автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование обжарочной печи как элемента системы управления тепловым процессом

РГБ ОД ЛСТРЛХЛИСКШ~11 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

комитета рф по рыболовству

- 2 ОКТ 1935

- На правах рукописи прохватилова людмила ивановна

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЖАРОЧНОЙ ПЕЧИ КАК ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ ПРОЦЕССОМ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук.

АСТРАХАНЬ 1995

Научный консультант : доктор технических наук профессор Зарипов М.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Цыкунов Александр Михайлович

кандидат технических наук старший научный сотрудник Акилов Алексей Иванович

Ведущая организация: НП АО "Каспрыбтехцентр"

Защита состоится " 1995 года на заседании

диссертационного совета ' '_' в Астраханском

Государственном Техническом Университете комитета РФ по рыболовству по адресу:

414025, г.Астрахань. ул.Татищева, 16^АГТУ.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Астраханского Государственного Технического Университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана " " (¿Ш&^рЛ^\ 995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета / , ^

/ А) 1/

кандидат технических наук доцент ' ¡п Петрова И. Ю.

Общая характеристика работы.

В диссертации, представленной в форме научного доклада, изложены результаты многолетних исследований, выполненных автором на кафедре автоматизации технологических процессов Астраханского Государственного Технического Университета (бывший АТИРПиХ), на ряде предприятий и посвященных анализу обжарочной печи, исследованию динамических характеристик и разработке, математической модели, разработке шергоинформационной модели теплового процесса печи, синтезу тепловых шементов и системы управления процессом обжарки.

Актуальность проблемы.

В условиях рыночной экономики высокое качество продукции имеет 1ервостепенное значение. Наилучшей перспективой, с точки зрения повышения :онкурентоспособности продукции, обладают консервы из обжаренной рыбы, >вощные консервы. Результаты обследования обжарочных печей показали, что [едостаточная оснащенность средствами автоматизации и использование >учных способов управления технологическим процессом не обеспечивают ыпуска качественного продукта с заданной степенью ужарки и безопасностью с [икробиологической точки зрения.

Требования выпуска качественной продукции обуславливают еобходимость создания автоматических и автоматизированных систем правления процессом обжарки.

Постановка и решение задачи управления возможно только на основе сследования свойств объекта, а также применения для управления ;хнологическим процессом более совершенных технических средств, в том исле микропроцессорной техники.

В последние годы для управления тепловыми и некоторыми другими иерционными процессами стали применяться так называемые термические

-з-

системы управления на базе тепловых элементов, использующих теплопроводность и конвекцию. На основе теплопроводов созданы активные и пассивные теплоэлементы - тепловые сопротивления, тепловые емкости и другие. Однако, совершенствование существующих конструкций тепловых элементов и создание новых остается актуальной задачей.

Цель работы и методика исследования.

Анализ обжарочной печи как объекта управления, исследование динамических характеристик, разработка и идентификация математической модели печи, исследование теплового процесса с использованием энергоинформационного метода, анализ существующих технических средств и синтез тепловых элементов и системы управления процессом обжарки на базе микропроцессорных средств. Методика исследований основана на применении методов теории, автоматического управления, теории конечных автоматов, статистических методов обработки экспериментальных данных, метода аналогий и подобия в соответствии с энергоинформационной моделью'описания цепей (ЭИМЦ) с применением аппарата параметрических структурных схем (ПСС).

Научная новизна.

1. Исследовано влияние изменения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности нагрева на динамические характеристики обжарочной печи.

2. Разработана и идентифицирована математическая модель обжарочной печи, позволяющая распространить ее на целый ряд однотипных технических средств.

3. Впервые с помощью ЭИМЦ и аппарата ПСС разработана энергоинформационная модель и параметрическая структурная схема теплового процесса обжарочной печи.

4. Показана целесообразность применения теории подобия и аналогии энергоинформационного метода для выявления неучтенных потерь в разрабатываемой модели обжарочной печи, совершенствования известных конструкций и создания новых тепловых элементов с распределенными параметрами.

5. Впервые введены параметры "тепловой индуктивности" и "тепловой дедуктивности", расширяющие возможности поиска новых технических решений при использования автоматизированного банка данных физико-технических эффектов.

На защиту выносится следующее:

1. Результаты аналитического и экспериментального исследования теплового процесса обжарки с целью повышения эффективности выбора элементов и системы управления технологическим процессом.

2. Математическая модель обжарочной печи.

3. Идентификация математической модели печи.

4. Энергоинформационная модель и параметрическая структурная схема теплового процесса обжарочной печи.

5. Новые конструкции тепловых элементов с распределенными параметрами.

6. Выбор элементов и система управления тепловым процессом обжарки на базе микропроцессорных средств для паромасляной и электрической печей.

Практическая значимость.

Проведенные экспериментальные и аналитические исследования обжарочной печи позволяют рпоаботать автоматизированную систему управления процессом обжарки, так как полученные математические зависимости распространяются на целый класс однотипных обжарочных печей.

и выбрать чувствительные, управляющие и исполнительные устройства Разработана система микропроцессорного управления процессом обжарки I осуществлен выбор элементов системы управления. Параметры "тепловоГ индуктивности" и "тепловой дедуктивности", а также тепловые элементы < распределенными параметрами введены в банк данных ФТЭ и используют« для поиска новых технических решений при разработке элементов и технически? средств систем управления.

Реализация результатов работы.

Результаты проведенных исследований применены при разработке математической модели обжарочнои печи, которая выполнялась по заказу Астраханского рыбокомбината N г.р.77074879, а также при выполнении научно-исследовательских работ "Разработка принципов микропроцессорного управления технологическими операциями рыбообрабатывающего производства" и "Разработка систем управления и технических средств автоматизации технологических процессов" (№ г.р. 01860096509), проводившихся в АГТУ: использованы при разработке лабораторных стендов по исследованию систем автоматизации технологических процессов и написании учебного пособия "Лабораторный практикум по • автоматизации производственных процессов " (г.Калининград. КТИРПиХ, 1991г.). Написанная по результатам исследований брошюра "Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств " (М.:ВАСХНИЛ АгроНИИТЭИПП. 1991г.) используется по решению технического Совета в качестве учебного пособия для студентов АГТУ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты представленной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях АГТУ (1979 - 1985 гг.). научно-практической конференции "микропроцессорная техника" (г.Киев. КИСИ,

- б -

1986г.), региональных научно-практических и методических конференциях АТИРПиХ, АГТУ и АОНТОПП (г.Астрахань, 1991 - 1995 гг.), региональной научно-методической конференции (г.Калининград, 1991г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Интеграция инженерного образования и производства" (г.Алма-Ата, АГТУ, 1991г.), региональном научно-методическом семинаре (г.Киров, КПИ, 1993г.), научно-практической конференции (г.Владивосток, 1993г.), региональной научно-практической конференции РАО МАИ (г.Астрахань, АГТУ, 1994г.), 39-ой научной конференции А1 1 >г (г.Астрахань, 1995г.), Международной научно-методической конференции (г.Волгоград), ВГТУ, 1995), Международной научно-технической конференции НИТРИ (г.Астрахань, РАО МАИ и АГТУ, 1995).

Публикации.

По диссертационной работе опубликовано 43 печатных труда: в журнале "Пищевая технология, известия вузов", научно-технических сборниках АгроНИИТЭИПП, трудах КТИРПиХ, Вестнике АГТУ, трудах ВНИЭРХ, сборниках НТИ "Каспрыба", сборниках ИНФОРМприбор, в том числе брошюра "Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств" (М.:ВАСХНИЛ АгроНИИТЭИПП, 1991г.). Материалы исследований отражены в отчетах по НИР (№г.р.79070190; 77074879; 01860030306; 01860096509).

Структура и объем научного доклада.

Доклад состоит из введения, 5-ти разделов, выводов, списка основных публикаций.

Доклад изложен на 43 страницах и содержит 3 таблицы и 18 рисунков.

Содержание доклада.

1. Исследование динамики обжарочной печи .

Основным элементом автоматической системы является объект управления. Технологические процессы и оборудование рыбообрабатывающей промышленности как объекты управления изучены недостаточно и их математическое описание во многих случаях отсутствует.

Исследованию процессов дефростации, обжарки, стерилизации и разработке их математических моделей была посвящена научная работа Матвеева B.C., Прохвапшова В.В., Хватова А.Н., Прохватиловой Л.И. и др. Работы Шифа И.Г., Эидельштейна ИЛ., Дикиса-Мальского В.Н. связаны с изучением конструктивных особенностей и разработкой схем локальных систем автоматизации обжарочных печей. Автор настоящего доклада посвятила свои работы анализу и исследованию обжарочных печей как элемента системы управления тепловым процессом. Обжарка рыбы в растительном маете является одним из основных видов тепловой обработки при производстве консервов. Обжарочная печь с погруженной поверхностью нагрева состоит из стальной ванны, трех теплообменников и приводного рольганга, образующего сплошное роликовое полотно, на котором продукт перемещается через печь (рис.3). Обжарка ведется при температуре масла 145-160°С в зависимости от вида рыбы. Под теплообменниками находится водяная подушка, которая очищает масло во время работы, тем самым компенсирует потери масла и тепла сохранением качества основной массы масла. Паромастяная обжарочная печь является неодномерным объектом с несколькими входными и выходными величинами. Состояние печи как объекта регулирования описывается вектором выходных (регулируемых) величин:

Y = { Y„ Y2, Y3, Y4i Y3},

где Yi - температура масла; Y; - уровень масла; Y3 - граница раздела

-х-

сред масло-вода; - скорость движения транспортирующего устройства: У5- температура воды в водяной подушке. Регулирующие воздействия образуют вектор:

X = { X,. Х2. Х3 },

где Х1 - расход пара; X: - расход масла; Хз - расход воды . Возмущающие воздействия описываются вектором:

И = { и. 1ъ М-*. Мб. {? ь

где I, - давление пара; ^ - количество поступающего сырья; (} - изменение температуры воды водяной подушки; £, - коэффициент теплоотдачи от стенки нагревателя к маслу; - расход масла на обжарку; (6 - слив воды при частичной замене водяной подушки; ^ - прочие возмущения (температура окружающей среды, поступающих масла и воды ). Основными регулируемыми величинами являются температура, уровень масла и граница раздела сред масло - вода. Температура воды в водяной подушке поддерживается в некотором диапазоне ее значений. Скорость движения транспортирующего устройства определяет фактическую нагрузку на печь и для определенного типа сырья является величиной постоянной. В связи с этим составление математического описания печи связывается прежде всего с определением динамических характеристик ее по каналам регулирующих воздействий для температуры масла, уровня масла и границы раздела сред.

Основной регулируемой величиной печи как элемента системы управления тепловым процессом является температура масла. В качестве регулирующего воздействия принимается изменение расхода пара в нагревательные элементы. Изменение коэффициента теплопередачи в устройствах теплообмена печи, строго говоря, приводит к нестационарностн объекта. Однако, учитывая, что длительности переходных процессов при регулировании температуры

строго говоря, приводит к нестационарности объекта. Однако, учитывая, что длительности переходных процессов при регулировании температуры несоизмеримо малы по сравнению с длительностью процессов изменения параметров теплообмена за счет возникновения нагара, объект будем считать стационарным. Изменение параметров пара в существующих условиях теплоснабжения предприятия следует считать одним из наиболее существенных источников возмущения. Действие этого возмущения совпадает с каналом регулирующего воздействия, поэтому первоочередной задачей является получение передаточной функции печи по каналу регулирующего воздействия. Рассматривая печь как двухемкостной объект, принимая температуру стенки нагревателя постоянной по длине и температуру масла средней по результатам измерений в нескольких точках получено общее дифференциальное уравнение, динамические коэффициенты которого являются функциями конструктивных и

теплофизических констант, в том числе коэффициента теплоотдачи ОС] на

внутренней поверхности нагрева. Проведено обследование обжарочных печей Астраханского рыбокомбината (РК) и консервного завода"Астрахань-консервпром" (АКЗ), на основании которого получены численные значения динамических коэффициентов для двух предельных значений (Х] (табл. 1).

