автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Система управления процессом получения поливинилформальэтилаля высшего сорта

005536477

на правах рукописи

РЯБКОВ А. Татьяна Александровна

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИВИНИЛФОРМАЛЬЭТИЛАЛЯ ВЫСШЕГО СОРТА

Специальность 05.13.06. - "Автоматизация и управление технологическими процессами и. производствами (промышленность)'

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Дзержинск - 2013

005536477

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и информационные системы» Дзержинского политехнического института (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Нижегородский государственный технический университет имени P.E. Алексеева» (ДПИ НГТУ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ЛУКОНИН Вадим Павлович, доктор тех-нидеских наук, профессор, Генеральный директор Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт химии и технологии полимеров имени академика В.А. Каргина с опытным заводом» (ФГУЛ «НИИ полимеров»), г.Дзержинск Нижегородская область.

ЕГОРОВ Игорь Николаевич, доктор технических наук, прбфессор, профессор кафедры «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г.Владимир; ДОБРОТИН Сергей Алексеевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Математические и естественнонаучные дисциплины» ФГБОУ ВПО «Российская академия, народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации» (Дзержинский филиал РАНХиГС), г.Дзержинск Нижегородская область.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения, и информатики» (МГУПИ), г.Москва.

Защита диссертации состоится «20» ноября 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при ВлГУ по адресу: г.Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат диссертации разослан «18» октября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н , доцент

ДАВЫДОВ H.H.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Основной целью управления большинством технологических процессов является достижение заданного качества производимой продукции. В то же время во многих случаях в составе систем управления технические средства определения показателей качества либо отсутствуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. Кроме задачи определения показателей качества продукции имеется еще одна проблема - разработка методов управления качеством готового продукта, обеспечивающих надежное выполнение регламентных требований к этим показателям. Таким типичным примером является процесс получения поливинилформальэтилаля (ПВФЭ). Наиболее важными показателями качества поливинилформальэтилаля, соответствующими требованиям государственного стандарта (ГОСТ 15874-81), являются внешний вид, массовая доля формальных групп, массовая доля этилальных групп и кислотное число.

Производство поливинилформальэтилаля общепромышленного качества (первый сорт), который применялся в гражданских целях, в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г.Санкт-Петербург); «Кусковский химический завод» (г.Москва); ПО «Поливинилацетат», (г.Ереван, Армения); СПО «Азот» (г.Северодонецк, Украина). На основании анализа литературных данных по управлению этими технологическими процессами, установлено, что оперативный контроль показателей качества производства поливинилформальэтилаля отсутствовал, а управление процессом осуществлялось вручную или регулированием отдельных технологических параметров, что обуславливало запаздывание по корректировке качества производимого продукта. Это приводило к негативным последствиям, например существенному влиянию неконтролируемых возмущений на качество продукции.

ПВФЭ специального качества (высший сорт) применяется в военной и космической промышленности, поэтому требования к качеству готовой продукции жесткие: массовая доля формальных групп (18 21) %; массовая доля этилальных групп (18 - 20) % и кислотное число не более 0,12 мг КОН на 1 г сухого продукта.

В настоящее время в России производство поливинилформальэтилаля отсутствует. В российской и зарубежной научно-технической литературе информации по методам управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта не имеется.

В области автоматизации технологических процессов широко известны труды Балакирева B.C., Лебедовского М.С., Шински Ф., Липатова Л.Н., Цирлина A.M., Бояринова А.И.. Проблемами управления полимерными процессами занимались Осипов В.Н., Тихомиров С.Г., Шауро B.C., Вставская Е.В., Енютин А.Ю., Камакин А.Н., Пыркин A.A., Давыдов Р.В. и другие учёные. Большой вклад в развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, составной частью которых является система автоматизированного управления, внесли труды МакароваР.И., Кострова A.B., Егорова И.Н., Хорошевой Е.Р., Клюшникова В.Ю., Белобородова В.В. и Белова A.A.

Однако вопросы управления качеством поливинилформальэтилаля высшего сорта изучены недостаточно ввиду особенностей данного объекта управления (ОУ).

Поэтому поставленная для решения в диссертации проблема разработки системы управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта является актуальной, а ее решение имеет научное и государственное значение.

Объектом исследования является технологический процесс на стадии ацег лирования ПВС производства ПВФЭ высшего сорта и система управления им.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач ада тивного и нечеткого управления динамическими объектами с положительным и о рицательным самовыравниванием, а также закономерности их функционирования.

Целью диссертационной работы является снижение массовой доли этилал ных групп до (18 - 20) % на стадии ацеталирования поливинилового спирта проце са получения поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач-

1. Установление значимых параметров, влияющих на снижение массово доли этилальных групп т2, и нахождение их значений, при которых обеспечиваете получение ПВФЭ высшего сорта.

2. Разработка математических моделей первой и второй фаз ацеталиров ния поливинилового спирта.

3. Разработка алгоритмов управления технологическими параметрами и и проверка путем математического моделирования.

4. Разработка системы управления стадией ацеталирования поливинилов го спирта процесса получения ПВФЭ высшего сорта.

Научная новизна

1. Установлена зависимость между показателем качества (массовой дол этилальных групп) и значимыми параметрами технологического процесса, позво ляющая сформулировать задачи управления нестационарным объектом.

2. Разработана математическая модель экзотермического процесса на пер вой фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективное]' комбинированного управления температурой реакционной смеси и найти настроен ные параметры регулятора.

3. Разработана функциональная схема комбинированного управлени температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС с фиксацие заданного значения, позволившая управлять технологическим процессом с учето изменения расчетной скорости химической реакции и обеспечивающая инвариант ность показателя качества к основному неконтролируемому возмущающему воздей

ГТП1Л1П

ствию. 4.

Разработана математическая модель эндотермического процесса на вто рой фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективности ал горитма управления температурой реакционной смеси и найти настроечные пара метры регулятора.

5. Разработаны алгоритмы управления температурным режимом и опти мального управления мешалкой реактора ацеталирования, позволяющие учитыват изменение условий проведения процесса.

6. Разработана система управления стадией ацеталирования ПВС, позво ляющая обеспечить получение ПВФЭ высшего сорта.

Практическая значимость работы. В диссертационной работе разработан система управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта. Разработанная система управления внедрена на ФГУП «НИИ полимеров» (г.Дзержинск).

