автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Совершенствование процесса сушки бумаги на бумагоделательной машине с использованием имитационного моделирования

На правах рукописи

Гринченко Илья Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ БУМАГИ НА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

003493388

Санкт-Петербург - 2009

003493388

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном

технологическом университете растительных полимеров (СПб ГТ УРП).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Пожитков Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Федоров Олег Константинович кандидат технических наук Шабалин Михаил Евгеньевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский

институт бумаги (ВНИИБ)

Защита состоится « -/6" » у-тр/й^ 2010 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров (198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4.

Автореферат разослан « Л9» 2010 года

Учёный секретарь диссертационного совета

Швецов Ю. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство бумаги на бумагоделательной машине (БДМ) состоит из нескольких технологических стадий, наиболее важным из которых является процесс сушки полотна. Режим сушки бумажного полотна определяет один из основных параметров качества готовой продукции -влажность бумаги, и, кроме того, процесс сушки является наиболее энергоемкой стадией производства бумаги.

Производство бумаги характеризуется высоким уровнем автоматизации. Регулирование параметров технологического режима и качества готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации осуществляется автоматически, а при обрывах полотна - оперативным персоналом (сушильщиком) в режиме ручного управления процессом сушки.

Требования к эффективности работы БДМ, а также к качеству продукции непрерывно возрастают. Наиболее эффективными в настоящее время оказались решения по автоматическому управлению качеством готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации. Значительно меньший прогресс достигнут в создании систем автоматического управления качеством в переходных режимах: при смене производительности, вида продукции, обрывах бумажного полотна.

Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны. Результат: значительные отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента, и соответственно высокий процент брака готовой продукции, длительное восстановление режима нормального процесса сушки бумаги, повышенные затраты на теплоноситель.

Поэтому необходимо разработать новые пути к решению данной задачи.

Цель работы. Алгоритмизация процессов управления сушкой бумаги в нестандартных режимах, обеспечивающих повышение качества готовой продукции и минимизацию (экономию) теплоносителя, а также создание имитационной модели сушки, используемой для отладки БДМ.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы системный анализ, математический анализ и статистика, теории информации, вычислительная математика, современные системы компьютерной математики и имитационного математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработаны принципы имитационного моделирования сушильной части БДМ как объекта управления процессом сушки полотна.

2. Разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами.

3. Разработаны аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна.

4. Разработана имитационная модель сушильной части БДМ как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

5. Разработаны алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги.

Практическая ценность работы. Предложенная структура системы управления процессом сушки бумаги может быть использована при проектировании систем автоматического управления БДМ.

Разработана конструкция сушильного цилиндра, интенсифицирующая теплообмен и снижающая энергетические затраты, новизна которой подтверждена полученным патентом.

Разработанные модели процесса сушки могут использоваться при отладке программного обеспечения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) производства бумаги и в учебном процессе.

Положения выносимые на защиту:

1. Методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами.

2. Аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

3. Алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины.

4. Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки.

Реализация результатов. Данные, полученные при моделировании систем управления сушкой при обрыве полотна, переданы на производство ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» и используются при оперативном управлении картоноделательной машиной. По результатам данного мероприятия имеется акт внедрения.

Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки бумаги внедрена в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров на факультете АСУТП как тренажер моделирования систем.

Получен патент на конструкцию, интенсифицирующую процессы теплообмена в сушильном цилиндре

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, научно-практических и научно-методических конференциях: «Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве», Санкт-Петербург, СПбГТУРП, 27-28 октября, 2005 г.; «Молодые учёные университета -ЛПК России», СПбГТУРП, 11 апреля, 2006 г.; «Особенности подготовки

специалистов для территориально-промышленных комплексов России», Санкт-Петербург, 19-20 апреля 2006 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, 3 приложений и библиографического списка. Работа изложена на 130 страницах, содержит 50 рисунков, 10 таблиц, библиографический список включает 64 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая описание задач, затронутых в диссертации, обосновывается актуальность выбранной темы, излагается практическая значимость работы, ставятся цели исследования, перечисляются основные научные результаты, полученные при проведении исследований, приведены положения выносимые на защиту.