Дифференциальные уравнения и передаточные функции относительно различных входных воздействий для печи АКЗ имеют следующий вид:

(1)

К(Р)

(2)

-145 С

+ & = 0.86 9П

(3)

К(Р)

0,8L _

(4)

Таблица 1.

Динамические коэффициенты ПЕЧЬ РК-1 ПЕЧЬ АКЗ - 2 .

а |=4000 <Х1=1(Т000 а]=4000 «1=10000

TI 805 325 449 180

Т2 275 264 152 145

К1 ч 0.79 ) 0.8 0.864 0.868

ТВ 0.39 0.24 0.39 0.16

КВ 0.18 0.17 0.21 0.19

Tg 112 466 98 40

Kg 39 37.7 33 32

Toc 0.02 0.007 0.01 0.005

Кос 0.006 0.006 0.004 0.004

Для исследования влияния коэффициента теплоотдачи на динамику обжарочнон печи по полученным передаточным функциям определены переходные функции по различным каналам входных воздействии. Разработана

- п -

программа и выполнен расчет на микро-ЭВМ переходных функций h(t)i и h(t); (рис.1 и 2). Анализ полученных функций свидетельствует о несущественном влиянии величины коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности нагрева на динамику печи и позволяет в дальнейшем пользоваться общими аппроксимирующими передаточными функциями для нахождения оптимальных настроек регуляторов в локальных системах автоматики.

2. Математическая модель обжарочной лечи и ее идентификация.

Эффективное использование ЭВМ, составляющих техническую основу АСУ ТП, возможно при наличии соответствующего математического обеспечения и прежде всего математического описания адекватно отображающего реальные условия протекания процесса. В связи с этим проведено исследование процесса обжарки печи Астраханского рыбокомбината. К входным параметрам печи относятся: масса, состав и температура поступающей на обжарку рыбы, температура окружающей среды, добавляемого масла и воды, изменение теплоотдачи от нагревателей к маслу в зависимости от времени работы печи, температура и давление пара. Выходными параметрами печей являются: температура масла в зонах печи, состав и масса обжаренного продукта. Анализ температурного режима, полученного в результате эксперимента , показал, что по длине печи существует градиент температур, обусловленный различной интенсивностью протекания теплообменных процессов. Для учета этого явления при составлении математического описания условно представили печь состоящую из трех последовательно соединенных участков.

Обжарочная печь является объектом с распределенными параметрами, но учитывая условия теплообмена и выравнивание температуры масла по объему печи на определенных участках, можно рассматривать печь как объект с

I

сосредоточенными параметрами на отдельных участках. Введены следующие допущения:

1. Температура маета активной зоны равна среднему значению по результатам измерений в нескольких точках.

2. Температура масла средней и пассивной зоны одинакова и равна среднему значению по результатам измерений в нескольких точках.

3. Нагрев воды происходит за счет теплоотдачи от пассивного слоя масла.

4. Тушка рыбы принимается в качестве объекта с сосредоточенными параметрами.

На основании законов массо- и теплообмена получена система дифференциальных уравнений для выходных параметров печи на i-ом участке, включающая уравнения теплового баланса обжариваемой рыбы, теплового баланса масла активной зоны, теплового баланса пассивной зоны масла, теплового баланса воды, теплового баланса поверхности стенки нагревателя, уравнения материального баланса массы рыбы:

л ^ / Д- ' ~г \ /> А- -г 1

С- Hi ■ niML • ~ ЦЩ ■ i,4L ■ ( ¡Mi ~ I ML J ^pL ■ ( ¡ML-lplJ ~

-fill -mpi fa -Tpi) -J - Cml ■ is Mi (T„L -THH) - Kii ■ Tml ; (sJ

- 171 pi • ■ mPi ■ (t~ml -TpLj ■ mpL [rMi-

~ ^ ~тг~ ; ^

fa • ■ ,zu-L. (Tai - TmL) - ¡ы ■ TU -

-Hsi ^i-lr^-Tn) • (f)

pbt.

"Uli ■ ZcrL • [Tcri ~ t'ml) ; (s) fei ■ ini ■ /Tmi -Tu) - t3L'Tä-

K У

(з)

-S>pL• (Jmi~TpLj- Cfi ->ri?L-jr '/r^ } ßo)

I

где Тм, Tm, Tp, Tb, Tct, Tk - температура активного и пассивного слоев маета, рыбы, воды, стенки нагревателя и конденсации пара;

с, m, S - теплоемкость, масса и поверхность соответственно масла, воды, рыбы, стенки нагревателя;

0-iy О-х / £Ls~ ' коэффициенты теплоотдачи;

к;, кг, кз.кд . коэффициенты, характеризующие потери тепла.

В какой мере разработанные математические зависимости отображают реальное протекание технологического процесса можно выяснить с помощью экспериментальных исследований.

Для идентификации полученной математической модели реальному процессу были проведены исследования динамических характеристик обжарочной печи в статическом и динамическом режимах. Экспериментальная часть выполнялась на обжарочной печи консервного завода Астраханского рыбокомбината.

Термопары, установленные на различной глубине погружения в масло, вссу. рыбу по ширине и длине печи (puc.S). фиксировали изменение

- и -

Ui-mi-, - ¿¿ZÄL _

Г ■ ГУ,

температуры активного и пассивного слоев масла, температуры воды, температуры рыбы на каждом участке печи в результате действия различных возмущений на объект - изменения расхода сырья или изменения расхода пара.

Характер изменения температур при принятом делении печи на зоны подтверждает правильность исходных предпосылок и соответствует физической картине протекающих в зонах процессов. Получена серия экспериментальных данных для каждой зоны печи, обработка которых проводилась методом четвертных разностей. Часть данных приведена в таблице 2 и на графиках (рис. 5 и 6).

Таблица 2.

зоны печи мин параметры 0 1 2 3 4 5 6 7

Тм, °С 98 100 102 103 104 105 105.5 106

I ' » Тм, °С 105 105.5 106 106.5 107 107.8 108 108.5

Тр, °С 62 68 73 79 84 90 95 100

Тм, °С 106 108 110 112 114 115 116 116.5

2 Тм, °С ПО 111.5 112.5 114 116 118 119 119.6

Тр, °с 100 103 106 108 109 ПО 110.8 112

Тм, °С 120 122 123.5 124 125 125.2 125.7 126

3 Тм, °С 130 134 138 139 140 142 142.5 143

Тр, °С ПО 115 117 119 122 124 125 126

Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, позволили принять в первом приближении температуру стенки Тст близкой температуре конденсации пара Тк, посчитать температуру воды постоянной и определить необходимые исходные величины для расчета параметров идентификации и выполнить некоторые дополнительные преобразования в уравнениях предварительной математической модели печи. В качестве параметров идентификации выбраны коэффициенты ¿¿¿^ йл/^ £у К^ / Расчет параметров идентификации выполнен на ЭВМ. После подстановки известных значений коэффициентов и преобразования уравнения для первой зоны печи приведены к следующему виду:

+

/ •• - У /

*

; "7

С- •

О,

- О 03

__ р и и; / -

/

-еЬЬ

Проведена оценка адекватности идентифицированной математической

модели реальному процессу. Значения параметров адекватности, полученные

экспериментально и ана.т,гп)чески, приведены в таблице 3.

Определены диапазоны допускаемых значений показателей адекватности

А^ исходя из заданной погрешности модели и погрешности измерительных

г

приборов. Результаты расчетов показали, что А^ >, А{_, а это позволяет сделать вывод о том, что математическая модель обжарочной печи адекватна реальному процессу по принятым параметрам адекватности.

Таблица 3.

Время, мин Параметры адекватности.

Тм^ °С Тмг=С Тмг СС Тм^, °С Тр,(, °с ТР,*С

0 98 97.5 104 104.8 61 59.8

1 99.5 98.5 105 105.4 67 68 1 I

2 100.5 99.4 106 106 73 75.4

3 101.5 100.4 106.5 106.6 78 81

4 102 101.2 107 107.3 83.5 86

5 103 102.1 107.5 108.2 91 90 | |

6 103.5 102.7 Юв !09 95 94 1 I \

Разработанная математическая модель обжарочной печи позволит при решении задач моделирования и оптимизации процесса обжарки, получив

-п-

информацию о его свойствах, распространить ее на целый ряд обжарочных печей, вне зависимости от особенностей их конструктивного выполнения.

3. Энергоииформационная модель теплового процесса обжарочной печи.

Работа обжарочной печи заключается в преобразовании по определенному закону материальных и энергетических потоков, следовательно, ее как элемент системы управления тепловым - процессом можно рассматривать в качестве преобразователя поступающих на ее вход сигналов в выходные.

В результате аналитического и экспериментального исследования теплового процесса обжарочной печи получена математическая модель в виде системы дифференциальных уравнений, связывающих энергию, затрачиваемую на протекание процесса, с конструктивными параметрами печи и физическими константами теплового процесса. Это позволяет перейти к описанию процесса преобразования с использованием величин и параметров энергоинформационной модели цепи тепловой природы в соответствии с теорией энергоинформационного метода. Величины характеризуют внешнее воздействие на цепь данной физической природы и ее реакцию на это воздействие. Параметры характеризуют относительную неизменность материальной среды, в которой протекают физические процессы. Вводя аналоги параметров и величин

где Т - температура, при которой подводится соответствующий поток тепла,

уравнение теплового потока

с15 т оИ ~

приводится к виду

. п =

1^т — . ) где ^22 -тепловая емкость,

Г

X Т - тепловой ток. Используя теорию аналогии и подобия энергоинформационного метода получены выражения для тепловой емкости стенки нагревателя, воды и масла; тепловой проводимости стенки нагревателя, от масла к рыбе и воде; тепловые воздействия от стенки к маслу, от масла к рыбе и воде. В соответствии с введенными величинами и параметрами получена новая форма уравнений , представляющих энергоинформационную модель теплового процесса

обжарочной печи:

) ' . ' Стм*итм — Сгтс*итси - СгГМР*ЦтМР - Стр*итмр - Сгтыи*итмм - Стмн*итмн -

Ко.*итм; *

I

Стмп*итмп = СгГММ*ит\1М - (Зтмв*итмв - Кс2*итмп; Ств*итв — Сггмз*Т-Гтмз - Ств*итвн - Коз*итв; Стс*и!с — Стс*иткс - Стсм*итсм - Ко4*итС

где Стс, Ств, Стм, Стмп - соответственно тепловая емкость стенки

нагревателя, воды, активного и пассивного слоев масла;

Стс, Сгтмр, Сттмм. Сггмв - тепловая проводимость стенки нагревателя от

масла активного слоя к маслу пассивного слоя, от масла к воде;

Ко1,Ко2,Коз,Ко4 - коэффициенты усиления, характеризующие потери тепла;

итсм, итмр, Ь'тмм, иткс, итмв - тепловое воздействие от стенки к маслу, от

масла к рыбе, от маета активного к пассивному слою; II * >

Шм, итмп, итз, итс - скорости изменения теплового воздействия от масла

активного и пассивного, воды и стенки нагревателя; > г I

Стм, Стмн, Ств - скорости изменения тепловых емкостей масла и воды.