Разработано программное обеспечение микропроцессорного контроллера Simatic S7-300 фирмы Siemens на базе следующих алгоритмов:

- управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при экзотермической реакции на участке первой фазы ацеталирования ПВС;

- управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при эндотермической реакции на второй фазе ацеталирования ПВС;

- программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта с контролем состояния исполнительных устройств.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках следующих дисциплин: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы управления» и «Программное обеспечение систем управления» ДЛИ НГТУ.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе использовались методы планирования факторного эксперимента, наименьших квадратов, математического моделирования, оптимизации, сравнения эффективности различных методов управления данным технологическим процессом.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Уравнение регрессии, описывающее зависимость массовой доли эти-лальных групп в готовой продукции от значимых параметров технологического процесса.

2. Математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений.

3. Функциональная схема комбинированного управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС, учитывающая изменение расчетной скорости экзотермической реакции.

4. Математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных уравнений.

5. Алгоритм управления температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталирования ПВС, предусматривающий численное интегрирование величины изменения управляющего воздействия, позволяющий повысить точность регулирования.

6. Адаптивный алгоритм оптимального управления мешалкой с использованием модели, позволяющий сократить время поиска оптимального режима перемешивания при переменных условиях проведения процесса.

7. Алгоритм программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющий снизить массовую долю этилальных групп до (18 20) %.

8. Система управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющая обеспечить получение поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы на ФГУП «НИИ полимеров» г.Дзержинск, а также в учебном процессе ДПИ НГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдел ные ее разделы докладывались и обсуждались: на IX, X, XI, XII Международно молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.), XVI, XVII, XVIII, XIX Ме дународной научно-технической конференции «Информационные системы и техн логии» (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.) и международно научной конференции ММТТ-26 (г.Нижний Новгород, 2013 г.).

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 12 печатны работ, в том числе 3 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, ч тырех глав, заключения, списка литературы, включающего 151 наименование и приложения. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 3 рисунков и 12 таблиц.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, освещено состояние вопрос сформулирована цель и основные задачи диссертационной работы, приводите краткое содержание диссертации.

В первой главе «Состояние проблемы автоматизации процесса получения по ливинилформальэтилаля» выполнен анализ стадии ацеталирования поливиниловог спирта как объекта управления. Анализ показал необходимость создания систем управления данным технологическим процессом. Установлено, что в автоматизаци процессов получения ПВФЭ отсутствуют подходы по оптимизации системы управ ления, основанной на математическом моделировании. Определена взаимосвязь ос новных входных, выходных и неконтролируемых параметров, сформулированы за дачи исследования.

Процесс получения ПВФЭ состоит из пяти стадий: 1) подготовка сырья; 2) аце талирование поливинилового спирта: первая фаза - ацеталирование ПВС формали ном, вторая фаза - ацеталирование ПВС ацетальдегидом; 3) отжим, промывк ПВФЭ; 4) стабилизация ПВФЭ; 5) сушка ПВФЭ, просеивание, измельчение отсев фасовка.

Наиболее важной и сложной в управлении является вторая стадия данного про цесса.

Выявлен ряд особенностей этого объекта управления:

-нестационарность за счет изменения скорости экзотермической реакции н первой фазе ацеталирования ПВС и эндотермической реакции на второй фазе ацета лирования ПВС.

- на первой фазе ацеталирования ОУ является объектом с отрицательным само выравниванием, требующим узкого диапазона настройки регулятора температуры.

- в реакторе ацеталирования необходимо точное поддержание температуры ± 2

- высокие адгезионные свойства ПВФЭ, которые в процессе синтеза приводят налипанию частиц полимера на мешалку и стенки реактора. Кроме того, частицы полимера склонны к образованию укрупненных агломератов, которые ухудшают однородность полимера.

Анализ стадии апсталирования поливинилового спирта как объекта управления представлен на рисунке 1.

Возмущающие параметры:

фгас

и

Управляющие

Стадия ацеталирования

ПВС

Выходные параметры:

т2

Рис>'нок 1 - Обобщенная схема объекта управления п - скорость «ращения мешалки, об/мин. Г| - температу ра первой фазы апсталирования ПВС. *С; 1шшI - время выдержки реакционной смеси (первая фаза апсталирования ПВС). час. У) - скорость снижения температуры после завершения первой фазы апсталирования ПВС, "С/час. /.ид: - время выдержки реакционной смеси (вторая фаза апсталирования ПВС), час. Г» - расход формалина, кг/мин. Иш - расход апстальлсгнда. кг/мин; Г: - температура выдержки (вторая фаза апсталирования ПВС), *С; т1 - массовая доля формальных групп, %, т2 - массовая доля зтилальиых грутт, %\к- кислотное число ПВФЭ, мг КОН иа I г сухого проду кта; 0пвс - качество исходного поливинилового спирта. мг/м\ и- скорость экзотермической реакции, моль м"' с'1

На этапе предварительных экспериментов по данным, полученным с лабораторной установки ФГУП «НИИ полимеров», построены гистограммы распределения показателей качества (рисунок 2).

Требуемо« качество

Требуемое качество

14 * 17 1В 1« 20 21 22 23

1в 1Я 20 21 22 23 24 2» 26 27 2«

ПИ. ч

а)

Ш2.Ч

5)

Требуемое качество

О 02 0.4 0.6 0.« 1 1.3 1.4 1Д

к, ш

В)

Рисунок 2 - Гистограммы распределения показателей качества а) массовая доля формальных групп, %; б) массовая доля ттилальиих групп, %, в) кислотное число, мг КОН на I г сухого продукта

Показатели качества ПВФЭ высшего сорта т I, к соответствуют норме, а массо вая доля этнлальных фупп т2 выходит за установленные границы. Поэтому важно задачей для получения ПВФЭ высшего сорта стала необходимость снижения массо вой доли этнлальных групп.

Во второй главе '(Экспериментальная оптимизация процесса ацеталировани поливинилового спирта по показателям качества» произведена идентификация зиа чимых технологических параметров для получения поливинилформальэтилал высшего сорта. Проведен активный эксперимент на лабораторной установке ФГУ «ПИИ полимеров». С помощью регрессионного анализа установлена зависимост между значимыми параметрами технологического процесса и показателем качеств (массовой долей этнлальных групп), позволяющая сформулировать задачи управле ния нестационарным объектом.

Для снижения показателя т2 применен метод планирования эксперимента дл оптимизации данного технологического процесса.

ш2 -/я, К,,Г2,...,/а) =/*,),

где х, - независимые переменные факторы.