В первом разделе приведено краткое описание процесса сушки бумаги на бумагоделательной машине, а также автоматических систем управления этим процессом. Рассмотрены существующие системы управления показателями качества бумаги, в т.ч. важнейшими из них: влажностью и массой 1 м2 бумажного полотна. Изложены принципы их управления и работы, функции, применяемые конструкции, устройства, достоинства и недостатки.

Проведен анализ работы систем управления процессом сушки. Для этого на действующем оборудовании исследовано качество систем управления влажностью бумаги в наиболее распространенных АСУТП.

В системах использовались измерители влажности бумаги, установленные на сканирующих устройствах. Системы автоматического регулирования влажности изменяют задание регулятору давления пара в основной сушильной группе в зависимости от отклонений влажности от заданного значения. Но при обрывах полотна все операторы переходят в режим ручного управления процессом сушки. Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны.

Анализ изменений влажности, характерный вид которых приведен на рис. 1, показал:

- отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента довольно значительны (6 13%);

- наблюдается тенденция оперативного персонала пересушивать полотно;

- наиболее существенные изменения влажности бумаги имеют место после ликвидации обрывов полотна;

- восстановление режима нормального процесса сушки полотна после обрыва происходит не менее чем через 30 мин.

40-

1 =зо4

в „

га « 20 * ' § 4

С 2 я я

5 о я

3

и га га м

И

10-

35,2

15,3

1,2

4,8

31,6

10,5

1,4

5 5,5 6 6,5 1 7,5 Влажность, %

Рис. 1 - Гистограмма изменения влажности бумаги

Далее рассматриваются математические модели процесса сушки бумаги, их необходимость, типы, особенности и недостатки. Обосновывается выбор метода приближенного моделирования систем с распределенными параметрами.

Предложено использовать передаточные функции каналов воздействий, полученные путем приравнивания моментов точной и приближенной весовых функций каналов объекта.

Во втором разделе описано получение математических моделей процесса сушки бумаги как объекта управления.

Проведена декомпозиция объекта путем выделения типовых звеньев: паровой сушильной группы, сушильного цилиндра и бумажного полотна.

Математическая модель паровой сушильной группы получена при следующих допущениях: пар насыщенный и давление пара во всех сушильных цилиндрах группы одинаковое.

Процесс изменения давления в цилиндрах паровой сушильной группы описывается уравнением

иг (,)-др(0, (1)

0/7

где Уц - объем парового пространства сушильного цилиндра;

Л - газовая постоянная;

воп ~ температура пара в сушильном цилиндре в номинальном режиме;

А - индекс отклонений переменных от номинального режима;

Р - давление пара в сушильном цилиндре;

/ - координата времени;

Рп/пр, Рпош ~ расходы пара, поступающего в цилиндр и уходящего из него;

Рк - расход образующегося конденсата.

Математическая модель сушильного цилиндра получена при следующих допущениях:

- температура поверхности сушильного цилиндра по длине одинаковая;

- конденсат в цилиндре распределен в виде кольца;

- коэффициенты теплопередачи через слой конденсата и стенку цилиндра постоянны.

При разработке моделей сушильный цилиндр рассматривался как объект с распределенными параметрами. Математическая модель описывает зависимости отклонений температур от изменений давления пара в цилиндрах в режиме нормальной эксплуатации.

Предлагается распространить эту модель на ситуацию обрыва полотна. В этом случае резко изменяется коэффициент теплоотдачи от поверхности цилиндра к окружающей среде, поэтому изменяется граничное условие.

В результате имеем следующую систему уравнений

dA0K(y,t)_ д2Ав,(у,1)

• — йи

dt

8Авц(у,0_ д2Авц(у,1) dt ~

5у2

при 0<t<co, 0<y<SK,

при 0<t<oo, 6к<у<8ц.