Разработанная энергоинформацнонная модель обжарочной печи устанавливает связь параметров тепловой цепи модели с конструктивными параметрами объекта, что определяет возможные пути воздействия на характеристики печи, позволяет разработать алгоритм управления, определить структуру и параметры управляющего устройства для синтеза тепловых элементов. Полученные уравнения в отличие от традиционных более удобны не толькд для машинного, но и безмашинного синтеза технических устройств с использованием формализованного банка данных по ФТЭ.

4. Синтез тепловых элементов с распределенными параметрами.

Для управления тепловыми и другими инерционными процессами целесообразно применение тепловых элементов, использующих теплопроводность и конвекцию. В термических системах аналогом напряжения является разность температур, а аналогом тока - поток тепла или производная энтропии по времени. С помощью тепловых элементов осуществляется непосредственное без промежуточного преобразования управление тепловым процессом. На основе теплопроводов созданы тепловые сопротивления, тепловые емкости и другие элементы.

ЭИМ цепи позволяет перейти к структурно-формализованному описанию процесса в техническом устройстве с помощью аппарата параметрических структурных схем, при этом существенно облегчается как анализ, так и синтез технических решений. Разработаны ПСС для отдельных цепей ЭИМ теплового процесса обжарки (рис. 10 и 11) и для совокупности тепловых цепей обжарочной печи (рис.12). Величины и параметры ЭИМЦ связаны между собой критериями. В соответствии с этим в ПСС введены звенья динамической зависимости с оператором интегрирования или дифференцирования, отражающим временную зависимость. Обжарочная печь как элемент системы управления в разработанной ПСС представлена совокупностью простейших звеньев,

соединенных между собой в определенном порядке. КаждфС.из звеньев является самостоятельным тепловым преобразователем одной величины в другую, при этом каждое из элементарных преобразований описывается в первом приближении линейной зависимостью.

Проведено уточнение энергоинформационной модели при построении параметрической структурной схемы теплового процесса обжарочной печи, в которой раскрыт механизм действия неучтенных потерь тепла введением параметра "тепловой индуктивности" масла, воды и рыбы. ито(Р) = итм(Р) - итг.(Р); .

Ш.(Р) = Ьтм * Р * <3тм * итс(Р); итм(Р) - ито(Р)

и

Р * СЗтм * ито(Р)

До настоящего времени физического аналога индуктивности для тепловой цепи не существовало. Используя теорию аналогии и подобия автором определен параметр индуктивности дня тепловой цепи: Ьт = к*р*1*5 [ ]*

вт

гг г ,

где К = I "йрТ^г ' ' УДельная тепловая индуктивность.

Одним из новых направлений поиска оригинальных принципов построения информационных средств является применение метода аналогии при разработке конструкций преобразователей с распределенными тепловыми параметрами, у которых связь между входной и выходной величинами осуществляется за счет распределения тепловых параметров вдоль теплопровода под воздействием измеряемой величины. Вопросы теории, расчета и конструирования элементов автоматики, построенных на базе преобразователей с распределенными электромагнитными параметрам!^ разработаны, обобщены и систематизированы д.т.н. профессором Зариповым М.Ф. Законы изменения основных величин вдоль пути распределения теплового параметра

аналогичны в первом приближении законам изменения магнитного напряжения и магнитного потока в преобразователях с распределенными Электромагнитными параметрами. Указанная аналогия между преобразователями с электромагнитными и тепловыми параметрами дает возможность разработать ряд конструкций тепловых преобразователей. В тепловых преобразователях с распределенными параметрами энергия измеряемой среды, взаимодействуя через теплопровод с вспомогательной энергией источника теплового поля, изменяет тепловые параметры теплопровода через изменение распределения его температуры. Принципы построения преобразователей с распределенными параметрами предполагают наличие в них подвижных элементов. Подвижный нагревательный элемент создает подвижный источник теплового напряжения, в этом случае изменение температуры в сечении с подвижным нагревателем происходит более резко. Подвижный тепловой экран увеличивает тепловое сопротивление участка линии, охватываемого экраном, на этом участке резко изменяется падение теплового напряжения. Подвижный теплопровод увеличивает тепловую проводимость на пути потоков рассеяния. Если параметр теплового сопротивления распределен вдоль подвижной части теплопровода, а величина реакции остается постоянной, то величина теплового воздействия будет пропорциональна координате подвижной части. Используя производные критерии построен преобразователь с распределенной тепловой, жесткостью (величина теплового заряда поддерживается постоянной). В результате величина теплового воздействия будет пропорциональна величине смешения. Построение преобразователей, содержащих распределенные параметры. основывается на использовании основных и производных критериев, в соответствии с которыми параметр индуктивности или параметр емкости распределены вдоль подвижной части. Выходными величинами будут величина теплового воздействия при постоянной величине реакции или величина реакции при постоянном тепловом воздействии. Разработанные автором тепловые

элементы с распределенными параметрами, растущими с определенной скоростью и синусоидально-изменяющимися, на основе которых проектируются различные датчики и преобразователи, представлены на рис. 13 - 18.

При введении в автоматизированный банк данных параметров "тепловой индуктивности" и обратной ей "тепловой дедуктивности" начинают реализовываться новые зависимости между величинами и параметрами тепловой цепи в соответствии с основными и производными критериями, что значительно расширяет возможности поиска новых технических решений по синтезу технических средств систем упращгения.

5. Разработка элементов и системы управления тепловым процессом обжарки на базе микропроцессорных средств.

В задачи автоматизации объекта входит улучшение качества продуктов, снижение удельных норм расхода энергии и сырья, повышение безопасности работы оборудования. Указанные задачи в современных условиях решаются на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ. Наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения минимальной стоимости и минимальных габаритов, управления, программирования и взаимозаменяемости, являются микропроцессорные системы. Они характеризуются большей гибкостью применения, высокой надежностью и достаточно низкой стоимостью. Для технологического процесса обжарки характерно следующее: существуют критические соотношения между параметрами процесса, приводящие к аварийному режиму работы печи, характеристики объекта изменяются во времени, необходимо учитывать значительное число входных и выходных переменных. В связи с этим целесообразно применение микропроцессорных программируемых управляющих устройств, обеспечивающих программно-логическое управление.

Программно-логические системы управления, реализованные на базе микропроцессорных средств, обеспечивают выполнение различных режимов

работы оборудования и переходы из одного режима в другой, управление процессом при изменяющемся во времени задании. Поиск оптимальных вариантов использования оборудования приходится сочетать с целым рядом операций переключения: осуществление оптимальных в смысле экономии времени и эксплуатационных затрат пуска и остановки оборудования, защита агрегата в случае возникновения аварийных ситуаций в ходе эксплуатации. Выбор оптимальной стратегии переключений основан на анализе возможных ситуаций, возникающих в ходе использования оборудования. Алгоритм управления разрабатывается на основе логических взаимосвязей параметров и выбранной стратегии управления с целью отыскания функций, обеспечивающих выполнение заданных логических соотношений между входными и выходными величинами.

Разработана система программно-логического управления обжарочной печи. В качестве информационных сигналов в системе управления приняты Тм,; Тв, Рп. Нм, Нв, Рв, Рм и др. При разработке системы логического управления объект априорно представляется как система с конечным множеством состояний. Состояние печи в каждый момент времени характеризуется совокупностью дискретных значений определенного числа параметров, то есть существует свой набор значений параметров этого процесса: Кл = {I ] = 1...П }, где п - чисто информационных точек;

К] - закодированное значение параметра состояния. Каждой информационной точке соответствует определенный датчик, каждой управляемой - определенный исполнительный орган. В рассматриваемой системе исполнительные органы обладают памятью, т.е. ' сохраняют заданною позицию до прихода нового управляющего воздействия. В обшем виде система уравнений, соответствующих алгоритму управления системы с памятью, имеет вид:

В результате проведенного синтеза получены логические функции для выходных сигналов, обеспечивающих управление исполнительными механизмами паромасляной печи:

X. = а2* [а> (а5 Ух.) Уа7 * (х. Уа, Уа«)];

Х2 = а* * [а, * (а2 V х2) V а? *' (а< V х,)].

Логическое управление процессом обжарки является двухуровневым, множество логико-временных условий задается технологическим регламентом: Ь = { Н I I =

где п - возможное число режимов работы.

Задано четыре режима работы печи. При наличии соответствующих условий И осуществляются переходы из одного режима или состояния в другой в соответствии с разработанным графом переходов или смены состояний печи. Разработана логическая схема алгоритма управления режимом подготовки к пуску печи.

2 / г < 5"Ь Г 6

Ао4- а|Т Алу^ 1 аг...1 азТ А5\узТ 4- А«*А*

каждый из операторов соответствует выполняемой операции А.1 I I = 0...П.

Каждое из логических условий представляет результат проверки выполнения операции управления aj | j = 1...ш. Разработана система управления тепловым режимом электрической печи. Электронагревательные элементы в каждой зоне печи образуют основную группу и регулируемую. Проведенные экспериментальные исследования теплового режима печи позволили сделать вывод о целесообразности управления регулируемой группой электронагревателей по изменению температуры минимум в двух точках каждой зоны. Логические функции для выходных сигналов, управляющих работой регулируемой группы нагревателей в каждой зоне печи имеют следующий вил:

Z: =С1» с: • V с?- С4«г2:

- с6 • 7л v с7* с8-24:

Реализация программно-логического управления обжарочной печи осуществлена на базе микропроцессорного управляющего устройства МПЦУ-2-48-2 (рис.4). Управляющее устройство осуществляет логические связи между входными и выходными сигналами в соответствии с введенной в него программой управления. Информация о состоянии параметров процесса и оборудования передается с датчиков уровня, температуры, давления, скорости, положения, массы продукта в измерительные блоки, с которых поступает на вход микропроцессорного управляющего устройства (рис.7). Дискретные сигналы от внешнего оборудования, поступающие на вход МПЦУ должны иметь высокий уровень напряжения постоянного тока 20-30В, низкий уровень -не более 5В. Применяемые в качестве датчиков реле температуры, давления, уровня и другие имеют контактную систему либо унифицированные выходные сигналы. Разработан преобразователь для приведения выходных дискретных сигналов датчиков до уровня входных сигналов МПЦУ. Величина выходного напряжения преобразователя с учетом дестабилизирующих факторов (изменение нагрузки и напряжения питания) не выходит за допустимые пределы. Выходное устройство МПЦУ управляет исполнительными механизмами клапанов подачи масла и смены воды в ванне печи, подачи пара в калориферы, электроприводом печи. Микропроцессор осуществляет управление температурным полем вдоль печи, создавая более равномерный тепловой поток и обеспечивая минимальный расход теплоносителя вследствие уменьшения частоты переключений исполнительного органа. В соответствии с поступающими информационными и квитирующими сигналами система осуществляет включение и отключение механизмов с учетом необходимых блокировок, контроль за выполнением управляющих воздействий (рис. 9).

Применение разработанных микропроцессорных систем управления обеспечивает энергосберегающий режим управления оборудованием, работающим в режиме многократных переключений, оптимизирует ход технологического процесса в целях экономии сырья, электроэнергии, снижения брака, обеспечивает диагностику работы оборудования.

Выводы.

1. В результате проведенных исследований обжарочных печей Астраханского рыбокомбината и консервного завода можно сделать вывод о несущественном влиянии. коэффйЦиента теплоотдачи на динамику обжарочной печи, что позволяет пользоваться общими аппроксимирующими передаточными функциями для нахождения оптимальных настроек регуляторов в локальных системах автоматики.

2. Проведен анализ и получены аналитические зависимости, связывающие энергию, затрачиваемую на протекание процесса, с конструктивными параметрами печи и физическими константами теплового процесса, что позволяет разработать алгоритм управления, выбрать структуру и параметры управляющего устройства в автоматизированной системе управления.