Для установления связи между массовой долей этнлальных групп т2 и факто рами, варьируемыми в эксперименте, использовалось линейное уравнение регрес сии:

т2 -Ь„ ■ г, +62-гг +Ь, -г, +¿>4 ■ г4 +6, •г}+Ьл-2л+Ь7-27+Ь,-21, где 4) - коэффициент регрессии, г/ - кодированное значение факторов«}.

В качестве плана эксперимента использовалась дробная реплика 24 от полног факторного эксперимента 2*.

В результате обработки экспериментальных данных с помощью регрессионного анализа были получены искомые коэффициенты для уравнения: ¿о = 19,156; 6, = -0,131; Ъ2 = 0,119; Ъъ = 0,019; Ъ< = -0,194; Ъь = -0,056; Ь6 = 0,09467 = -0,044; 68 = 0,15б.

Полученное уравнение регрессии зависимости массовой доли этилальных групп от значимых факторов имеет следующий вид:

т2 = 19,156-0,131-г, +0,119- г2 +0,019- г3 - ОД 94- г4 - 0,056-г5 +0,094-г5 -0,044-г7 +0,156-

По критерию Стьюдента значимыми коэффициентами регрессии оказались- Ь0 = 19,156; Ъх - -0,131; Ъ2 = 0,119; Ь4 = -0,194; Ь6 = 0,094; ¿>8 = 0,156. Значимые коэффициенты относятся к факторам, влияющим на показатель качества т2.

По критерию Фишера ^ установлено, что математическая модель, основанная на уравнении регрессии, является адекватной в диапазоне значимых параметров-Г, = (68 - 70) °С; Т2 = (3 - 5) °С; п = (190 - 210) об/мин; ^ = (0,16 - 0,21) кг/минУ, = (13 - 17) °С/час.

Таким образом, установлено, что на получение ПВФЭ высшего сорта оказывают влияние следующие факторы:

- температура первой фазы ацеталирования ПВС, = 68 °С;

- температура второй фазы ацеталирования ПВС, Т2 = 3 °С;'

- скорость вращения мешалки, л = 190 об/мин;

- расход формалина, = 0,21 кг/мин;

- скорость снижения температуры после завершения первой фазы ацеталирования ПВС, Ух = 17 °С/час.

Именно этими параметрами необходимо управлять при автоматизации процесса для получения ПВФЭ высшего сорта. Параметры Ти Т2яп требуют особенного подхода к выбору методов управления. Это обусловлено тем, что они определяют состояние ключевого компонента в объекте управления - реакторе ацеталирования.

Третья глава «Синтез системы управления процессом ацеталирования поливинилового спирта» посвящена разработке комбинированной системы управления объектом с отрицательным самовыравниванием на основе математической модели экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС. Разработаны алгоритмы управления температурным режимом и перемешивающим устройством с использованием математических моделей эндотермического процесса на второй фазе . ацеталирования ПВС. Разработан алгоритм программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС с контролем состояния исполнительных устройств.

При разработке системы стабилизации температуры реакционной смеси Т = (67 69) "С на участке ее выдержки (первая фаза ацеталирования поливинилового спирта) во время прохождения экзотермической реакции, учтено что реактор ацеталирования является нестационарным объектом с отрицательным самовыравниванием.

Математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования поливинилового спирта представлена в следующем виде:

и. д^ _ ^хн 'схн^хн | МРС -сРС д.Т

К У.\ л •

ТГ-к .р-ЩЛТ .

и -л0 е стс сНС1 -Сд,

^ _ ш 'схн\*хя

0

1 к I

М

УхН 1 хн ) .

Тя =

* рс '

-АН'

№ =

- .

=

-Т^) + КИ-±(ГгТ,ад) + КДесли |Г„ -Гзо3|>£

1.1 ¿и

ЛУ , 1-1 _Л. „„„„¡т -г- I

^:'если|г"-г-'<е

Т - ^31-■

1и1\ „ 1

КИ\

[я.у :Т = Т(О), Т^ = Тт(0), ^ = при Г = 0;.

где и - скорость экзотермической реакции, моль м"3 с1; Рхд - расход хладоносителя (рассол), мЗ/ч, ДЯ - тепловой эффект реакции, кДж/моль; схн - удельная теплоемкость хладоносителя! Дж/кг-К; Т%, - температура хладоносителя на выходе из рубашки, "С; Г^ - температура хладоносителя на входе в рубашку, °С; У1 - объем реактора на первой фазе ацеталирования, м3; Мк - масса загруженной реакционной смеси в реактор, кг, сРС - удельная теплоемкость реакционной смеси, Дж/кг-К; Е - энергия активации экзотермической реакции, Дж/моль; Я - универсальная газовая

постоянная, Дж^моль'К); Т-текущее значение температуры в реакторе, °С; Спвс _ концентрация ПВС в водном растворе, моль/м3, сНС1 - концентрация соляной кислоты, моль/м3, сф - концентрация формалина, моль/м3; р^ - максимальный расход хладоносителя, мЗ/ч; дг - управляющее воздействие (степень открытия регулирующего клапана), %; Кй - коэффициент передачи объекта управления, "С; Т0 - постоянная времени объекта управления, с; - соотношение расхода хладоносителя (рассола) и скорости экзотермической реакции, кг/мин, - задание регулятору соотношения, кг/мин, Кц - коэффициент пропорциональности регулятора ТС; КИ - интегральный коэффициент регулятора ТС, Кш - интегральный коэффициент регулятора РИС; Кя - дифференциальный коэффициент регулятора ТС; Кт - коэффициент пропорциональности регулятора РРС; - время изодрома регулятора РРС, Т,т - задание регулятору температуры ТС, "С. .

После подстановки числовых данных в математическую модель процесса, была смоделирована его кривая разгона и получены следующие значения параметров объекта управления: К0 = 73 °С, запаздывание т0 = 20 с, 7Ь = 89 с.

На рисунке 3 представлена функциональная схема комбинированной системы управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацетапирования ПВС.

Рисунок 3 - Функциональная схем» комбинированной системы управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС

В комбинированной системе управления используются два регулятора: ведущий регулятор температуры ТС осуществляет управление по отклонению текущего значения температуры Т от заданного Г1Ы, и ведомый регулятор РРС соотношения расхода хладоносителя ^ и скорости экзотермической реакции V, компенсирующий возмущающее воздействие по изменению скорости реакции Выход регулятора ТС является уставкой для регулятора РРС.