(2) (3)

где Двк(у,$, Двц(у,0 - отклонения температур конденсата и цилиндра; у - радиальная пространственная координата цилиндра; ак, ац ~ коэффициенты температуропроводности конденсата и цилиндра; ¿к - толщина слоя конденсата;

8ц — суммарная толщина слоя конденсата и стенки цилиндра. Граничные условия

Г bABK(y,t)\ пк

dt у=0

дй

A9K(0,t)--£AP(t)

при у = 0,

дАвк(у,1) 8Лвц(у,1)

ду J Г Л, 1 Ъ J

при у = 8к,

ду

щ

Л. v

А9с(,)-А0ц(Зц

4

-Аацс(0. при у-

ц ц

Авк(8^) = Авп(5кЛ), при у = Зк , где апк ~ коэффициент теплоотдачи от пара к конденсату;

(4)

(5)

(6) (7)

Хк, Хц- коэффициенты теплопроводности конденсата и стенки цилиндра; 59

—— - коэффициент влияния давления пара на температуру пара; дР

вц, вс, ацс - номинальные значения температур и коэффициента * теплоотдачи от поверхности цилиндра к окружающей среде;

АацсО), АвсО) - отклонения коэффициента теплоотдачи цилиндра и температуры окружающей среды от номинальных значений. Начальные условия

Лвк(у,0) = 0, при Г = 0, Лвц(у,0) = 0, при / = 0. (8)

Методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре. Предлагается методика получения имитационной модели объекта, описываемого уравнениями в частных производных, состоящая из следующих этапов:

1. Задаются видом передаточной функции модели с сосредоточенными параметрами в дробно-рациональной форме \¥(р), опираясь на информацию об известном характере реакции объекта по рассматриваемому воздействию в условиях эксплуатации.

2. Находятся выражения, связывающие моменты точной весовой функции с коэффициентами передаточной функции приближенной модели с сосредоточенными параметрами.

3. Предполагается, что внешнее воздействие по рассматриваемому каналу имеет вид дельта-функции. Далее система уравнений в частных производных, описывающая поведение объекта с распределенными параметрами, преобразуется по Лапласу. Дифференцируя полученные уравнения /-раз и устремляя р—*0, получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений для г-тых моментов весовой функции канала. Из неё находятся точные аналитические решения.

4. Определяются значения коэффициентов передаточных функций из условия равенства моментов весовых функций моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами.

На основе предложенной методики далее получены:

- имитационная модель влияния давления пара паровой группы на температуру поверхности сушильного цилиндра

аье (д ,0

Тпк У (9)

¿Д0„(5 ,0

тщ У =к,щ > (10)

КПК - СА + С2 » КПЦ =Сз$ц (11)

баг 2а

Тпк=^-^-(12)

са+С,

_6ац 2ац ....

*кц--Г я г пк) (13)

(-3Оц +

где Кь Т\ - коэффициенты передачи и постоянные времени каналов; С„ Д - расчетные коэффициенты, зависящие от конструктивных данных и параметров технологического режима.

- имитационная модель влияния обрыва полотна на температуру поверхности сушильного цилиндра как следствие изменений коэффициента

теплоотдачи от цилиндра к окружающей среде

(8 ,!)

Тси У (14)

Кщ -^"¡дц + С">, (15)

т . 6а« 2а"__Мб)

'СЦ - „а с , „о ■ и0-»

О 10ц +С !

Проверка адекватности моделей каналов влияния давления пара и состояния полотна проводилась на примере действующей бумагоделательной машины №8 Неманского ЦБК.

На основе разработанной аналитической модели получены численные зависимости влияния толщины слоя конденсата на динамические характеристики каналов объекта управления (рис. 2 и 3). Рассматривались два канала влияния изменений давления пара и состояния полотна на изменения температуры поверхности цилиндра.

---Тпк

-Ткц---Кпц

~~J I I I I I I I

0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 Толщина слоя конденсата, мм

Рис. 2 - Влияние толщины слоя конденсата на динамические характеристики каналов: «изменение давления пара - изменение температур конденсата и поверхности цилиндра» в режиме нормальной эксплуатации

Доказано, что увеличение толщины слоя конденсата уменьшает коэффициенты передачи этих каналов и увеличивает их инерционность. Причем постоянные времени объекта увеличиваются квадратично.

Учитывая отрицательное влияние слоя конденсата на характеристики объекта, предложено, с целью интенсификации теплообмена и снижения

энергозатрат, изменить конструкцию сушильного цилиндра путём изменения геометрии прорезей в перегородках, служащих для сбора и удаления конденсата. На данную разработку получен патент № 62397.