3. Проведенная оценка адекватности идентифицированной математической модели реальному процессу позволяет сделать вывод об адекватности математической модели обжарочной печи реальному процессу по принятым параметрам. Разработанная модель теплового процесса печи позволит при решении задач моделирования и оптимизации процесса обжарки, получив информацию о его свойствах, распространить ее на класс однотипных технических средств.

4. Разработанная энергоинформационная модель теплового процесса обжарочной печи устанавливает связь параметров тепловой цепи с конструктивными параметрами объекта, что определяет возможные пути

воздействия на характеристики печи и расширяет перечень тепловых параметров и величин, вводимых в автоматизированный банк данных ФТЭ, и соответственно перечень тепловых элементов, используемых для синтеза новых технических средств.

5. Проведено уточнение энергоинформацнонной модели при построении параметрической структурной схемы тепловой цепи, в которой раскрыт механизм действия неучтенных потерь тепла введением впервые параметра "тепловой индуктивности".

6. Показана целесообразность применения теории подобия и аналогии информационного метода для совершенствования известных конструкций и создания новых тепловых элементов. Систематизирована группа известных и новых тепловых элементов с распределенными параметрами.

7. Разработана система программно-логического управления процессом обжарки с реализацией на базе разработанных элементов и выбранных микропроцессорных средств, позволяющая осуществить энергосберегающий режим управления и оптимальный вариант использования оборудования в целях экономии сырья, энергии, снижения брака, диагностику и прогнозирование состояния параметров процесса и оборудования.

8. Параметры "тепловой индуктивности" и "тепловой дедуктивности" при •введении в автоматизированный банк данных ФТЭ существенно расширяют варианты поиска новых технических решений по синтезу элементов и технических средств систем управления.

Основное содержание доклада опубликовано в работах.

1. Прохватилова Л.И. Определение переходной функции объекта управления. Тезисы доклада НПК. - Киев: КИСИ, 1986. - 2с.

2. Прохватилова JI.И. Расчет переходной функции обжарочной печи на ЭВМ. - Киев: КИСИ, 1986. - 4с.

3. Прохватилова Л.И. Исследование динамики обжарочной печи. - М: ВНИЭРХ № 1067рХ-89 - 6с.

4. Прохватилова Л.И. Разработка системы программно-логического управления обжарочной печи. - Краснодар: Известия вузов, раздел "Пищевая технология", ж.№ 5, 1990. - 5с.

5. Прохватилова Л.И., Хватов А.Н., Прохватилов В.В. Разработка предварительных математических моделей технологических процессов. Отчет о НИР № 38877, АТИРПиХ, Гос. per. № 79070190, руков. Матвеев B.C. - Астрахань: 1978. - 89с.

6. Прохватилова Л.И. Разработка принципов микропроцессорного управления технологическими операциями рыбообрабатывающих производств. Отчет о НИР, АТИРПиХ, рук. Проталинский О.М. Гос. per. № 01860096509. - Астрахань: 1990. - 46с.

7.Прохватилова Л.И. Система логического управления тепловым режимом печи. Сб. НТИ № 10 - Астрахань: БОНТИ Каспрыба, 1990.-4с

8. Прохватилова Л.И. Логический синтез системы управления обжарочной печи. - М.: ВНИЭРХ № 1095рХ-90. - 5с.

9. Прохватилова Л.И. Система управления тепловым режимом печи. Информ. сб. № 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - 4с.

10. Прохватилова Л.И. Логические системы управления. Тематич. сб. Л« 1. - Астрахань: АТИРПиХ, 1990. - Зс.

11. Филин В.А., Кантемиров В.И., Прохватилова Л.И. Автоматизация управления тепловыми процессами рыбообработки с применением

микропроцессорных средств. Межвуз. сб. - Калининград: КТИРПиХ,

1990. -6с.

12. Прохватилова Л.И. Оптимальное управление технологическими процессами рыбообработки. Информ. сб. № 11. - Астрахань: БОНТИ Каспрыба, 1990. - 4с.

13. Прохватилова Л.И. Логическое управление в процессах рыбообработки. - М.: ВНИЭРХ№ Ю78рХ-90. - 5с.

14. Прохватилова Л.И. Синтез системы управления процесса дозирования. -М.: Информприбор № 4810-пр-90. - 4с.

15. Прохватилова Л.И. Оптимальное управление технологическими процессами. НТ сб. № 5. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - 5с.

16. Прохватилова Л.И. Внедрение микропроцессорных устройств в учебный процесс. Сб. тр. НМК. - Астрахань: АТИРПиХ, 1991. - 4с.

17. Прохватилова Л.И. Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств. Брошюра. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1991. - 28с.

18. Прохватилова Л.И. Система управления обжарочной печи консервного производства. Информ. сб. № 2. - М.: АгроНИИТЭИПП,

1991. -5с.

19. Прохватилова Л.И. Лабораторный практикум по автоматизации производственных процессов. Учебное пособие. - Калининград: КТИРПиХ, 1991. - 92с.

20. Прохватилова Л.И. Автоматизация электрической печи на базе МПЦУ. НТ сб. 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1991. - 4с.

21. Прохватилова Л.И. Математическая модель обжарочной печи. - М.: ВНИЭРХЛ'9 1149-рХ-1991. - 5с.

22. Прохватилова Л.И. Система логического управления электрической печи. - М.: ВНИЭРХ № 1150-рХ-1991. - 6с.

23. Прохватилова Л.И. Лабораторный комплекс на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада НМК. - Калиниград: КТИРПиХ, 1991.-4с.

24. Прохватилова Л.И. Идентификация математической модели обжарочной печи. - Краснодар: Известия вузов, раздел "Пищевая технология" ж. 4-6, 1991. - 6с.

25. Прохватилова Л.И. Оптимизация системы энергоснабжения технологического оборудования. Тезисы доклада НПК. - А.: АТИРПиХ, 1991. - 2с.

26. Прохватилова Л.И. Системы управления технологическими процессами на базе МПЦУ. Всесоюзная НПК, тезисы доклада. - Алма-Ата: АПУ, 1991. -Зс."

27. Прохватилова Л.И. Преобразование входных сигналов МПЦУ. НТ сб. № 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - Зс.

28. Прохватилова Л.И. Система микропроцессорного управления электроприводами, тезисы доклада НМС. - А.: АТИРПиХ, 1992. - 2с.

29. Прохватилова Л.И. Система управления транспортировкой сыпучих материалов. НТ сб. № 2. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - Зс.

30. Прохватилова Л.И. Управление технологическими процессами на базе микропроцессорных управляющих устройств. Темат. сб. -Владивосток: Дальрыбвтуз, 1993. - 4с.

31. Прохватилова Л.И. Имитационный лабораторный комплекс на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада НПК. - Киров: КирПИ. 1993. - Зс.

32. Прохватилова Л.II. Система управления тепловым процессом. - А.: Вестник АГТУ, 1994. - 4с.

33. Прохватилова Л.И. Исследование динамики обжарочной печи на базе энергоинформационного метода, тезисы доклада НПК. - А.: АГТУ,

1994.- 2с.

34. Прохватилова Л.И. Энергоинформационная модель теплового процесса обжарочной печи. - А.: Вестник АГТУ, 1995. - 2с.

35. Прохватилова Л.И. Идентификация параметров модели обжарочной печи. - А.: Вестник АГТУ, 1995. - 6с.

36. Прохватилова Л.И. Автоматизация тепловых процессов на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада Per. НПК. - А.: АГТУ,

1995.-2с.

37. Прохватилова Л.И. Энергоинформационный метод исследования теплового процесса обжарочной печи. Тезисы доклада науч. конф^- А.: АГТУ, 1995.-2с.

38. Прохватилова Л.И. Энергоинформационная модель цепи тепловой природы. Тезисы доклада Международной научно-методической конференции. - Волгоград: ВГТУ, 1995.-2с.

39. Прохватилова Л.И. Описание* теплового процесса обжарки с использованием энергоинформационного метода и аппарата ПСС. Тезисы доклада Международной научно-технической конференции.

- Астрахань: РАО МАИ, АГТУ, 1995. - 2с.

40. Прохватилова Л.И. Синтез тепловых элементов с распределенными параметрами. Тезисы доклада Международной научно-технической конференции. - Астрахань: РАО МАИ, АГТУ, 1995.-2с.

h (i)

* ! • 'С ' Г •о » • • .Г Л J

7 ; * < - А «

-2

£ -хГ i X : Г 111

i / |/ !

V * / ! / у г i

1

ч/

¡ 1

0 60 íto 240 ЫО 4C3 ifcO ЬБС 6« HQ ¿C3 &50 VoC «« m UCG i,c

Рис.1 Переходные фукыгаи пета (пси изменения температуга паса): x-k(ijin ' hf-tj^n

од O.îè

» * ч u J, \J L 1 !» «9 « ^r- Î- ^ Г С

2n ./Г . -U-Ь— ___-— ~ Iх '

г «

! ^ ! i

M ! 1

1 /*■ 1. V у> y 1

д / /i /

./V

L / /

60 Î.Î-G 40G SSO m &SC <C40 4Ш ibSO A510

Рас.2 Переходные функпии печл (при изменении температуры волк): x"h[tJi& - о А^ -il- /

►п—{к-

ф' <$> ё

|-о-* [о-*

чен г

-сДа—1

-Л—к-

Рис. 3.'Технологическая схеае обхарочноО пета: 1,2,3,4,5,6,7,8,9.10,11,12- сервисны; устройства для изиереям .давления, температура, .уровня, расхода; 13,14,15,16,17,10,19,20 - исполнительные метанязш, управлявшие транспортером, зшаланаки подачи и слива воды. >есда, пвра; 1к - обозначение среды по ГОСТу

гио. 4. Блок-схема управления зрсцесссм обхзрки на базе лгсгргиеруемсго контроллера: I - программируемый контроллер; 1 А1, У А2, ТАЗ, * А4 - электромагнитные клапаны подачи к слива кзсла, воды: ЮЦ, ДЕ - шпгтиые пускатели электропривода транспортек зи-апа-на пздачи пара; £ В1 - кн/пка управления; И, Р2, ?3, Р7 - контакты реле уровня, температуры, давления весового устройства; 5 - путевой выключатель

Рис.5 График изменения температуры масла активной зоны на I участке печи (возмущение по расходу пара).

Рис.6 График изменения температуры пассивного слоя масла на III участке печи (возмущение по расходу пара). __ir_

Рис.7 Система управления процессом обжарки с использованием микропроцессорного управляющего устройства.

"V

/¿термопары 3 среднем

\ ч слое масла.

\ V . \

/ : \

V

\

термопара 6 сшпи&нсм слое масла. ,- д

■ /■■ чи / \ \ А... ¿7

\ и \ ^ 'и,

Рис., 8. тггернопар. "Ъй

Рис.9 Структурная схема системы микропроцессорного управления:

УВв - устройство ввода; УВыв - устройство вывода; БП - блок памяти; МП - микропроцессор; УИ - устройство индикации; ПУ - панель управления; МС - мнемосхема; ИМ - исполнительные механизмы; Р1-Р6 - датчики состояния параметров, БО и КМ информационные и квитирующие сигналы.

Рис. ЮЛ ПСС преобразователя тепловой цепи пар - стенка нагревателя

Рис. 10.2 ПСС преобразователя тепловой цепи масло-вода

L ит„иь,

ffi

7Vиа

Ir

и

ТВ

UrLP(Pj —lAWPj

а

TM

ГА»

Q

TM

TP

p

UTM(P)

Ur

та

u

TW

Ф

Ф

U,

TO?

