ,

Си 3 6.5 13,8 21,5 21,1 19,8 0,4 0,65 14 33

4 0,25 3,8 7,0 7,2 12,5 0,24 0,31 21 37

5 0,1 2,0 5,4 4,6 16,2 0,25 0,36 6 22

Мп 3 , 4,8 5,0 4,8 4,3 4,3 0,89 1,05 3,5 6,6.

4 6,2 4,7 6,8 5,6 6,4 0,92 1 5,1 6,9

5 6,0 5;! 7,4 7,1 8,3 0,89 1,05 6,3 7,9

Распределение

примесей

меди ...и

" Таблица 2 железа • по слитку

результаты расчетов. !!■ набор эксперименталышх данных

Пр им ее ь Чио ло про хо дов Содержание примесей на рь^сто-янш от начала ■ слита (в длинах зонч)'<?04 мае» к_ к+ С_ 1

1 2 о ■4 5 б 7 8

Си < • 3 5 7 1,3 1,6 0,4 0,4 2,7 2,7 0,6 0,4 2,8 2,9 0,6 0,5 2,8 0.7 0.6 2,8 4,0 0,9 0,7 2,8 4,4 1.1 0.9 3,2 6,0 1,9 1.4 4,5 15 2,9 3,3 0,31 0,33 0.5 0,65 0,6 0,8 1.7 0.4 0,2 2.7 0.9 0.7

1 4 1 1,3 1,4 1.6 1.7 2.0 2,0 2,1

ГР 3 1 1,2 1,4 - 1,5 1.4 1,7 4,4 0,78 1,01 0,8! 1,1

5 1.6 1,1 1,4 1,4 1.5 1.4 1,4 1.4 0,85 1,05 0,75 0,9

7 1,2 1,4 1.0 1.0 * 4 ' > 1.2 1,5 2,0 0,91 0,96 0,7в 0,8

' - 12 -

;Примечание: С_и - границы доверительных

■интервалов соответствующих,параметров с 90% вероятностью.

ЧвтверТ'"Я-глава посвящена синтезу оптимального управ-угодоя "процессом каскадной зонной очистки. Для приближенно- : го"решения этой задачи из основной задачи управления была ршделека" подзадача управления блоком резки и компоновки.

11а рис.З приведено суммарное распределение после трех проходов зоны примесей с &=0,Р и. &=Б для одинакового исходного. содержания этих примесей. Такой-вид кривых характерен при-.наличии пршвсей обоих типов к'1 и &>7. Как вид- ; но из рисунка/ в середине слитка имеется'"плато", где кон- . центрация яркмеоей слабо меняется, а па. донцах слитка -резкие "всплески". Показано, ч^о оптжяльккми точками для .резки являются точки"!,, 12, 1Э, 14, 15, 1б. 11 и Iг обозначены точки, где 'суммарная концентрация в точности равна ' исходной..Тогчами 13 и 14 обозначены края ''плато". В точ- . ках.75'к 76 концентрация достигает заданного уровня (а00). В зерчсимости от чрикретного порядка следования точек разрезания. некоторые из указанных отрезков могут отсутствовать. На, каждой ступени загрязненные концы (0,1,) -и :'1.2,1)„ а .таит очщенные_ части - (15Л6) удаляются л в дальнейшем цроцессе че- участвую»1. Из одинаковых частей собираются новые 'слитки, которые участвуют в дальнейшем процессе очистки. Распределение суммарной концентрации после сборки, приведено на рис. 4.

Суммарное распределение пр'лчесэй для каждой ве*чпшш дорова однозначно определяет точки резки и способ сборки новых образцов. Таким образом, задача упреыовия сводится.