В качестве регулятора температуры ТС использовался ПИД-регулятор Для обеспечения качества регулирования в режиме, приближающемся к стабильному дополнительно была введена функция в составе закона регулирования. Если регулируемая температура реакционной смеси входит в зону заданного значения I7" - | < е , то задание регулятору соотношения определяется по условию

<ГГ п — »0. л

При этом управляющее воздействие рассчитывается по следующей системе уравнений:

«I

Т ОТ „ —. если — = О К0 Л

Выражая отсюда задание для регулятора соотношения, получим:

у Ы-Ы Т

/г^ + ---£-

К

'Д' ~ -¡г1- • «рем* июдрома. Аль Ащ • настройки регулятора соогношекия РГС м\

В качестве регулятора РТС используем ИИ-регулятор, ко.орый работает по принципу поддержания заданного регулятором ТС соотношения *ежду значениями

расхода рассола на входе в рубашку реактора ацсталирования и скорости экзотермической реакции (/.

Для правильной работы системы необходимо периодически уточнять коэффициент передачи объекта управления Кц, для чего сначала запоминаются значения х и Т, потом меняется задание регулятору соотношения и начинается переходный процесс, по окончанию которого х изменится на величину Дж и Т на величину ЛГ.

Коэффициент передачи рассчитывается по уравнению, его коррекция вы-

Дх

пояняется, поскольку он меняется в течении всего процесса ацеталирования из-за изменения скорости экзотермической реакции и.

Таким образом, комбинированное управление температурой на первой фазе ацеталирования ПВО позволяет управлять технологическим процессом с учетом изменения расчетной скорости экзотермической реахции и обеспечивает инвариантность массовой доли этилальных групп к основному неконтролируемому возмущающему воздействию.

Для доказательства устойчивой работы комбинированной системы управления на базе ПИД-регулятора с функцией фиксации заданного значения температуры реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС работа СУ моделировалась с использованием обычного ПИД-регулятора. Результаты моделирования переходных процессов для этих вариантов комбинированного управления температурой при изменении задания регуляторам с 65 °С до 69 °С представлены на рисунке 4

Рисунок Л - Переходные процессы * комбинированной СУ 1 - с применением ПИД-регулятора температуры, 2-е применением ПИД-регулятора с функцией фиксации заданного значения температуры

Как видно из полученных графиков продолжительность переходного процесса работы комбинированной СУ с применением ПИД-регулятора с функцией фиксации заданного значения температуры составила 220 с, обеспечивая устойчивое регулирование температуры реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС, что является важным фактором из-за изменения скорости экзотермической реакции.

При стабилизации температуры реакционной смеси Т = (3 + 5) "С на участке выдержки реакционной смеси (вторая фаза ацеталирования ПВС) во время прохождения эндотермической реакции, реактор ацеталирования является нестационарным объектом с положительным самовыравниванием.

Математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования поливинилового спирта представлена в следующем виде:

п

■ *««!« «1988X1 119X118 3? 88183II

л

и = к, е-*" сПК С1Ю с. Сл. Т^ = 100.57 + 22.08 Рт - 2.65 Ргт.

,_Мк сгс

V, 4Н + КП 5т' ну.: Т = Т(0).Рп = Р„( О; при / = 0;

где *тп - коэффициент теплопередачи. Вт/(м К), 5т - площадь поверхности теплообмена, м\ </-скоросп эндотермической реакции, моль м 'с1. Г.^ - температура конденсщии пара. 'С, V, -

объем реактора ацеталироваиия. сА - концентрация ацетальдегида. мопь.'м\ />та - давление пара на входе в теплообменник Т1. бар,/»- - давление перед регулирующим клапаном ТУ2. бар

На рисунке 5 представлена функциональная схема системы управления температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталировании ЛВС.

Рс*/™ • ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Пар (К (тт) ■ ►

Рисунок 5 - Функциональная схема системы управления температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталироваиия ПВС

Регулятор температуры ТС работает по алгоритму формирования управляющего воздействия (степени открытия регулирующего клапана), основанного на многопозиционном регулировании температуры реакционной смеси.

Разработанный алгоритм формирования управляющего воздействия для регулирования температуры реакционной смеси на второй фазе ацеталироваиия поливинилового спирта представлен на рисунке 6.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма формирования управляющего воздействия для регулиро вания температуры реакционной смеси иа второй фазе ааеталированкя ПВС

Блок (х = х + ТгАх) отражает операцию численного интегрирования величины изменения управляющего воздействия Ах за интервал дискретности Тс Величины Д2 и с являются настраиваемыми параметрами алгоритма управления на основе нечеткой логики температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталирования ПВС при эндотермической реакции. Точность регулирования с = 0,5 "С определялась требованиями технологического регламента.

Используется четыре градации величины управляющего воздействия, которой является не степень открытия регулирующего клапана, а скорость изменения степени открытия, которая интегрируется блоком численного интегрирования. Поэтому обеспечивается необходимая точность регулирования температуры.

Статическая характеристика чегырехпозиционного регулятсра ТС представлена на рисунке 7.

&х

,_г.......}Ь2\

-4« -3« -2г -с О

-Д2 ' 762

ъи

I 2*: з<: 4С:

Рисунок 7 - Статическая характеристика четырехпоэициоиного регулятора ТС

Методом математического моделирования эндотермического процесса было определено оптимальное значение шага управления Д2 = 0,02 по интегральному квадратичному критерию /„, который рассчитывается по уравнению;

I

/„ • ¡АТ'Л,

о

Для доказательства устойчивой работы предложенного алгоритма управления с фиксированными значениями управляющего воздействия температурой реакционной смеси при эндотермической реакции без подстройки регулятора при изменении коэффициента передачи объекта управления система управления моделировалась с различными значениями К0 Результаты моделирования сравнивались с вариантом использования ПИ-регулятора. Сравнительные характеристики качества регулирования температуры реакционной смеси при использовании регулятора с фиксированными значениями управляющего воздействия и ПИ-регулятора представлены на рисунке 8.

качество регулирования

Рисунок 8 Сравнительная характеристика качества регулирования ПИ-регул* гора и четыре ^позиционного регулятора I - результат моделирования процесса с применением четырехлозиционного регулятора температуры, 2 - результаты моделирования процесса с применением ПИ-регулятора температуры реакционной смеси

Исходя из сравнения работы двух регуляторов можно сделать вывод, что при емлемое качество регулирования температуры реакционной смеси с использование!, разработанного алгоритма управления с фиксированными значениями управ,тяюще го воздействия обеспечивается при широком изменении коэффициента передач-объекта управления К, от 20 "С до 160 °С без подстройки регулятора. Тогда как ПИ регулятор является устойчивым в более узком диапазоне изменения объекта, чт. не является приемлемым для управления данным процессом из-за переменных уело вий его протекания.