' TP

UP)

о

£

ts

-ra

POre Uth

P ~r

Q

L ТВ

I-

Рг

Utg™ (P)

UUP)

G

TM

IwiP)

'TM

It, (P)

TB

Рис. 12 Параметрическая структурная схсма оПжпро'ШоМ печи

+ Ir f"

s $

s ?

i 5 S S

Kr

3

s Ut f

£

Rr

für

Pue. 13,1 Параметр Tciiuoijom сопротивления

S It J f

% WV

s ■* г/ f~~ %

s y Se ~~ t/Кт î

y 1 w f

т

и;

Рис 13.2. Параметр растущего теплового сопротивления ч

f

tût

Рис 13.3 Параметр синусоидалыю-тмеия-ющсгося теплового сопротивления

От

Gt

Ut

rrî

Gr

"П

ÜT

Gr i;

fm

II II

ÜT

ГГ?

Gr

4

It

rn^rrlf

ll

I

»tii,

11

JLJ Xr U.

rn

11 11

II 11 11 I [

ÜT

5

l'iic M.I IlapaMeip тепловой проводимости

Рис 14,2 Параметр растущем тепловом проводимости

Рис 14.3 Параметр сииусоидапмю-тмспи-louieiioi iciuumoii проводимое! и

4т

г

т и.

Рис 15.1 Параметр тсмлоной жссткосги

! ат

Г

? 1

! У

1 иг

11т

¿Д. Ч

Рис 15.2 Параметр растущей тепловой жесткости

? От

?

\ ? гг

? От

*Т

Ят

и

Рис 15.3 Параметр синусоидалмю-измеия-ютсйся тешюпой жесткости

? ?

г

? ? Г Г

? * Гг

*г Яг

Г

СГ

'От

ит

1

? У 5 \ . |

1 С / Т

! 1т

1

С'т

т

1т

Р Юг Г

Г Г Г " (•! ЯНА СТ

? Сг 1 От

ат

Рис 1 б. 1 Параметр тепловой емкости

Рис 16.2 Параметр растущей тепловой емкости

Рис 16.3 Параметр синусоидально-изменяющейся тепловой емкости

I

г-С-

АГТУ Зак.505 Тир.100 0.05.95г.

В диссертации, представленной в форме научного доклада, изложены результаты многолетних исследований, выполненных автором на кафедре автоматизации технологических процессов Астраханского Государственного Технического Университета (бывший АТИРПиХ), на ряде предприятий и посвященных анализу обжарочной печи, исследованию динамических характеристик и разработке, математической модели, разработке энергоинформационной модели теплового процесса печи, синтезу тепловых элементов и системы управления процессом обжарки.

Актуальность проблемы.

В условиях рыночной экономики высокое качество продукции имеет первостепенное значение. Наилучшей перспективой, с точки зрения повышения конкурентоспособности продукции, обладают консервы из обжаренной рыбы, овощные консервы. Результаты обследования обжарочных печей показали, что недостаточная оснащенность средствами автоматизации и использование ручных способов управления технологическим процессом не обеспечивают выпуска качественного продукта с заданной степенью ужарки и безопасностью с микробиологической точки зрения.

Требования выпуска качественной продукции обуславливают необходимость создания автоматических и автоматизированных систем /правления процессом обжарки.

Постановка и решение задачи управления возможно только на основе исследования свойств объекта, а также применения для управления • слнологическим процессом более совершенных технических средств, в том числе микропроцессорной техники.

В последние годы для управления тепловыми и некоторыми другими инерционными процессами стали применяться так называемые термические системы управления на базе тепловых элементов, использующих теплопроводность и конвекцию. На основе теплопроводов созданы активные и пассивные теплоэлементы - тепловые сопротивления, тепловые емкости и другие. Однако, совершенствование существующих конструкций тепловых элементов и создание новых остается актуальной задачей.

Цель работы и методика исследования.

Анализ обжарочной печи как объекта управления, исследование динамических характеристик, разработка и идентификация математической модели печи, исследование теплового процесса с использованием энергоинформационного метода, анализ существующих технических средств и синтез тепловых элементов и системы управления процессом обжарки на базе микропроцессорных средств. Методика исследований основана на применении методов теории- автоматического управления, теории конечных автоматов, статистических методов обработки экспериментальных данных, метода аналогий и подобия в соответствии с энергоинформационной моделью'описания цепей (ЭИМЦ) с применением аппарата параметрических структурных схем (ПСС).

Научная новизна.

1. Исследовано влияние изменения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности нагрева на динамические характеристики обжарочной печи.

2. Разработана и идентифицирована математическая модель обжарочной печи, позволяющая распространить ее на целый ряд однотипных технических средств.

3. Впервые с помощью ЭИМЦ и аппарата ПСС разработана энергоинформационная модель и параметрическая структурная схема теплового процесса обжарочной печи.

4. Показана целесообразность применения теории подобия и аналогии энергоинформационного метода для выявления неучтенных потерь в разрабатываемой модели обжарочной печи, совершенствования известных конструкций и создания новых тепловых элементов с распределенными параметрами.

5. Впервые введены параметры "тепловой индуктивности" н "тепловой дедуктивности", расширяющие возможности поиска новых технических решений при использовании автоматизированного банка данных физико-технических эффектов.

На защиту выносится следующее:

1. Результаты аналитического и экспериментального исследования теплового процесса обжарки с целью повышения эффективности выбора элементов и системы управления технологическим процессом.

2. Математическая модель обжарочной печи.

3. Идентификация математической модели печи.

4. Энергоинформационная модель и параметрическая структурная схема теплового процесса обжарочной печи.

5. Новые конструкции тепловых элементов с распределенными параметрами.

6. Выбор элементов и система управления тепловым процессом обжарки на базе микропроцессорных средств для паромасляной и электрической печей.

Практическая значимость.

Проведенные экспериментальные и аналитические исследования обжарочной печи позволяют разработать автоматизированную систему управления процессом обжарки, так как полученные математические зависимости распространяются на целый класс однотипных обжарочных печей, к выбрать чувствительные, управляющие и исполнительные устройства. Разработана система микропроцессорного управления процессом обжарки и осуществлен выбор элементов системы управления. Параметры "тепловой индуктивности" и "тепловой дедуктивности", а также тепловые элементы с распределенными параметрами введены в банк данных ФТЭ и используются для поиска новых технических решений при разработке элементов и технических средств систем управления.

Реализация результатов работы.

Результаты проведенных исследований применены при разработке математической модели обжарочной печи, которая выполнялась по заказу Астраханского рыбокомбината N г.р.77074879, а также при выполнении научно-исследовательских работ "Разработка принципов микропроцессорного управления технологическими операциями рыбообрабатывающего производства" и "Разработка систем управления и технических средств автоматизации технологических процессов" (№ г.р. 01860096509), проводившихся в АГТУ: использованы при разработке лабораторных стендов по исследованию систем автоматизации технологических процессов и написании учебного пособия "Лабораторный практикум по автоматизации производственных процессов " (г.Калининград, КТИРПиХ, 1991г.). Написанная по результатам исследований брошюра "Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств " (М.:ВАСХНИЛ АгроНИИТЭИПП. 1991г.) используется по решению технического Совета в качестве учебного пособия для студентов АГТУ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты представленной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях АГТУ (1979 - 1985 гг.). научно-практической конференции "микропроцессорная техника" (г.Киев. КИСИ,

1986г.), региональных научно-практических и методических конференциях АТИРПиХ, АГТУ и А ОН ТОП П (г.Астрахань, 1991 - 1995 гг.), региональной научно-методической конференции (г.Калининград, 1991г.), Всесоюзной научно-практической конференции "Интеграция инженерного образования и производства" (г.Алма-Ата, АГТУ, 1991г.), региональном научно-методическом семинаре (г.Киров, КПИ, 1993г.), научно-практической конференции (г.Владивосток, 1993г.), региональной научно-практической конференции РАО МАИ (г-Астрахань, АГТУ, 1994г.), 39-ой научной конференции АГТУ (г.Астрахань, 1995г.), Международной научно-методической конференции (г.Волгоград), В! ТУ, 1995), Международной научно-технической конференции НИТРИ (г.Асхрахань, РАО МАИ и АГТУ, 1995).

Публикации.

По диссертационной работе опубликовано 43 печатных труда: в журнале "Пищевая технология, известия вузов", научно-технических сборниках АгроНИИТЭИПП, трудах КТЙРПиХ, Вестнике АГТУ, трудах ВНИЭРХ, сборниках НТИ "Каспрыба", сборниках ИНФОРМприбор, в том числе брошюра "Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств" (М.:ВАСХНИЛ АгроНИИТЭИПП, 1991г.). Материалы исследований отражены в отчетах по НИР (№ г.р.79070190; 77074879; 01860030306; 01860096509).

Структура и объем научного доклада.

Доклад состоит из введения, 5-ти разделов, выводов, списка основных публикаций.

Доклад эт ложен, на .43 страницах и содержит 3 таблицы и 18 рисунков.

Содержание доклада.

1. Исследование динамики обжарочной печи

Основным элементом автоматической системы является объект управления. Технологические процессы и оборудование рыбообрабатывающей промышленности как объекты управления изучены недостаточно и их математическое описание во многих случаях отсутствует.

Исследованию процессов дефростации, обжарки, стерилизации и разработке их математических моделей была посвящена научная работа Матвеева B.C., Прохватилова В.В., Хватова А.Н., Прохватиловой Л.И. и др. Работы Шифа И.Г., Эйделъштейна ИЛ., Дикиса-Мальского В.Н. связаны с изучением конструктивных особенностей и разработкой схем локальных систем автоматизации обжарочных печей. Автор настоящего доклада посвятила свои работы анализу и исследованию обжарочных печей как элемента системы управления тепловым процессом. Обжарка рыбы в растительном масге является одним из основных видов тепловой обработки при производстве консервов. Обжарочная печь с погруженной поверхностью нагрева состоит из стальной ванны, трех теплообменников и приводного рольганга, образующего сплошное роликовое полотно, на котором продукт перемещается через печь (рис.3). Обжарка ведется при температуре масла 145-160°С в зависимости от вида рыбы. Под теплообменниками находится водяная подушка, которая очищает масло во время работы, тем самым компенсирует потери маета и тепла сохранением качества основной массы масла. Паромасляная обжарочная печь является неодномерным объектом с несколькими входными и выходными величинами. Состояние печи как объекта регулирования описывается вектором выходных (регулируемых) величин:

Y = { Y„ Y,. Yj, Y,, Y5}, где Yi - температура масла; Y: - уровень масла; Y; - граница раздела

- я сред масло-вода; У л - скорость движения транспортирующего устройства: У5- температура воды в водяной подушке. Регулирующие воздействия образуют вектор:

X = { X,. Х2, Х3 }, где Х1 - расход пара; X; - расход масла; Хз - расход воды . Возмущающие воздействия описываются вектором: = {{ь (2, ьь, М6- Ь }., где ^ - давление пара; Ь - количество поступающего сырья; {} - изменение температуры воды водяной подушки; [4 - коэффициент теплоотдачи от стенки нагревателя к маслу; - расход масла на обжарку; (6 - слив воды при частичной замене водяной подушки; Ъ - прочие возмущения (температура окружающей среды, поступающих масла и воды ). Основными регулируемыми величинами являются температура, уровень масла и граница раздела сред масло - вода. Температура воды в водяной подушке поддерживается в некотором диапазоне ее значений. Скорость движения транспортирующего устройства определяет фактическую нагрузку на печь и для определенного типа сырья является величиной постоянной. В связи с этим составление математического описания печи связывается прежде всего с определением динамических характеристик ее по каналам регулирующих воздействий для температуры масла, уровня масла и границы раздела сред.