Çr Q

O.S

at «<

о,г о

/

у /

г — -ri

hh t'i lt U h 4

Bio. 3. Распределятся сужартоЯ кскцвнтрацгш прж/госзй и ïcviîh резки еяетка

г

С

Q

с,s

at

а

S £

p i г з i s 5 i Ряс. 4. Распрздзлопгтэ cjmrprion ксггц-г'.пг.ц-г;: п';л;г по дяшю штка з/ з ея'ото I т'.гсл, и/ о кэ II типа

JC'jîi

7

0 'задаче' дискретной оптимизации,'..Показано, что целевая

фикция такого,процесса является кусочно-постоянной функ-.;'

.Цией эффективных коэффициентов распределения. Это позеоля- - "

1т: при расчетах использовать ' эффективные коэффициенты

'.рарпред? пения, точность которых, определяется интервалами

: постоянства целевой функций.. ' ' , .:'•

Для выбора схеда проведения каскадной зонной очистки - V

.ялюмикия от примесей Б1, Т1, ,Мв и Си с целью снижения сум-

марного,'содержания атих примесей вЮ>-раз были исполь- »

зованн данние анализов полуфабриката. ' Сод^ркаше примесей,

в* исходных образцах- составило (в мае,*) 0,26-Ю~4РЬ;

.0,21• 10г4311 О,18- 10'4ие; 0,08,1д-40и;~Ю'4П. Интер- Р

■валы ттостоянства с^, оказались достаточно широкими:1- •

(О,14; 0.4), п (8,; 3,35), - (0,45; 0,65), . Си. - ;

(0,11; 0,4), Го - (0,13; 0,4);. •

Для решения задачи минимизации бцл использован -метод :

Хука и Зйкцгю. Значения (]т в окрестности найденной ; -

точли максимума приведены в Таблице 3.

... '..,,.. ... Таблица 3

Значения.критериев качества при- различных числах проходов

рагплавлэнчой зоны . ..

, числа г.роходов '. ф». %

1 5 4 3 3 5 3, 0,074 0,61

¡,443333 ■ 0,060 0,51

4 4 4 3 3 3" 0,067 0,47

6 4 4 3 3 3 . 0,0о& • 0,60

5 4 4 3 3 3 0,053 0,6

.■3 3 3 3 3 3 0,057 0,45

Оптимально рхэма проведения процосса представлена в тглницез 4.

Таблица 4

Оптимальная схема проведения каскадной зонной очистки алюминия

№ ступени Число прохо- ДОВ 1; 1г 13 \ г5 У 'б г

1 5 0,13 0,89 0,25 0,76 - -

г 4 0,1 0,945 - - 0.1 0,9

3 ■ 3 ' 0,1 0,94 0,14 0,87 0,3 0,7.

4 3 0,1 0,94 0,13 0,87 0,25 0,75

5* '' 3 0,1 0,95 - - ' 0,1 ■ 0,9

б 3 0,1 0,945 - . - 0,1 0,9

Проведенное исследование позволило определять структуру программного обеспечения разрабатываемой автоматизированной система управления (АСУ), которая представлена на рис.Б.

Указанное программное обеспечение позволяет выполнят« следующие функции разрабатываемой АСУ информационные:

- косвенные измерения технологических параметров, характеризующих состояние оборудования (эффективных коэффициентов распределения);

- прогнозирование хода, процесса (расчет профилей концентраций примесей);•

управляющие:

- оптимальное управление процессом;

- адаптация системы управления (коррекция параметров прогнозирующей модели).

В Приложении приведены примеры распечатки программ и схемы их адпритмсв.

Очьщеннм* проду*т

г-а рам стры

СП I

йяе. 5. Структурная схема АСУ каскадной зонной счисяки

выводы

В ходе проведенного исследования получены еле душите результаты

I. Разработана концепция создания энергосберегающего управления процессом получения металлов и полупроводников особой чистоты методе..; каскадной зонной перекристаллизации, заключающаяся в использовании специально разработанной математической модели объекта управления и создания на ее основе алгоритмов оптимального управления, реализующих достижение цели управления в соответствии с выбранным критерием качества.