Для получения ПВФЭ высшего сорта значимым фактором также оказалась ско рость вращения мешалки, которой необходимо качественно управлять. При малы, оборотах мешалки происходит налипание полимера на ее лопасти, поэтому момент на валу привода возрастает По мере увеличения скорости вращения мешалки мо мент уменьшается за счет снижения полимерных налипаний, но после прохождение через минимальное значение момент на валу привода снова увеличивается, т.к он пропорционален квадрату скорости (рисунок 9).

Рисунок 9 - Зависимость момента на валу привода от скорости вращения мешалки

Измерение момента на валу привода может быть заменено измерением силы тока, потребляемого двигателем привода. Функциональная схема управления приводом мешалки реактора ацеталирования представлена на рисунке 10

' фум,а[НОН4Л1НМ ехема управления приводом мешалки реактора ацетмирова-| Г1ВС УУ - частотный преобразователь регулятора скорости, ЕТ - датчик тока привода мешалки. ЕС - контроллер, выполняющий управление приводом

»¿аяиеми* мешияи

В ходе работы было рассмотрено два метода оптимального управления мешалкой:

1. Экспериментальная оптимизация на процессе.

2. Адаптивное управление с использованием модели.

Разработанный алгоритм одномерного поиска оптимального значения скорости вращения мешалки по при минимальном токе /», потребляемого двигателем привода мешалки представлен на рисунке 11.

При поиске оптимального режима перемешивания реакционной массы управляющее воздействие (заданная скорость вращения мешалки) изменяется в дискретные моменты времени, отстоящие на интервал дискретности Тл. В начале каждого интервала дискретности управляющее воздействие изменяется, в течение этого интервала остается постоянным, а в конце интервала считывается значение тока двигателя как реакция на данное управляющее воздействие и формируется новое значение управляющего воздействия.

Рисунок 11 - Алгоритм поиска оптимальных условий работы мешалки реактора ацеталиро-аания на процессе: л,»»- задание регулятору скорости вращения мешалки, об/с, U - оптимальный ток. А; Дл - шаг изменения скорости

В ходе экспериментальной оптимизации на процессе выявлена зависимость времени поиска оптимального значения скорости вращения мешалки № от интервала дискретности вызова алгоритма 7"». При увеличении интервала дискретности до 7V - 150 с, время поиска увеличивается до 50 мин (рисунок 12).

» ' 100 1» 200 250

Тяс

Рисунок 12 - Зависимость времени поиска т от интервала дискретности вызова алгоритма Тл

Оптимальное значение скорости вращения мешалки яо - 3,1 об/с, при котором минимальный ток двигателя /о = 2,01 А, найдено на процессе за время поиска более 40 мин, что составляет 20 % продолжительности стадии ацеталирования.

Для снижения времени поиска оптимального режима работы перемешивающего устройства разработана математическая модель с учетом времени, необходимого для ее адаптации к изменению свойств реакционной смеси при эндотермической реакции.

Функциональная схема системы управления мешалкой реактора ацеталирова-

Рисунок 13 - Функциональная схема системы упраллення мешалкой реактора ацеталирования

Устойчивый поиск оптимальной скорости вращения мешалки при существующей инерционности процесса налипания полимера на лопасти достигается при интервале дискретности импульсного управления перемешивающим устройством Г, = 100 с.

Математическая модель системы управления мешалкой представлена в следующей форме:

<И _/_,-/.

»4 +

л

ну.:! = 1(0).п = п(0) при/ = 0;

...

19

где / - текущее значение силы тока привода. А; - значение силы тока фивода * установившемся (статическом) режиме. А; Го - постоянная времени процесса налипания полимера на лопасти мешалки, с; и - скорость вращения мешалки, об/с; А. В, С- параметры модели мешалки

С помощью регрессионного анализа найдены параметры модели для частного случая. Поэтому модель перемешивающего устройства приняла следующий вид:

=1^1 + 0.177 «2-0,186.

Рисунок 14 - Адаптивный алгоритм оптимального управления мешалкой реактора ацеталирования

Таким образом, использование модели для оптимизации работы мешалки позволило снизить время поиска с 40 мин до Юмин. Адаптация модели перемешивающего устройства проводится синхронно с оптимальным управлением его работой. Признаком необходимости проведения адаптации и оптимального управления является увеличение тока, потребляемого приводом мешалки, в связи с изменением свойств реакционной смеси.

Разработан алгоритм программно-логического управления стадией ацеталирования поливинилового спирта (рисунок 15).

Методом сканирования найдено оптимальное значение скорости вращения мешалки яо = 3,1 об/с при минимальном токе /о = 3,24 А за время поиска менее 10 мин.

На рисунке 14 представлен адаптивный алгоритм оптимального управления мешалкой реактора ацеталирования, на основе которого работает регулятор 1С.

Псща фиа «тмцюмиш ПВС. лон^кыик форишюа

yrpuaewn температурой njM жхгкрмичеосоА рсжми)

смеси доТ = 4*С

В тори fua вшажрома ПВС,

(емстемы утфшяожя температурой

Ч» «ЮТфИЧКИЙ н

»трем ас таакхц им устройством)

На опытно-проуышленной установке ФГУП "НИИ полимеров" была внедрена система управления стадией ацеталирования поливинилового спирта процесса получения по-ливиннлформальэтила/я высшего сорта. По полученным результатам показателей качества массовая доля этилальных групп т2 вошла в установленные регламентом границы (18 * 20) % (рисунок 16).

Требуемое качество

аО.%

Рисунок 16 - Гистограмма распределения показателя качества т2

Ви-ружа

Рисунок 15 - Структура алгоритма программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС

Таким образом, достигнуто требуемое качество поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Четвертая глава «Техническое и программное обеспечение системы управления стадией ацеталирования поливинилового спирта» посвящена разработке программного обеспечения станции оператора на основе SCADA-системы WinCC и программного обеспечения программно-логического контроллера Simatic S7-300 фирмы Siemens на языке программирования LAD, реализующего следующие алгоритмы:

J . управления температурой реакционной смеси первой фазы ацеталипова-ния ПВС; F

2. управления температурой реакционной смеси второй фазы ацеталирования ПВС;

3. идентификации параметров модели перемешивающего устройства;

4. определения оптимальной скорости вращения мешалки реактора ацеталирования;

5. программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта с контролем состояния исполнительных устройств.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Получено уравнение регрессии, адекватно описывающее зависимость массовой доли этилальных групп от значимых технологических параметров на стадии ацеталирования поливинилового спирта.