Основной регулируемой величиной печи как элемента системы управления тепловым процессом является температура масла. В качестве регулирующего воздействия принимается изменение расхода пара в нагревательные элементы. Изменение коэффициента теплопередачи в устройствах теплообмена печи, строго говоря, приводит к нестационарности объекта. Однако, учитывая, что длительности переходных процессов при регулировании температуры строго говоря, приводит к нестационарности объекта. Однако, учитывая, что длительности переходных процессов при регулировании температуры несоизмеримо малы по сравнению с длительностью процессов изменения параметров теплообмена за счет возникновения нагара, объект будем считать стационарным. Изменение параметров пара в существующих условиях теплоснабжения предприятия следует считать одним из наиболее существенных источников возмущения. Действие этого возмущения совпадает с каналом регулирующего воздействия, поэтому первоочередной задачей является получение передаточной функции печи по каналу регулирующего воздействия. Рассматривая печь как двухемкостной объект, принимая температуру стенки нагревателя постоянной по длине и температуру масла средней по результатам измерений в нескольких точках получено общее дифференциальное уравнение, динамические коэффициенты которого являются функциями конструктивных и теплофизических констант, в том числе коэффициента теплоотдачи <Х\ на внутренней поверхности нагрева. Проведено обследование обжарочных печей Астраханского рыбокомбината (РК) и консервного завода"Астрахань-консервпром" (АКЗ), на основании которого получены численные значения динамических коэффициентов для да ух предельных значений <Х\ (табл. I).

Дифференциальные уравнения и передаточные функции относительно различных входных воздействий для печи АКЗ имеют следующий вид:

449 ¿9 -152 9 = 0.86 Эп ; (О

0.86 (9/7 ; (3)

180 Э

Таблица 1.

Динамические коэффициенты ПЕЧЬ РК-1 ПЕЧЬ АКЗ

1=4000 «i=iSooo а |=4000 а| =

К1 0.79 0.8 0.864 0.

ТВ 0.39 0.24 0.39 0. кв 0.18 0.17 0.21 0.

Kg 39 37.

Toc 0.02 0.007 0.01 0.

Кос 0.006 0.006 0.004 0.

Для исследования влияния коэффициента теплоотдачи на динамику обжарочной печи по полученным передаточным функциям определены переходные функции по различным каналам входных воздействий. Разработана программа и выполнен расчет на микро-ЭВМ переходных функций h(t)i и h(t); (рис.1 и 2). Анализ полученных функций свидетельствует о несущественном влиянии величины коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности нагрева на динамику печи и позволяет в дальнейшем пользоваться общими аппроксимирующими передаточными функциями для нахождения оптимальных настроек регуляторов в локальных системах автоматики.

2. Математическая модель обжарочной печи и ее идентификация.

Эффективное использование ЭВМ, составляющих техническую основу АСУ ТП, возможно при наличии соответствующего математического обеспечения и прежде всего математического описания адекватно отображающего реальные условия протекания процесса. В связи с этим проведено исследование процесса обжарки печи Астраханского рыбокомбината. К входным параметрам печи относятся: масса, состав и температура поступающей на обжарку рыбы, температура окружающей среды, добавляемого масла и воды, изменение теплоотдачи от нагревателей к маслу в зависимости от времени работы печи, температура и давление пара. Выходными параметрами печей являются: температура масла в зонах печи, состав и масса обжаренного продукта. Анализ температурного режима, полученного в результате эксперимента , показал, что по длине печи существует градиент температур, обусловленный различной интенсивностью протекания теплообменных процессов. Для учета этого явления при составлении математического описания условно представили печь состоящую из трех последовательно соединенных участков.

Обжарочная печь является объектом с распределенными параметрами, но учитывая условия теплообмена и выравнивание температуры масла по объему печи на определенных участках, можно рассматривать печь как объект с сосредоточенными параметрами на отдельных участках. Введены следующие допущения:

1. Температура масла активной зоны равна среднему значению по результатам измерений в нескольких точках.

2. Температура масла средней и пассивной зоны одинакова и равна среднему значению по результатам измерений в нескольких точках.

3. Нагрев воды происходит за счет теплоотдачи от пассивного слоя масла.

4. Тушка рыбы принимается в качестве объекта с сосредоточенными параметрами.

На основании законов массо- и теплообмена получена система дифференциальных уравнений для выходных параметров печи на 1-ом участке, включающая уравнения теплового баланса обжариваемой рыбы, теплового баланса масла активной зоны, теплового баланса пассивной зоны масла, теплового баланса воды, теплового баланса поверхности стенки нагревателя, уравнения материального баланса массы рыбы:

Си: - П1, - ■ П), -Гг/ — А>/ . /¿г — • 1'Т,- - /TcrL - г'м:) ; (8)

UsL ■ • (fMl -Tic) - Ku ■ Tu

-tu-(з) tpi- i ' Wpi-1 -jTt ■ + где Тм, Tm. Tp, Tb, Tct, Tk - температура активного и пассивного слоев масла, рыбы, воды, стенки нагревателя и конденсации пара; с, m, S - теплоемкость, масса и поверхность соответственно масла, воды, рыбы, стенки нагревателя ;

0-it CLjl ^ CLt. CLl, ¿¿.3- - коэффициенты теплоотдачи; ki. к;, кз, k4 - коэффициенты, характеризующие потери тепла.

В какой мере .разработанные математические зависимости отображают реальное протекание технологического процесса можно выяснить с помощью экспериментальных исследований.

Для идентификации полученной математической модели реальному процессу были проведены исследования динамических характеристик обжарочной печи в статическом и динамическом режимах. Экспериментальная часть выполнялась на обжарочной печи консервного завода Астраханского рыбокомбината.

Термопары, установленные на различной глубине погружения в масло, воду, рыбу по ширине и длине печи (puc.S). фиксировали изменение

U; mii • .dJk dpi ■ трdTpl cht температуры активного и пасочного слоев масла, температуры воды, температуры рыбы на каждом уч^ткг печи в результате действия различных возмущений на объект - изменение расхода сырья или изменения расхода пара.

Характер изменения темпергг/р при принятом делении печи на зоны подтверждает правильность исходньп предпосылок и соответствует физической картине протекающих в зонах процессов. Получена серия экспериментальных данных для каждой зоны печи, обработка которых проводилась методом четвертных разностей. Часть данных приведена в таблице 2 и на графиках (рис. 5 и 6).

Таблица 2. зоны печи мин параметры 0 1 :

Тм, °С 98 100 102 103 104 105 105.

I Тм, °С 105 105.5 106 106.5 107 107.8 108 108.

Тр, °С 62 68 7 '

Тм, °С 106 108 110 112 114 115 116 116.

2 Тм, =С 110 111.5 1115 114 116 118 119 119.

Тр, °С 100 103 106 108 109 ПО 110.

Тм, °С 120 122 123.5 124 125 125.2 125.

3 Тм, °С 130 134 ¡38 139 140 142 142.

Тр, СС 110 115 ;

Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, позволили принять в первом приближении температуру стенки Тст близкой температуре конденсации пара Тк, посчитать температуру воды постоянной и определить необходимые исходные величины для расчета параметров идентификации и выполнить некоторые дополнительные преобразования в уравнениях предварительной математической модели печи. В качестве параметров идентификации выбраны коэффициенты £и,

Расчет параметров идентификации выполнен на ЭВМ. После подстановки известных значений коэффициентов и преобразования уравнения для первой зоны печи приведены к следующему виду:

-г тр± ■ Тр < ■ (н) щ ТР± +о.оо5-те<ТР, ^зГ* сЬЬ Г

- [ца +о, - ; (ц

Проведена оценка адекватности идентифицированной математической модели реальному процессу. Значения параметров адекватности, полученные экспериментально и аналитически, приведены в таблице 3.

Определены диапазоны допускаемых значений показателей адекватности

А^исходя из заданной погрешности модели и погрешности измерительных приборов. Результаты расчетов показали, что А^ ~>, А^, а это позволяет сделать вывод о том, что математическая модель обжарочной печи адекватна реальному процессу по принятым параметрам адекватности.

Таблица 3.

Время, мин Параметры адекватности.

Тм+°С Тмг °С Тм,, °С 1 Тм2°С Трг*С Трг°С

0 98 97.5 -- 104 104.8 61 59.

1 99.5 98.5 105 105.

2 100.5 99.4 106 106 73 75.

3 101.5 100.4 106.5 106.

4 102 101.2 107 107.3 83.

5 103 102.1 107.5 108.

6 103.5 102.

Разработанная математическая модель обжарочной печи позволит при решении задач моделирования и оптимизации процесса обжарки, получив информацию о его свойствах, распространить ее на целый ряд обжарочных печей, вне зависимости от особенностей их конструктивного выполнения.

3. Энергоинформашшнная модель теплового процесса обжарочной печи.

Работа обжарочной печи заключается в преобразовании по определенному закону материальных и энергетических потоков, следовательно, ее как элемент системы управления тепловым процессом можно рассматривать в качестве преобразователя поступающих на ее вход сигналов в выходные.

В результате аналитического и экспериментального исследования теплового процесса обжарочной печи получена математическая модель в виде системы дифференциальных уравнений, связывающих энергию, затрачиваемую на протекание процесса, с конструктивными параметрами печи и физическими константами теплового процесса. Это позволяет перейти к описанию процесса преобразования с использованием величин и параметров энергоинформационной модели цепи тепловой природы в соответствии с теорией энергоинформационного метода. Величины характеризуют внешнее воздействие на цепь данной физической природы и ее реакцию на это воздействие. Параметры характеризуют относительную неизменность материальной среды, в которой протекают физические процессы. Вводя аналоги параметров и величин где Т - температура, при которой подводится соответствующий поток тепла, уравнение теплового потока приводится к виду где ¿¿ГП -тепловая емкость,

IX - тепловой ток.

Используя теорию аналогии и подобия энергоинфорыационного метода получены выражения для тепловой емкости стенки нагревателя, воды и масла; тепловой проводимости стенки нагревателя, от масла к рыбе и воде; тепловые воздействия от стенки к маслу, от масла к рыбе и воде. В соответствии с введенными величинами и параметрами получена новая форма уравнений представляющих энергоинформационную модель теплового процесса обжарочной печи:

I ! I

Стм*итм -- (Зтс*итсм - Сггмр*итмр - Стр*итмр - Спмм'Цгмм - СТМН*ЦГМН

Ко1*итм;

Стмп*итмп = Огмм*итмм - 0*мв*итмв - Ко1*Цтмп; ' »

Ств*Цтв = Сггмв*итм8 - Ств*Цтвн - Коз*итв; Стс*итс = Отс*итюс - 0тсм*итсм - Кс4*итс где Стс, Ств, Стм, Стмп - соответственно тепловая емкость стенки нагревателя, воды, активного и пассивного слоев масла;

Стс, Сгтмр, Стмм. (Зтмв - тепловая проводимость стенки нагревателя от масла активного слоя к маслу пассивного слоя, от масла к воде;

Ко1,Ка2,Ко),Кс4 - коэффициенты усиления, характеризующие потери тепла; итсм, Цгмр, итмм, иткс, итмв - тепловое воздействие от стенки к маслу, от масла к рыбе, от масла активного к пассивному слою; 1 ( < итм, итмп, Цтв, итс - скорости изменения теплового воздействия от масла активного и пассивного, воды и стенки нагревателя;

Стм, Стмн, Ств - скорости изменения тепловых емкостей масла и воды.

Разработанная энергоинформационная модель обжарочной печи устанавливает связь параметров тепловой цепи модели с конструктивными параметрами объекта, что определяет возможные пути воздействия на характеристики печи, позволяет разработать алгоритм управления, определить структуру и параметры управляющего устройства для синтеза тепловых элементов. Полученные уравнения в отличие от традиционных более удобны не только для машинного, но и безмашинного синтеза технических устройств с использованием формализованного банка данных по ФТЭ.

4. Синтез тепловых элементов с распределенными параметрами.