Толщина слоя конденсата, мм 0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,1

0

-0,01 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05 -0,06 -0,07 -0,08 -0,09

N ---Ксц -Тсц /

ч / ' ч. /

4 /

4 / ■ ч /

/ ' V

' N -— Ч

4

3,5 3

2,5 2

0,5 0

й

«

»

Я

Я

V я

2 я

<и

а.

¡а

к , и

а !—

я

я

к

Рис. 3 - Влияние толщины слоя конденсата на динамические характеристики канала: «изменение коэффициента теплоотдачи цилиндра - изменение температуры поверхности цилиндра» при отсутствии полотна

Математическая модель удаления влаги из полотна как объекта регулирования влажности бумаги получена при следующих допущениях:

- процесс массопереноса в бумажном полотне безынерционный;

- содержание влаги по толщине полотна одинаковое;

- вместо сложной комбинированной контактно-конвективной сушки бумаги рассматривается эквивалентная ей контактная сушка;

- скорость движения полотна постоянна.

При разработке модели учитывалась распределенность влагосодержания по длине полотна в сушильной части. Процесс массопереноса в бумаге описывался гиперболическими уравнениями с граничным условием первого рода.

Система уравнений для изменений влагосодержания бумаги имеет следующий вид

при (17)

дАи[хЛ) + V = -ЛК(Л9п(Х,,),А\У(1),Ли(и)), при /<*<£, (18)

от ох

где и(х,0 - влагосодержание бумаги, %; х - пространственная координата по длине полотна; V- скорость движения полотна, м/мин;

Я - скорость сушки бумаги, %/мин;

вц - температура поверхности сушильного цилиндра;

IV- абсолютно сухой вес 1 м2 бумаги, г;

1кр - координата длины полотна, при которой влагосодержание равно критическому значению 1/(1кр, I) = икр\

Ь - максимальная длина полотна, м;

В третьем разделе разрабатывается имитационная модель процесса сушки бумаги. В качестве объекта моделирования рассматривалась бумагоделательная машина БДМ 1 Светогорского ЦБК, выпускающая картон массой 80-360 г/и2 на скорости 400-440 м/мин. Сушильная часть содержит 50 цилиндров, объединенных в пять паровых групп, с традиционной проводкой полотна и синтетическими сушильными сетками. Машина оснащена системами регулирования давления пара в группах и влажности готовой бумаги (рис. 4).

Состояние Status полотна

Krfi)

T,(i)p+1

Положение клапана

Krf)

T5(i)p+1

m(i)

-1-1

К|(1) Т,0)р+1

P(i) >1 Кэ«*ехр(-та11(0р)

>> ■ВДР+1 '1,

Becli

Кг(0 Давление^ P(i+1)

1ет(|)

Температура

BW

-6-1

taul(i)tau2(i)

Скорость V

Аналогичные модели других сушильных | групп !

Случайные воздействия

—¡Statu«!—и^)-v

М

Влажность

Рис. 4 - Структура имитационной модели объекта управления процессом сушки бумаги (К]0), - коэффициент усиления и постоянная времени ]-того блока ь

той сушильной группы)

Разработка имитационной модели влажности готовой бумаги осуществлялась при следующих условиях:

- учитывалось влияние только третьей, четвертой и пятой сушильных групп, так как первая и вторая сушильные группы служат для подогрева полотна;

- системы регулирования давления пара в сушильных группах апроксимировались апериодическими звеньями (блок 1);

- последовательность двух апериодических звеньев канала влияния «давления пара на температуру цилиндров» заменялась эквивалентной передаточной функцией апериодического звена с запаздыванием (блок 3);

- учитывалось влияние на температуру цилиндров изменений толщины конденсата во время обрыва и после заправки полотна (блоки 4, 5);

- введен условный показатель Status, характеризующий состояние полотна (,Status = 1 - наличие полотна, Status = 0 - отсутствие полотна);

- влияние скорости полотна учитывалось как изменение параметров каналов (запаздывания в блоке 6);

- модель измерителя влажности бумаги представлялась релейной характеристикой (блок 7), так как при обрыве измеритель отводится в гараж и запускается после заправки полотна.

С целью создания более совершенных методов управления БДМ при обрыве полотна и после его заправки была написана специальная программа «Break» на языке Visual Basic 6.

При разработке программы моделирования аналоговые передаточные функции звеньев заменялись на соответствующие дискретные с использованием Z-преобразования.