2^ Разработаны математические модели термодинамических процессов на первой и второй фазах ацеталирования поливинилового спирта, позволившие провести проверку эффективности алгоритмов управления температурой реакционной смеси и найти настроечные параметры регуляторов.

3. Разработаны алгоритмы управления технологическими параметрами, позволившие снизить массовую долю этилальных групп до (18 ^ 20) %.

4. На базе микропроцессорного контроллера разработана и внедрена система управления стадией ацеталирования поливинилового спирта процесса получения поливинилформальэтилаля высшего сорта. Разработано программное обеспечение микропроцессорного контроллера и станции оператора.

IV. СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Рябкова, Т.А. Управление температурным режимом стадий ацеталирования поливинилового спирта [Электронный ресурс] / Т.А. Рябкова, В.П. Луконин, Э.М. Мончарж // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 3; URL: http://www.science-education.ru/103-6351. (Соискатель - 50 %).

2. Рябкова, Т.А. Идентификация значимых технологических параметров для получения поливинилформальэтилаля высшего сорта [Текст] / Т.А. Рябкова, В.П. Луконин, Э.М. Мончарж // Научный журнал "Фундаментальные исследования'' № 11 (часть 4), 2012 г, С. 947-951. (Соискатель - 50 %).

3. Рябкова, Т.А. Оптимальное управление мешалкой реактора ацеталирования [Электронный ресурс] / Т.А. Рябкова, В.П. Луконин, Э.М. Мончарж // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6; URL: http://www.science-education.ru/106-7996. (Соискатель - 50 %).

В других изданиях:

4. Рябкова, Т.А. Информационное обеспечение системы автоматизации процесса получения поливинилацеталей [Текст] / Т.А. Рябкова, В.П. Луконин // Те-

зисы докладов XVI Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» Н. Новгород, 2010. С. 183 (Соискатель - 50 %)

Рябкова, Т.А. Автоматизация процесса получения поливинилацеталей [Текст] / Т.А. Рябкова, В.П. Луконин, И А Липин // Тезисы докладов IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической иау-ки». Н. Новгород, 2010. С. 358-359. (Соискатель - 50 %).

6. Рябкова, Т.А. Анализ самонастраивающихся систем управления процессом получения поливинилацеталей [Текст] / Т.А. Рябкова, В II. Луконин П Тезисы докладов XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Н. Новгород, 2011. С 223 (Соискатель - 50 %).

7. Рябкова, Т.А. Использование самонастраивающихся систем управления в процессе получения поливинилацеталей [Текст] / Т.А Р*бкова, В.П. Луконин // Тезисы докладов X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н. Новгород, 2011. С 315-316. (Соискатель - 50 %).

8 Рябкова, Т.А. Система управления процессом получения поливинил-формдльэтилалей на основе программно-технического комплекса SIMATIC [Текст] ( Т.А. Рябкова, В.П. Луконии II Тезисы докладов XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» Н Новгород 2012. С. 202. (Соискатель - 50 %).

9 Рябкова, Т А Применение современных технологий фирмы Siemens при построение адаптивной системы управления процессом получения поливинилфор-мальэтилалей [Текст] / Т.А Рябкова, В П Луконин // Тезисы докладов XI Международной молодежной научно-технической конференции кБудущее технической науки». Н. Новгород, 2012. С. 32S. (Соискатель - 50 %)

10. Рябкова, Т.А. Устойчивость системы управления с нечеткой логикой процессом получения поливинилформальэтилаля [Текст]/ТА. Рябкова, В.П. Луконин // Тезисы докладов XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» Н. Новгород, 2013. С. 209 (Соискатель -50%). '

11. Рябкова, Т А Оптимальное управление процессом получения поливинилформальэтилаля высшего сорта [Текст] / Т.А. Рябкова. В П. Луконин, Э.М Мок-чарж // Тезисы докладов XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н. Новгород, 2013. С. 421. (Соискатель -50 %).

12. Рябкова, Т.А. Адаптивное управление перемешивающим устройством реактора ацеталирования поливинилового спирта [Текст] I Т.А. Рябкова, В.П Луконин, Э.М. Мончарж II Математические методы в технике и технологиях ММТТ-26: Сборник трудов конференции Школы молодых ученых. Н. Новгород, 2013. С. 45-46. (Соискатель - 50 %).

Подписано в печать 24.09.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж ЮОэкз. Заказ 749-2013. Отпечатано с готового оригинал-макета В ООО «РптРотЬ> 606025, г. Дзержинск, Нижегородской, обл., пер. Западный 5

Нижегородский государственный технический университет

имени Р.Е.Алексеева Дзержинский политехнический институт

На правах рукописи

04201451569 РЯБКОВА Татьяна Александровна

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИВИНИЛ ФОРМАЛЬЭТИЛАЛЯ ВЫСШЕГО СОРТА

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Луконин В.П.

Дзержинск - 2013

Содержание

Введение 4

Глава 1. Состояние проблемы автоматизации процесса получения 10 поливинилформальэтилаля

1.1 Особенности технологии получения поливинилформальэтилаля 10

1.2 Анализ стадии ацеталирования поливинилового спирта как объекта 19 управления

1.3 Оценка эффективности существующих методов управления 21 температурным режимом для нестационарных объектов

1.4 Обоснование выбора критерия качества ПВФЭ высшего сорта 23

1.5 Постановка задач исследования 26 Выводы 26 Глава 2. Экспериментальная оптимизация по показателям качества 27 продукции

2.1 Описание лабораторной установки 27

2.2 Идентификация значимых технологических параметров 31 Выводы 40 Глава 3. Синтез системы управления процессом получения 41 поливинилформальэтилаля высшего сорта

3.1 Выбор способов управления процессом ацеталирования ПВС 41

3.2 Управление температурой на первой фазе ацеталирования ПВС при 44 экзотермической реакции

3.3 Управление температурой на второй фазе ацеталирования ПВС при 52 эндотермической реакции

3.4 Управление скоростью изменения температуры реакционной смеси в 58 реакторе ацеталирования

3.5 Управление мешалкой реактора ацеталирования 58

3.6 Алгоритм управления процессом получения 71 поливинилформальэтилаля высшего сорта

Выводы 79

Глава 4. Техническое и программное обеспечение системы 80 управления стадией ацеталирования поливинилового спирта