Для управления тепловыми и другими инерционными процессами целесообразно применение тепловых элементов, использующих теплопроводность и конвекцию. В термических системах аналогом напряжения является разность температур, а аналогом тока - поток тепла или производная энтропии по времени. С помощью тепловых элементов осуществляется непосредственное без промежуточного преобразования управление тепловым процессом. На основе теплопроводов созданы тепловые сопротивления, тепловые емкости и другие элементы.

ЭИМ цепи позволяет перейти к структурно-формализованному описанию процесса в техническом устройстве с помощью аппарата параметрических структурных схем, при этом существенно облегчается как анализ, так и синтез технических решений. Разработаны ПСС для отдельных цепей ЭИМ теплового процесса обжарки (рис.10 и 11) и для совокупности тепловых цепей обжарочной печи (рис. 12). Величины и параметры ЭИМЦ связаны между собой критериями. В соответствии с этим в ПСС введены звенья динамической зависимости с оператором интегрирования или дифференцирования, отражающим временную зависимость. Обжарочная печь как элемент системы управления в разработанной ПСС представлена совокупностью простейших звеньев, соединенных между собой в определенном порядке. КаждСЙш звеньев является самостоятельным тепловым преобразователем одной величины в другую, при этом каждое из элементарных преобразований описывается в первом приближении линейной зависимостью.

Проведено уточнение энергоинформационной модели при построении параметрической структурной схемы теплового процесса обжарочной печи, в которой раскрыт механизм действия неучтенных потерь тепла введением параметра "тепловой индуктивности" масла, воды и рыбы. ито(Р) = итм(Р) - итг^Р); и-п-(Р) = Ьтм * Р ♦ Схтм * ито(Р); Цгм(Р) - Цго(Р)

Р ♦ (Зтм * ито(Р)

До настоящего времени физического аналога индуктивности для тепловой цепи не существовало. Используя теорию аналогии и подобия автором определен параметр индуктивности для тепловой цепи:

Ьт = к*р*1*8 [ ]* где К = -ур^ [ ^т-./сг ] " удельная тепловая индуктивность.

Одним из новых направлений поиска оригинальных принципов построения информационных средств является применение метода аналогии при разработке конструкций преобразователей с распределенными тепловыми параметрами, у которых связь между входной и выходной величинами осуществляется за счет распределения тепловых параметров вдоль теплопровода под воздействием измеряемой величины. Вопросы теории, расчета и конструирования элементов автоматики, построенных на базе преобразователей с распределенными электромагнитными параметрами разработаны, обобщены и систематизированы д.т.н. профессором Зариповым М.Ф. Законы изменения основных величин вдоль пути распределения теплового параметра аналогичны в первом приближении законам изменения магнитного напряжения и магнитного потока в преобразователях с распределенными Электромагнитными параметрами. Указанная аналогия между преобразователями с электромагнитными и тепловыми параметрами дает возможность разработать ряд конструкций тепловых преобразователей. В тепловых преобразователях с распределенными параметрами энергия измеряемой среды, взаимодействуя через теплопровод с вспомогательной энергией источника теплового поля, изменяет тепловые параметры теплопровода через изменение распределения его температуры. Принципы построения преобразователей с распределенными параметрами предполагают наличие в них подвижных элементов. Подвижный нагревательный элемент создает подвижный источник теплового напряжения, в этом случае изменение температуры в сечении с подвижным нагревателем происходит более резко. Подвижный тепловой экран увеличивает тепловое сопротивление участка линии, охватываемого экраном, на этом участке резко изменяется падение теплового напряжения. Подвижный теплопровод увеличивает тепловую проводимость на пути потоков рассеяния. Если параметр теплового сопротивления распределен вдоль подвижной части теплопровода, а величина реакции остается постоянной, то величина теплового воздействия будет пропорциональна координате подвижной части. Используя производные критерии построен преобразователь с распределенной тепловой, жесткостью (величина теплового заряда поддерживается постоянной). В результате величина теплового воздействия будет пропорциональна величине смешения. Построение преобразователей, содержащих распределенные параметры. основывается на использовании основных и производных критериев, в соответствии с которыми параметр индуктивности или параметр емкости распределены вдоль подвижной части. Выходными величинами будут величина теплового воздействия при постоянной величине реакции или величина реакции при постоянном тепловом воздействии. Разработанные автором тепловые элементы с распределенными параметрами, растущими с определенной скоростью и синусоидально-изменяющимися, на основе которых проектируются различные датчики и преобразователи, представлены на рис. 13- 18.

При введении в автоматизированный банк данных параметров "тепловой индуктивности" и обратной ей "тепловой дедуктивности" начинают реализовываться новые зависимости между величинами и параметрами тепловой цепи в соответствии с основными и производными критериями, что значительно расширяет возможности поиска новых технических решений по синтезу технических средств систем управления.

5. Разработка элементов и системы управления тепловым процессом обжарки на базе микропроцессорных средств.

В задачи автоматизации объекта входит улучшение качества продуктов, снижение, удельных норм расхода энергии и сырья, повышение безопасности работы оборудования. Указанные задачи в современных условиях решаются на базе микропроцессоров и микро-ЭВМ. Наиболее перспективным, с точки зрения обеспечения минимальной стоимости и минимальных габаритов, управления, программирования и взаимозаменяемости, являются микропроцессорные системы. Они характеризуются большей гибкостью применения, высокой надежностью и достаточно низкой стоимостью. Для технологического процесса обжарки характерно следующее: существуют критические соотношения между параметрами процесса, приводящие к аварийному режиму работы печи, характеристики объекта изменяются во времени, необходимо учитывать значительное число входных и выходных переменных. В связи с этим целесообразно применение микропроцессорных программируемых управляющих устройств, обеспечивающих программно-логическое управление.

Программно-логические системы управления, реализованные на базе микропроцессорных средств, обеспечивают выполнение различных режимов

• :з работы оборудования и переходы из одного режима в другой, управление процессом при изменяющемся во времени задании. Поиск оптимальных вариантов использования оборудования приходится сочетать с целым рядом операций переключения: осуществление оптимальных в смысле экономии времени и эксплуатационных затрат пуска и остановки оборудования, защита агрегата в случае возникновения аварийных ситуаций в ходе эксплуатации. Выбор оптимальной стратегии переключений основан на анализе возможных ситуаций, возникающих в ходе использования оборудования. Алгоритм управления разрабатывается на основе логических взаимосвязей параметров и выбранной стратегии управления с целью отыскания функций, обеспечивающих выполнение заданных логических соотношений между входными и выходными величинами.

Разработана система программно-логического управления обжарочной печи. В качестве информационных сигналов в системе управления приняты Тм, Тв, Рп. Нм, Нв, Рв, Рм и zip. При разработке системы логического управления объект априорно представляется как система с конечным множеством состояний. Состояние печи в каждый момент времени характеризуется совокупностью дискретных значений определенного числа параметров, то есть существует свой набор значений параметров этого процесса: ю - { kj ! j = i.n}. где п - число информационных точек;

Kj - закодированное значение параметра состояния.

Каждой информационной точке соответствует определенный датчик, каждой управляемой - определенный исполнительный орган. В рассматриваемой системе исполнительные органы обладают памятью, т.е. • сохраняют заданную позицию до прихода нового управляющего воздействия. В обшем виде система уравнений, соответствующих алгоритму управления системы с памятью, имеет вид:

11-1.,т.

В результате проведенного синтеза получены логические функции для выходных сигналов, обеспечивающих управление исполнительными механизмами паромаслянои печи:

Х| = 32* [а? * (аз V х>) V 37 * (х> Уа. Уа«)]: Х2 = 35* [а, * (а, V х2) V * (а, V х.)].

Логическое управление процессом обжарки является двухуровневым, множество логико-временных условий задается технологическим регламентом: Ь= {И I ¡= 1.П} где п - возможное число режимов работы.

Задано четыре режима работы печи. При наличии соответствующих условий И осуществляются переходы из одного режима или состояния в другой в соответствии с разработанным графом переходов или смены состояний печи.

Разработана логическая схема алгоритма управления режимом подготовки к пуску печи. г 1 г < Г 6 ¿

А<4 3|Т АмТ 4- аг.4- аз Т А5\узТ 4- А«*А каждый из операторов соответствует выполняемой операции А1 I ! = 0.п.

Каждое из логических условий представляет результат проверки выполнения операции управления а} \}- 1.Ш. Разработана система управления тепловым режимом электрической печи. Электронагревательные элементы в каждой зоне печи образуют основную группу и регулируемую. Проведенные экспериментальные исследования теплового режима печи позволили сделать вывод о целесообразности управления регулируемой группой электронагревателей по изменению температуры минимум в двух точках каждой зоны. Логические функции для выходных сигналов, управляющих работой регулируемой группы нагревателей в каждой зоне печи имеют следующий вид:

Ъг =С|» С2 • 7-\ V С;- СА'Тг.

7-А — С5- С6 • гз V Ст

Реализация программно-логического управления обжарочной печи осуществлена на базе микропроцессорного управляющего устройства МПЦУ-2-48-2 (рис.4). Управляющее устройство осуществляет логические связи между входными и выходными сигналами в соответствии с введенной в него программой управления. Информация о состоянии параметров процесса и оборудования передается с датчиков уровня, температуры, давления, скорости, положения, массы продукта в измерительные блоки, с которых поступает на вход микропроцессорного управляющего устройства (рис.7). Дискретные сигналы от внешнего оборудования, поступающие на вход МПЦУ должны иметь высокий уровень напряжения постоянного тока 20-30В, низкий уровень -не более 5В. Применяемые в качестве датчиков репе температуры, давления, уровня и другие имеют контактную систему либо унифицированные выходные сигналы. Разработан преобразователь для приведения выходных дискретных сигналов датчиков до уровня входных сигналов МПЦУ. Величина выходного напряжения преобразователя с учетом дестабилизирующих факторов (изменение нагрузки и напряжения питания) не выходит за допустимые пределы. Выходное устройство . МПЦУ управляет исполнительными механизмами клапанов подачи масла и смены воды в ванне печи, подачи пара в калориферы, электроприводом печи. Микропроцессор осуществляет управление температурным полем вдоль печи, создавая более равномерный тепловой поток и обеспечивая минимальный расход теплоносителя вследствие уменьшения частоты переключений исполнительного органа. В соответствии с поступающими информационными и квитирующими сигналами система осуществляет включение и отключение механизмов с учетом необходимых блокировок, контроль за выполнением управляющих воздействий (рис. 9).

Применение разработанных микропроцессорных систем управления обеспечивает энергосберегающий режим управления оборудованием, работающим в режиме многократных переключений. оптимизирует ход технологического процесса в целях экономии сырья, электроэнергии, снижения брака, обеспечивает диагностику работы оборудования.

Выводы.

1. В результате проведенных исследований обжарочных печей Астраханского рыбокомбината и консервного завода можно сделать вывод о несущественном влиянии- коэффициента теплоотдачи на динамику обжарочной печи, что позволяет пользоваться общими аппроксимирующими передаточными функциями для нахождения оптимальных настроек регуляторов в локальных системах автоматики.

2. Проведен анализ и получены аналитические зависимости, связывающие энергию, затрачиваемую на протекание процесса, с конструктивными параметрами печи и физическими константами теплового процесса, что позволяет разработать алгоритм управления, выбрать структуру и параметры управляющего устройства в автоматизированной системе управления.

3. Проведенная оценка адекватности идентифицированной математической модели реальному процессу позволяет сделать вывод об адекватности математической модели обжарочной печи реааыюму процессу по принятым параметрам. Разработанная модель теплового процесса печи позволит при решении задач моделирования и оптимизации процесса обжарки, получив информацию о его свойствах, распространить ее на класс однотипных технических средств.