Численные значения параметров передаточных функций отдельных звеньев определялись на основе технических характеристик БДМ, а также известных физико-теплотехнических характеристик процесса сушки.

Модель описывает изменения температуры поверхности сушильных цилиндров и влажности бумаги на накате в зависимости от давлений пара в группах, массы 1 м2, скорости машины, наличия или отсутствия полотна.

В соответствии с температурой, по модели прогнозируются изменения во времени влажности бумаги на накате. Это дает возможность оценивать влажность, которая будет в момент заправки полотна.

Проверка адекватности имитационной модели производилась путем сравнения изменений влажности бумажного полотна после обрыва, полученных в опытах на бумагоделательной машине и прогнозируемых по модели.

Программа работает в двух режимах: отладка имитационной модели объекта и отладка систем регулирования. На экранные формы программы выводятся: схема автоматизации паропровода (рис. 5), отклонения от номинального режима давлений пара, температур цилиндров, реальная и прогнозируемая по модели влажность бумаги.

В четвёртом разделе описываются методы совершенствования систем управления процессом сушки бумаги.

С целью повышения качества производимой бумаги предлагается следующая стратегия построения системы управления:

- На основе информации о работе оборудования и заданных параметрах выпускаемой продукции анализируется состояние БДМ и формируются оценки режима эксплуатации.

- В режиме нормальной эксплуатации производится стабилизация влажности готовой бумаги путем изменения заданий регуляторам давления пара в сушильных группах.

\ Параметры АСР | Результат(данные) )

Объект ] У Переходные хар-ки 1 ( Переходныехар-ки2 } Параметры модели

гТехнологическая схема

jS ^

пТ

i

1-й ц.

п

-¿с ••

^7 ВЙЖ

I ' - I ■ ^ '

Т. i t ^

i М 1 Т М : III! Mil

II III IV V

7-12ц 13-20ц 22-50ц 2149ц

1 1 1 1, JI1L Й-M-L, 1 I.I 1

"jlL

Рис. 5 - Экранная форма программы «Break»: схема паропровода БДМ 1

Светогорского ЦБК

- В момент обрыва полотна регулятор влажности бумаги отключается, и запоминаются текущие температуры поверхности сушильных цилиндров. Эти температуры принимаются в качестве заданий стабилизирующим регуляторам, которые включаются в работу цилиндров путем воздействия на задания регуляторов давления пара в группах. В зависимости от длительности холостого хода настройки регуляторов температуры могут корректироваться.

- После заправки полотна регуляторы температуры цилиндров" отключаются, и включается регулятор, стабилизирующий влажность готовой бумаги.

- В режиме смены вида продукции управление влажностью готовой бумаги осуществляется с использованием стабилизирующего и компенсирующего

регуляторов. Последний обеспечивает независимость (инвариантность) влажности относительно изменений массы 1 м2 полотна.

Эффективность предложенных алгоритмов управления процессом сушки при обрыве полотна проверялась путем их моделирования в программе «Break». В качестве объекта управления рассматривалась БДМ1 Светогорского ЦБК. Рассматривались различные варианты использования АСР температуры, так как установка датчиков температуры на вращающихся цилиндрах представляет определенные трудности.

Методика имитационного моделирования систем управления.

Предварительно задавались параметры локальных систем регулирования.

Считалось, что реакция АСР давлений пара в сушильных группах соответствует апериодическими звеньям с инерционностью (постоянной времени), не превышающей 1 мин.

Коэффициенты регуляторов температуры цилиндров и влажности бумаги находились путем перебора: выбирались настройки, обеспечивающие позаданию апериодический переходный процесс с максимальным быстродействием.

Коэффициенты соотношения давлений в г'-той и ведущей паровой группе выбирались так, чтобы обеспечить неизменность вида графика сушки.

Рассматривалась разная длительность обрыва полотна: 15 и 30 мин. Причем процесс моделирования начинался с условия, что произошел обрыв полотна. Считалось, что измеритель влажности бумаги включается через 0,5 мин после заправки полотна.

На экраны все переменные выводились в отклонениях от номинального (начального) технологического режима. Фиксировались изменения: давлений пара в группах, температур цилиндров в группах, влажности бумаги после ликвидации обрыва и вывода измерителя на полотно (табл. 1).