4.1 Структура комплекса технических средств 85

4.2 Программные аспекты реализации алгоритма управления стадией 97 ацеталирования поливинилового спирта

4.2.1 Разработка программного обеспечения микропроцессорного 97 контроллера 81МАТ1С 87-300

4.2.2 Разработка программного обеспечения станции оператора 103

4.3 Перспективы развития систем управления процессом получения 109 поливинил ацетале й

Выводы 109

Заключение 110

Список сокращений и условных обозначений 111

Список литературы 113

Приложение А Программа регулирования температуры на первой фазе 129 ацеталирования ПВС

Приложение Б Программа регулирования температуры на второй фазе 131 ацеталирования ПВС четырехпозиционным регулятором

Приложение В Программа регулирования температуры на второй фазе 134 ацеталирования ПВС ПИ-регулятором

Приложение Г Материалы внедрения 136

Введение

Основной целью управления большинством технологических процессов является достижение заданного качества производимой продукции. В то же время во многих случаях в составе систем управления технические средства определения показателей качества либо отсутствуют, либо не удовлетворяют требованиям оперативного управления качеством. Кроме задачи определения показателей качества продукции имеется еще одна проблема - разработка методов управления качеством готового продукта, обеспечивающих надежное выполнение регламентных требований к этим показателям. Таким типичным примером является процесс получения поливинилформальэтилаля (ПВФЭ). Наиболее важными показателями качества поливинилформальэтилаля, соответствующими требованиям государственного стандарта (ГОСТ 15874-81), являются внешний вид, массовая доля формальных групп, массовая доля этилальных групп и кислотное число.

Производство поливинилформальэтилаля общепромышленного качества (первый сорт), который применялся в гражданских целях, в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г.Санкт-Петербург); «Кусковский химический завод» (г.Москва); ПО «Поливинилацетат», (г.Ереван, Армения); СПО «Азот» (г.Северодонецк, Украина). На основании анализа литературных данных по управлению этими технологическими процессами, установлено, что оперативный контроль показателей качества производства поливинилформальэтилаля отсутствовал, а управление процессом осуществлялось вручную или регулированием отдельных технологических параметров, что обуславливало запаздывание по корректировке качества производимого продукта. Это приводило к негативным последствиям, например существенному влиянию неконтролируемых возмущений на качество продукции.

ПВФЭ специального качества (высший сорт) применяется в военной и космической промышленности, поэтому требования к качеству готовой

продукции жесткие: массовая доля формальных групп (18 21) %; массовая доля этилальных групп (18 ^ 20) % и кислотное число не более 0,12 мг КОН на 1 г сухого продукта.

В настоящее время в России производство поливинилформальэтилаля отсутствует. В российской и зарубежной научно-технической литературе информации по методам управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта не имеется.

В области автоматизации технологических процессов широко известны труды Балакирева B.C., Лебедовского М.С., Шински Ф., Липатова Л.Н., Цирлина A.M., Бояринова А.И. [1-6]. Проблемами управления полимерными процессами занимались Осипов В.Н., Тихомиров С.Г., Шауро B.C., Вставская Е.В., Енютин А.Ю., Каманин А.Н., Пыркин A.A., Давыдов Р.В. и другие учёные [7-14]. Большой вклад в развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, составной частью которых является система автоматизированного управления, внесли труды Макарова Р.И., Кострова A.B., Егорова И.Н., Хорошевой Е.Р., Клюшникова В.Ю., Белобородова В.В. и Белова A.A. [15-22].

Однако вопросы управления качеством поливинилформальэтилаля высшего сорта изучены недостаточно ввиду особенностей данного объекта управления (ОУ).

Поэтому поставленная для решения в диссертации проблема разработки системы управления процессом получения ПВФЭ высшего сорта является актуальной, а ее решение имеет научное и государственное значение.

Объектом исследования является технологический процесс на стадии ацеталирования ПВС производства ПВФЭ высшего сорта и система управления им.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы решения задач адаптивного и нечеткого управления динамическими объектами с положительным и отрицательным самовыравниванием, а также закономерности их функционирования.

Целью диссертационной работы является снижение массовой доли этилальных групп до (18 20) % на стадии ацеталирования поливинилового спирта процесса получения поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих

задач:

1. Установление значимых параметров, влияющих на снижение массовой доли этилальных групп т2, и нахождение их значений, при которых обеспечивается получение ПВФЭ высшего сорта.

2. Разработка математических моделей первой и второй фаз ацеталирования поливинилового спирта.

3. Разработка алгоритмов управления технологическими параметрами и их проверка путем математического моделирования.

Научная новизна

1. Установлена зависимость между показателем качества (массовой доли этилальных групп) и значимыми параметрами технологического процесса, позволяющая сформулировать задачи управления нестационарным объектом.

2. Разработана математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективности комбинированного управления температурой реакционной смеси и найти настроечные параметры регулятора.

3. Разработана функциональная схема комбинированного управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС с фиксацией заданного значения, позволившая управлять технологическим процессом с учетом изменения расчетной скорости химической реакции и обеспечивающая инвариантность показателя качества к основному неконтролируемому возмущающему воздействию.

4. Разработана математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования ПВС, позволившая провести проверку эффективности алгоритма управления температурой реакционной смеси и найти настроечные параметры регулятора.

5. Разработаны алгоритмы управления температурным режимом и оптимального управления мешалкой реактора адеталирования, позволяющие учитывать изменение условий проведения процесса.

6. Разработана система управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющая обеспечить получение ПВФЭ высшего сорта.

Практическая значимость работы. В диссертационной работе разработана система управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта. Разработанная система управления внедрена на ФГУП «НИИ полимеров» (г.Дзержинск).

Разработано программное обеспечение микропроцессорного контроллера Simatic S7-300 фирмы Siemens на базе следующих алгоритмов:

- управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при экзотермической реакции на участке первой фазы ацеталирования ПВС;

- управления температурным режимом, обеспечивающего высокое качество стабилизации температуры реакционной смеси при эндотермической реакции на второй фазе ацеталирования ПВС;

- программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС процесса получения ПВФЭ высшего сорта с контролем состояния исполнительных устройств.

Диссертационные материалы используются в учебном процессе в рамках следующих дисциплин: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы управления» и «Программное обеспечение систем управления» ДПИ НГТУ.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе использовались методы планирования факторного эксперимента, наименьших квадратов, математического моделирования, оптимизации, сравнения эффективности различных методов управления данным технологическим процессом.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Уравнение регрессии, описывающее зависимость массовой доли этилальных групп в готовой продукции от значимых параметров технологического процесса.