4. Разработанная энергоинформационная модель теплового процесса обжарочной печи устанавливает связь параметров тепловой цепи с конструктивными параметрами объекта, что определяет возможные пути воздействия на характеристики печи и расширяет перечень тепловых параметров и величин, вводимых в автоматизированный банк данных ФТЭ, и соответственно перечень тепловых элементов, используемых для синтеза новых технических средств.

5. Проведено уточнение энергоинформационной модели при построении параметрической структурной схемы тепловой цепи, в которой раскрыт механизм действия неучтенных потерь тепла введением впервые параметра "тепловой индуктивности".

6. Показана целесообразность применения теории подобия и аналогии информационного метода для совершенствования известных конструкций и создания новых тепловых элементов. Систематизирована группа известных и новых тепловых элементов с распределенными параметрами.

7. Разработана система программно-логического управления процессом обжарки с реализацией на базе разработанных элементов и выбранных микропроцессорных средств, позволяющая осуществить энергосберегающий режим управления и оптимальный вариант использования оборудования в целях экономии сырья, энергии, снижения брака, диагностику и прогнозирование состояния параметров процесса и оборудования.

8. Параметры "тепловой индуктивности" и "тепловой дедуктивности" при введении в автоматизированный банк данных ФТЭ существенно расширяют варианты поиска новых технических решений по синтезу элементов и технических средств систем управления.

Основное содержанке доклада опубликовано в работах.

I. Прохватилова Л.И. Определение переходной функции объекта управления. Тезисы доклада НПК. - Киев: КИСИ, 1986. - 2с.

2. Прохватилова J1.И. Расчет переходной функции обжарочной печи на ЭВМ. - Киев: КИСИ, 1986. - 4с.

3. Прохватилова Л.И. Исследование динамики обжарочной печи. - М: ВНИ^РХ № 1067рХ-89 - 6с.

4. Прохватилова Л.И. Разработка системы программно-логического управления обжарочной печи. - Краснодар: Иззестия вузов, раздел "Пищевая технология". ж.№ 5. 1990. - 5с.

5. Прохватилова Л.И., Хватов А.Н. Прохватилов В.В. Разработка предварительных математических моделей технологических процессов. Отчет о НИР № 38877, АТИРПиХ, Гос. per. Ле 79070190, руков. Матвеев B.C. - Астрахань: 1978. - 89с.

6. Прохватилова Л.И. Разработка принципов микропроцессорного управления технологическими операциями рыбообрабатывающих производств. Отчет о НИР, АТИРПиХ, рук. Проталлнский О.М. Гос. per. N° 01860096509. - Астрахань: 1990. - 46с.

7.Прохватилова Л.И. Система логического управления тепловым режимом печи. Сб. НТИ№ 10 - Астрахань: БОНТИ Каспрыба, 1990.-4с

8. Прохватилова Л.И. Логический синтез системы управления обжарочной печи. - М.: ВНИЭРХ 1095рХ-90. - 5с.

9. Прохватилова Л.И. Система управления тепловым режимом печи. Информ. сб. № 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - 4с.

10. Прохватилова Л.И. Логические системы управления. Тематич. сб. 1. - Астрахань: АТИРПиХ, 1990. - Зс.

11. Филин В.А., Кантемиров В.И., Прохватилова Л.И. Автоматизация управления тепловыми процессами рыбообработки с применением микропроцессорных средств. Межвуз. сб. - Калининград: КТИРПиХ.

1990. - 6с.

12. Прохватилова Л.И. Оптимальное управление технологическими процессами рыбообработки. Информ. сб. № II. - Астрахань: БОНТИ Каспрыба, 1990. - 4с.

13. Прохватилова Л. И. Логическое управление в процессах рыбообработки. - М.: ВНИЭРХ № 1078рХ-90. - 5с.

14. Прохватилова Л.И. Синтез системы управления процесса дозирования. -М.: Информприбор № 4810-пр-90. - 4с.

15. Прохватилова Л.И. Оптимальное управление технологическими процессами. НТ сб. № 5. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1990. - 5с.

16. Прохватилова Л.И. Внедрение микропроцессорных устройств в учебный процесс. Сб. тр. НМК. - Астрахань: АТИРПиХ, 1991. - 4с.

17. Прохватилова Л.И. Системы управления непрерывно-дискретными процессами пищевых производств на базе микропроцессорных средств. Брошюра. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1991. - 28с.

18. Прохватилова Л.И. Система управления обжарочной печи консервного производства. Информ. сб. № 2. - М.: АгроНИИТЭИПП,

1991.-5с.

19. Прохватилова Л.И. Лабораторный практикум по автоматизации производственных процессов. Учебное пособие. - Калининград: КТИРПиХ, 1991.- 92с.

20. Прохватилова Л.И. Автоматизация электрической печи на базе МПЦУ. НТ сб. № 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1991. - 4с.

21. Прохватилова Л.И. Математическая модель обжарочной печи. - М.: ВНИЭРХ № П49-рХ-1991. -5с.

-з«

22. Прохватилова Л.И. Система логического управления электрической печи. - М.: ВНИЭРХ№ 1150-рХ-1991. - 6с.

23. Прохватилов? Л.И. Лабораторный комплекс на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада НМК. - Калиниград: КТИРПиХ, 1991. -4с.

24. Прохватилова Л.И. Идентификация математической модели обжарочной печи. - Краснодар: Известия вузов, раздел "Пищевая технология" ж. 4-6, 1991. - 6с.

25. Прохватилова Л.И. Оптимизация системы энергоснабжения технологического оборудования. Тезисы доклада НПК. - А.: АТИРПиХ, 1991. -2с.

26. Прохватилова Л.И. Системы управления технологическими процессами на базе МПЦУ. Всесоюзная НПК, тезисы доклада. - Алма-Ата: АПУ, 1991. -Зс:

27. Прохватилова Л.И. Преобразование входных сигналов МПЦУ. НТ сб. № 3. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - Зс.

28. Прохватилова Л.И. Система микропроцессорного управления электроприводами, тезисы доклада НМС. - А.: АТИРПиХ, 1992. - 2с.

29. Прохватилова Л.И. Система управления транспортировкой сыпучих материалов. НТ сб. № 2. - М.: АгроНИИТЭИПП, 1992. - Зс.

30. Прохватилова Л.И. Управление технологическими процессами на базе микропроцессорных управляющих устройств. Темат. сб. -Владивосток: Далърыбвтуз, 1993. - 4с.

31. Прохватилова Л.И. Имитационный лабораторный комплекс на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада НПК. - Киров: КирПИ.

1993. - Зс.

32. Прохватилова JI.И. Система управления тепловым процессом. - А.: Вестник АГТУ, 1994. - 4с.

33. Прохватилова Л.И. Исследование динамики обжарочной печи на базе энергоинформационного метода, тезисы доклада НПК. - А.: АГТУ,

1994. - 2с.

34. Прохватилова Л.И. Энергоинформационная модель теплового процесса обжарочной печи. - А.: Вестник АГТУ, 1995. - 2с.

35. Прохватилова Л.И. Идентификация параметров модели обжарочной печи. - А.: Вестник АГТУ, 1995. - 6с.

36. Прохватилова Л.И. Автоматизация тепловых процессов на базе микропроцессорных средств. Тезисы доклада Per. НПК. - А.: АГТУ,

1995. - 2с.

37. Прохватилова Л.И. Энергоинформационный метод исследования теплового процесса обжарочной печи. ТезиСы доклада науч. конф. - А.: АГТУ, 1995. -2с.

38. Прохватилова Л.И. Энергоинформационная модель цепи тепловой природы. Тезисы доклада Международной научно-методической конференции. - Волгоград: ВГТУ, 1995. -2с.

39. Прохватилова Л.И. Описание теплового процесса обжарки с использованием энергоинформационного метода и аппарата ПСС. Тезисы доклада Международной научно-технической конференции.

- Астрахань: РАО МАИ. АГТУ, 1995. - 2с.

40. Прохватилова Л.И. Синтез тепловых элементов с распределенными параметрами. Тезисы доклада Международной научно-технической конференции. - Астрахань: РАО МАИ. АГТУ, 1995.-2с.

- п

Рис.2 Переходные фушпии печи (при изменентга темпе сатуры воды): x~~k/t¡i& • о-h M, йс. 3- Технологическая схеш обжарочной пета: 1,2,3,Л,5,6,7,8,9.10,II, 12 - первичные ^грийитва для кзмереияя давления, теюературы, .уроа-кя, расхода; 13,14,15,16,17,18,19,20 - исполнительные механизм!, упревляпаие транспортером, ыапанаь« подачи и слива воды, шсха, пара; 1х - обозначение среда по ГОСТ; сканатор

Блок памяти р

I 1 I I г---I I прозрам матор процессор

-ас. 4. Блок-е>се>е управление зрсцессом обхарки на базе программируемого контроллера: I - гро гравируемый контроллер; 1 А1, У А2, УАЗ, * АА - электроегниткъи клапакъ' лопата ' слхза касла, воды; , гЗС - ъегнитные пускатела^электроприводэ тракопоитеса и хлапа-подачи пара; $ В1 - кносяа улравления; Р1, Р2, го, Р7 - контакт» реле уровня, темпе-, давления весового устройства; ? й 5 - путевей экключзтель

Рис.5 График изменения температуры масла активной зоны на I участке печи (возмущение по расходу пара).

Рис.6 График изменения температуры пассивного слоя масла на 111 участке печи (возмущение по расходу пара). -~Ъ

Рис.7 Система управления процессом обжарки с использованием микропроцессорного управляющего устройства. птермопары 3 среднем слое лга ела. теомоларь/ & ахтибнем слое масла. — д 4*3 / \ \

Ьа \ и,

Риа. 3. -гг/ермопа^.

Рис.9 Структурная схема системы микропроцессорного управления:

УВв - устройство ввода; УВыв - устройство вывода; БП - блок гамяти; МП - микропроцессор; УИ - устройство индикации; ПУ - панель управления; МС - мнемосхема; ИМ - исполнительные механизмы; Р1-Р6 - датчики состояния параметров, в(Э и КМ - информационные и квитирующие сигналы.

Рис. 10.1 ПСС преобразователя тепловой цепи пар-стенка нагревателя

Рис. 10.2 ПСС преобразователя тепловой цепи масло-вода

-HQ

UTLP(P)

PU(p)

UtM(P)

Uto,.

Qrb I

C/TUPJ la та

UtgUP)

It. (P)

Рис. 12 Параметрическая структурная схема иГокаро'нюм псмм ! Ут !

Рис. 13.1 Параметр теплового сопротивления $ 1т ) У

1 I*к/у Г/ / г /Л" — ь/Кт * г 1 ^ Г

Рис 13.2. Параметр растущего теплового сопротивления.

Рис 13.3 Параметр синусоидально-изменяющегося теплового сопротивления; и I м •

1.Сг| и Т' I

1| ||

Рис 14.1 Параметр тепловой проводимости

Рис 14.2 Параметр растущей тепловой проводимости

ГЛ^гг^ и . и

Сгтц, II 1т ^

Рис 14.3 Параметр синусоидалыю-тмспя-ющсйся тепловой проводимости г г ? г 9 9 ?

V, Ут

Рис 15.1 Параметр теилопой жесткости г ¿3 V

1 и'т

Рис 15.2 Параметр растущей теилоиой жесткости

Рис 15.3 Параметр еимусоидалыю-млиеня-ющсйся теилопой жесткости

Рис 1 б. 1 Параметр тепловой емкости

9 9 5 и»

9 С г

Г 9 1 1 11-М

Рис 16.2 Параметр растущей тепловой емкости

Рис 16.3 Параметр синусоидально-изменяющейся тепловой емкости

•t >J