Таблица 1 - Результаты моделирования системы управления процессом сушки

Способ регулирования сушильной части при обрыве полотна Диапазон отклонений влажности бумага от номинала, % влажности

Длительность обрыва 15 мин Длительность обрыва 30 мин

1. Оперативное управление давлением пара в группах ±2 -5 - 2,5

2. Стабилизация температуры цилиндров 4 группы -1,3-0,3 -1,3 - 0,2

3. Стабилизация температуры цилиндров 4 и 5 групп -0,38 - 0,1 ±0,2

4. Стабилизация температуры цилиндров 3,4 и 5 групп -0,2 -0,1 ±0,2

Анализ результатов моделирования показал:

■ способ регулирования сушильной части при обрыве полотна путем стабилизации температуры поверхности сушильных цилиндров по сравнению с оперативным управлением обеспечивает снижение отклонений влажности после заправки полотна в 10 раз;

- наибольшая точность регулирования имеет место при стабилизации температур цилиндров во всех трех основных группах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен анализ качества существующих систем управления процессом сушки бумаги на действующих БДМ. Данные промышленной эксплуатации систем позволили выявить причины и оценить величину отклонений влажности готовой бумаги от регламента.

2 Разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ. Она базируется на заданных априори структуре модели и вида передаточных функциях звеньев. Параметры последних находятся из условия равенства моментов исходной и приближающей весовых функций объекта.

3 На основе предложенной методики разработаны:

- аналитическая модель сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры;

- аналитическая модель процесса сушки полотна как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

Модель описывает влияние на указанные параметры изменений давления пара в группе, веса 1 м2 бумаги, скорости машины и обрыва полотна.

4 Для действующей бумагоделательной машины разработана имитационная модель процесса сушки как объекта регулирования влажности готовой бумаги. Экспериментальными данными подтверждена адекватность этой модели.

5 Изучено влияние количества конденсата в цилиндре на динамические характеристики канала управления давлением пара в паровой группе. С целью интенсификации теплообмена и снижения энергозатрат предложено изменить конструкцию сушильного цилиндра. На эту разработку получен патент.

6 Разработаны и внедрены на производстве структура системы управления процессом сушки на БДМ и алгоритмы управления процессом в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги.

7 Разработано программное обеспечение для имитационного моделирования систем управления процессом сушки на БДМ. Это позволило подтвердить эффективность предлагаемых алгоритмов управления.

8 На основе имитационной программы разработан и внедрен в учебный процесс тренажер моделирования систем управления процессом сушки.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жукова, Ю.С. Управление процессом сушки бумаги при обрывах полотна [Текст] / Ю.С. Жукова, В.В. Пожитков, И.А. Гринченко // Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве: Сборник трудов международной научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 27-28 октября 2005 г. / под ред. проф. Иванова А.Н.; ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. - СПб., 2005. - С. 129.

2. Гринченко, И.А. Анализ работы систем управления процессом сушки [Текст] / И.А. Гринченко // Молодые ученые университета - ЛПК России: Сборник докладов и сообщений научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 11 апреля 2006 г. / под ред. проф. Курова B.C.; ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. - СПб., 2006. - С. 98-101.

3. Жукова, Ю.С. Использование имитационной модели сушки бумаги при обучении [Текст] / Ю.С. Жукова, В.В. Пожитков, И.А. Гринченко // Особенности подготовки специалистов для территориально-промышленных комплексов России: Тезисы докладов международной научно-методической конференции, посвященной 75-летию СПб ГТУ РП (Санкт-Петербург, 19-20 апреля 2006 года) / ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. - СПб., 2006. - ЧII - С. 60-61.

4. Пат. 62397 Российская федерация, МПК7 D 21 F 5/02. Сушильный цилиндр [Текст] / Пожитков В.В., Сафонов Ю.К., Гринченко И.А.; патентообладатель С.-Петерб. гос. технологич. ун-т раст. полимеров. -№ 2006136256/22; заявл. 06.10.06; опубл. 10.04.07, Бюл. № 10. - 4 е.: ил.

5. Гринченко, И.А. Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги [Текст] / И.А. Гринченко, В.В. Пожитков, Ю.С. Жукова // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2009. - № 01.- С. 80-81.