На основе анализа процесса каскадной зонной очистки как объекта энергосберегающего управления разработана структура математической модели.

3. Разработана математическая модель^ перераспределения примесей при зонной перекристьллизяции с, учетом очистки материала контеИзгра. Указаны пути сних.енип загрязняющего действия аппаратуры за счет Енборэ параметров контейнера.

4. На основе анализа имеющихся в литературе методов определения эффективных коэффициентов распределения покапана целесообразность определения по результатам .зошюй перекристаллизации с использованием метода . наймет зих квадратов. Произволен параметрический синтез полученной полуэмпирической модели зонной перекристаллизации для действующей установит ВАЗа и опытной установки ВАЖ.

5. Произведена лйкзмпозшкк процесса управления с выделе-ни?«' подзадачи упр^гл".";.?: блоком компоновки и резки. В

\

качестве целевой функции данной подзадачи использовано изменение энтропии разделения примесей при зонной перекристаллизации." На основе характерных особенностей перераспределения примесей при зонной перекристаллизации полу-• чего решение указанной подзадачи.

6. Осуществлен топологический синтез объекта управления, в результате которого топологическая структура объекта управления представляется в виде дерева..Задача синтеза.управления сводится к задаче дискретной оптимизации.

7. Разработаны алгоритм и программа для нахождения критерия качества. Показано, что последний является кусочно-постоянной функцией эффективных.коэффициентов распределения.

'8. На основе результатов выполненного исследования построено ' оптимальное управление • процессом каскадной зонной, очистки алюминия .¿а ВАВе км. С.М.Кирова. 9. Проведала оценка эффективности разработанной системы управления в случае каскадной очистки алюминия. Ожидаемый экономический . эффект для действующей промышленной уста-норки с•производительностью I тонна в год по продукту еос-rt-аит IÎO тыс. рублей.

«

Основные положения диссертации отражены в следующих ■тубликациях :

I. Определение эф активных коэффициентов распределения по результатам зонной перекристаллизации. Лаза^енко Ю.П., Хотуипова C.B., Скобелев В.Н. //Ред.ж.прикл.химии АН СССР. Л., ТЭЗЭ-Эс- рукопись Доп. в ВЖТГИ-20.02.89 Л II0G-B89

2. Определение эффективных коэффициентов распределения по ре- зультатам зонной перекристаллизации / Лазаренко Ю.П., Сердюк В.В., Скобелев В.Н., Хотунцова C.B., Гильберт Э.Н.» Беляков Ю.И., Бахарев Ю.В., Шибаев В.А. // Высокочистне вещества. -1990-М- с.89-92

3. Математическая модель процесса каскадной зонной очистки / Хотунцова C.B., Лазаренко Ю.П., Скобелев В.Н., Сердюк В.В., Ременш Г.Я.// Цветные металлы.-1990.-S 10 -- с.73-76 '4. Прогнозирование распределения микро приме сей в материале для получения стандартного образца алитания особой чистоты / Хотунцова C.B., Серйюк В.Б., Скобелев В.Н., Лазаренко КЗ.П., Ременюк Г.Я.// Тез.докл.III Региональной конференции "Аналитика Сибири" - Иркутск, 1990, с.254

5. Взаимосвязь между остаточным электросопротивлением и концентрацией примесей в . алюминии рсобой чистоты / Хотунцова С.В.,Сердюк В.В., Скобелев В.К., Лазаренко Ю.П., Крижевский В.Д.,|Гильберт Э.нИлТез.докл. III Региональной конференции "Анальгина Сибири"- Иркутск 1990, с.504 е. Хотунцова C.B. Пакет прикладных программ для управления технологическим процессом получения металлоз и полупроводников методом зонной перекристаллизации//Ив5. лист.JS7Ï5-9I -Л ЛенЦНТИ, 1991-Ic.

20.04.92. Зак. - <f О.

FTÏÏ ЛГИ им.Ленсогета

Бесплатно Московский пр.. ?6