2. Математическая модель экзотермического процесса на первой фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных и алгебраических уравнений.

3. Функциональная схема комбинированного управления температурой реакционной смеси на первой фазе ацеталирования ПВС, учитывающая изменение расчетной скорости экзотермической реакции.

4. Математическая модель эндотермического процесса на второй фазе ацеталирования ПВС, представленная в виде системы дифференциальных уравнений.

5. Алгоритм управления температурой реакционной смеси на второй фазе ацеталирования ПВС, предусматривающий численное интегрирование величины изменения управляющего воздействия, позволяющий повысить точность регулирования.

6. Адаптивный алгоритм оптимального управления мешалкой с использованием модели, позволяющий сократить время поиска оптимального режима перемешивания при переменных условиях проведения процесса.

7. Алгоритм программно-логического управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющий снизить массовую долю этилальных групп до (18-20) %.

8. Система управления стадией ацеталирования ПВС, позволяющая обеспечить получение поливинилформальэтилаля высшего сорта.

Реализация и внедрение результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы на ФГУП «НИИ полимеров» г.Дзержинск, а также в учебном процессе ДПИ НГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались: на IX, X, XI, XII

Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.), XVI, XVII, XVIII, XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (г.Нижний Новгород, 2010 г., 2011 г., 2012 г., 2013 г.) и международной научной конференции ММТТ-26 (г.Нижний Новгород, 2013 г.).

10

ГЛАВА 1.

Состояние проблемы автоматизации процесса получения поливинилформальэтилаля

1.1 Особенности технологии получения поливинилформальэтилаля

Поливинилформальэтилаль (ПВФЭ) относится к классу поливинилацеталей. Поливинилацетали (ПВАц) представляют собой продукты конденсации поливинилового спирта (ПВС) соответствующими альдегидами.

Реакция образования ПВАц впервые была описана Германом и Генелем в 1927 г.. Большой вклад в технологию получения поливинилацеталей внесли ученые Флори П., Ушаков С.Н., Коршак В.В., Розенберг М.Е., Назарян Г.О., Каргин В.А. [23-26].

Рассмотрим подробнее технологию получения поливинилформальэтилаля (винифлекса) [27-29].

В середине 40-х годов, когда только была разработана технология производства винифлекса, его функциональному составу не уделялось особого внимания, ввиду отсутствия методов анализа количественного функционального состава готового винифлекса. Т.е. не определялось количественное содержание формальных и этилальных групп. Но глубокое изучение влияния функционального состава поливинилформальэтилаля на его свойства показало, что увеличение содержания формальных групп (18 21) % приводит к резкому повышению качества готового продукта. Формальные группы значительно улучшают адгезионные, механические, электроизоляционные свойства поливинилформальэтилаля и повышают его теплостойкость. ПВФЭ с повышенным содержанием этилальных групп (18 20) % обладает низкой вязкостью раствора и легкой растворимостью.

ПВФЭ относится к поливинилацеталям (ПВАц), обладает высокой адгезией к различным материалам, в том числе к металлу и стеклу, хорошими электроизоляционными свойствами.

Эмпирическая формула ПВФЭ:

-[СН2-СН - СН2 - СН-]Х - [СН2 - СН - СН2 - СН-]У - [СН2 - CH-]Z- [СН2 -СН]М

II I I I I

О О О О ОСОСНз он

СН2 СН

СНз

где: х - содержание поливинилформаля = (41,3 45,65) % масс.; у - содержание поливинилэтилаля = (36,1 41,8) % масс.; z - содержание поливинилацетата = (0, 5 -=- 1,46) % масс.; м - содержание ПВС = (22,49 - 11,09) % масс.

Производство поливинилацеталей в СССР существовало в ОАО «Пластполимер» (г.Санкт-Петербург); «Кусковский химический завод» (г.Москва); ПО «Поливинилацетат», (г.Ереван, Армения); СПО «Азот» (г.Северодонецк, Украина). В настоящий момент в России производство поливинилацеталей отсутствует.

ПВФЭ получают методом гетерогенного последовательного ацеталирования ПВС формальдегидом и ацетальдегидом в водной среде в присутствии минеральной кислоты.

Метод производства ПВФЭ периодический. При периодическом методе получения ПВФЭ реализуется возможность получения ПВФЭ малотоннажными партиями.

Степень ацеталирования находится в прямой зависимости от значения рКа кислотного катализатора, в рассматриваемом процессе используется соляная кислота.

Реакцию ацеталирования можно оборвать на любой стадии, благодаря чему имеется возможность получать ПВАц желаемого функционального состава.

Реакция ацеталирования ПВС в воде проходит сначала в гомогенной фазе, т.к. частично ацеталированные продукты еще растворимы в воде, преимущественно холодной. Для того, чтобы по возможности дольше вести реакцию в гомогенной фазе, следует поддерживать низкую температуру. При

определенной степени адеталирования полимер выпадает из раствора в виде тонкой дисперсии, и дальнейшее ацеталирование протекает в гетерогенной среде. Для получения равномерного по составу продукта с высокой степенью замещения особое значение имеет выбор условий проведения процесса, обеспечивающих выпадение осадка частично ацеталированного ПВС в тонкодисперсном состоянии с большой поверхностью раздела между твердой и жидкой фазами. Синтез ПВС в водной среде позволяет избежать сложных и экономически невыгодных операций осаждения полимера из реакционного раствора и регенерации многокомпонентной смеси растворителей.

Для предотвращения образования сшитых структур при гетерогенном ацеталировании ПВС необходимо добиваться минимального перепада температур между водным раствором ПВС и хладоносителем, циркулирующем в рубашке реактора. Этому же способствует сокращение времени охлаждения раствора ПВС перед ацеталированием.

Технологический процесс получения ПВФЭ, рассматриваемый в данной диссертации состоит из пяти основных стадий [30]:

1. Подготовка сырья.

2. Ацеталирование поливинилового спирта:

первая фаза - ацеталирование ПВС формальдегидом (формалином); вторая фаза - ацеталирование ПВС ацетальдегидом.

3. Отжим, промывка ПВФЭ.

4. Стабилизация ПВФЭ.

5. Сушка ПВФЭ, просеивание, измельчение отсева, фасовка.

Необходимо отметить ряд факторов, оказывающих существенное

влияние на процесс получения ПВФЭ, а именно:

1. Особенностью ПВФЭ являются �