Отпечатано в типографии ООО «Копи-Р» г. Санкт-Петербург, пр. Стачек, 8-а заказ № 15, тираж 100 экз.

Введение.

1 Анализ работы сушильной части бумагоделательной машины.

1.1 Характеристика производства бумаги.

1.2 Автоматизация процесса сушки бумажного полотна.

1.3 Системы управления качеством бумажного полотна.

1.3.1 Основные характеристики систем управления показателями качества бумажного полотна.

1.3.2 Системы управления средней влажностью и массой 1 м бумажного полотна.

1.3.3 Системы управления влажностью по ширине бумажного полотна.

1.4 Анализ работы систем управления процессом сушки.

1.5 Математические модели процесса сушки бумаги.

1.6 Методы приближенного моделирования систем с распределенными параметрами.

1.7 Постановка задачи исследования.

2 Математические модели процесса сушки бумаги как объекта управления.

2.1 Математическая модель паровой сушильной группы.

2.2 Математическая модель сушильного цилиндра.

2.2.1 Методика приближенного моделирования процесса тепло-передачи на сушильном цилиндре.

2.2.2 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния давления пара.

2.2.3 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния состояния окружающей среды.

2.2.4 Проверка адекватности модели канала влияния давления пара.

2.2.5 Проверка адекватности модели канала влияния состояния полотна.

2.3 Математическая модель удаления влаги из полотна.

3 Разработка имитационной модели процесса сушки бумаги.

3.1 Характеристика объекта моделирования.

3.2 Методика разработки имитационной модели.

3.3 Характеристика программы моделирования.

3.4 Проверка адекватности имитационной модели.

4 Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги.

4.1 Принципы построения системы автоматического управления процессом сушки.

4.2 Управление процессом сушки в режиме холостого хода.

4.2.1 Разработка алгоритмов управления.

4.2.2 Методика имитационного моделирования.

4.2.3 Результаты имитационного моделирования.

4.2.4 Адаптация систем регулирования влажности бумаги.

Производство бумаги на бумагоделательной машине (БДМ) состоит из нескольких технологических стадий, наиболее важным из которых является процесс сушки полотна. Режим сушки бумажного полотна определяет один из основных параметров качества готовой продукции - влажность бумаги, и, кроме того, процесс сушки является наиболее энергоемкой стадией производства бумаги.

Производство бумаги характеризуется высоким уровнем автоматизации. Регулирование параметров технологического режима и качества готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации осуществляется автоматически, а при обрывах полотна - оперативным персоналом (сушильщиком) в режиме ручного управления процессом сушки.

Требования к эффективности работы БДМ, а также к качеству продукции непрерывно возрастают. Наиболее эффективными в настоящее время оказались решения по автоматическому управлению качеством готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации. Значительно меньший прогресс достигнут в создании систем автоматического управления качеством в переходных режимах: при смене производительности, вида продукции, обрывах бумажного полотна.

Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны. Результат: значительные отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента, и соответственно высокий процент брака готовой продукции, длительное восстановление режима нормального процесса сушки бумаги, повышенные затраты на теплоноситель.

Поэтому необходимо разработать новые пути к решению данной задачи.

Целью диссертационной работы является алгоритмизация процессов управления сушкой бумаги в нестандартных режимах, обеспечивающих повышение качества готовой продукции и минимизацию (экономию) теплоносителя, а также создание имитационной модели сушки, используемой для отладки режимов Б ДМ.

При выполнении диссертационной работы были использованы такие методы исследования как системный анализ, математический анализ и статистика, теории информации, вычислительная математика, современные системы компьютерной математики и имитационного математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны принципы имитационного моделирования сушильной части БДМ как объекта управления процессом сушки полотна;

- разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами;

- разработаны аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна;

- разработана имитационная модель сушильной части БДМ как объекта регулирования влажности готовой бумаги;

- разработаны алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги.

Практическая ценность исследования:

- предложенная структура системы управления процессом сушки бумаги может быть использована при проектировании систем автоматического управления БДМ;

- разработана конструкция сушильного цилиндра, интенсифицирующая теплообмен и снижающая энергетические затраты, новизна которой подтверждена полученным патентом;

- разработанные модели процесса сушки могут использоваться при отладке программного обеспечения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) производства бумаги и в учебном процессе.

Данные, полученные при моделировании систем управления сушкой при обрыве полотна, переданы на производство ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» и используются при оперативном управлении картоноделательной машиной (КДМ). По результатам данного мероприятия имеется акт внедрения.

Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки бумаги внедрена в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров (СПб ГТУ РП) на факультете АСУТП как тренажер моделирования систем.

Получен патент на конструкцию, интенсифицирующую процессы теплообмена в сушильном цилиндре.

Положения, выносимые на защиту:

1) Методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами.

2) Аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

3) Алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины.

4) Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, научно-практических и научно-методических конференциях: «Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве», Санкт-Петербург, СПб ГТУ РП, 27-28 октября, 2005 г.; «Молодые учёные университета - ЛПК России», СПб ГТУ РП, 11 апреля, 2006 г.; «Энергетика в ЦБП», СПб ГТУ РП, 2-4 июля 2008 г.

Основные результаты работы:

1) Проведен анализ качества существующих систем управления процессом сушки бумаги на действующих БДМ. Данные промышленной эксплуатации систем позволили выявить причины и оценить величину отклонений влажности готовой бумаги от регламента.

2) Разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ. Она базируется на заданных априори структуре модели и вида передаточных функциях звеньев. Параметры последних находятся из условия равенства моментов исходной и приближающей весовых функций объекта.

3) На основе предложенной методики разработаны:

- аналитическая модель сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры;

- аналитическая модель процесса сушки как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

Модель описывает влияние на указанные параметры изменений давления пара в группе, веса 1 м2 бумаги, скорости машины и обрыва полотна.

4) Для действующей бумагоделательной машины разработана имитационная модель процесса сушки как объекта регулирования влажности готовой бумаги. Экспериментальными данными подтверждена адекватность этой модели.

5) Изучено влияние количества конденсата в цилиндре на динамические характеристики канала управления давлением пара в паровой группе. Это позволило разработать методику адаптации систем автоматического регулирования процесса сушки в зависимости от времени холостого хода.

6) Предложена структура системы управления процессом сушки на БДМ. Разработаны и внедрены на производстве ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» алгоритмы управления процессом в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги. По результатам данного мероприятия имеется заключение (Приложение В).

7) Разработано программное обеспечение для имитационного моделирования систем управления процессом сушки на БДМ. Это позволило подтвердить эффективность предлагаемых алгоритмов управления.

8) На основе имитационной программы разработан и внедрен в учебный процесс тренажер моделирования систем управления процессом сушки, что подтверждено актом внедрения (Приложение В) [62].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Иванов С.Н. Технология бумаги. 2-е изд. перераб. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 696 с.

2. Кондрашкова Г.А., Леонтьев В.Н., Шапоров О.М. Автоматизация технологических процессов производства бумаги. М.: Лесная промышленность, 1989.- 150 с.

3. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. Т. 3. Автоматизация, стандартизация, экономика и охрана окружающей среды в ЦБП. Ч. 1. Автоматизация, стандартизация и экономика в ЦБП. СПб.: Политехника, 2008. - 621 с.

4. Вальтер Бест и др. Одежда для сушильной части современных бумажных машин // "International Paperwork!". 2004. - № 11. - С. 15.

5. Клаус Майер Фойт. Технологические решения // "Twogether". 2004. -№ 17.-С. 52.

6. Малков В.Г. Модернизация бумаго-, картоноделательных и сушильных машин // "Целлюлоза, бумага, картон". 2005. - № 6. - С. 52.

7. Mark Hodson Print Tech PR // "Twogether". 2006. - №22. - P. 40.

8. Газовые инфракрасные излучатели для сушки бумаги // "Целлюлоза, бумага, картон". 2006. - № 5. - С. 34.

9. Gerrit van Engeland Dresden Papier // "Twogether". 2006. - № 22.1. P. 65.

10. Эрих Вилл ер. Новая концепция пароконденсатной системы // "Twogether". 2008. - № 26. - С. 40.

11. П.Виктор Даниленко. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1 // "Современные технологии автоматизации". 2006. - № 4. - С. 66.

12. Виктор Даниленко. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2 // "Современные технологии автоматизации". 2007. - № 1. -С. 78.

13. Solutions for Superior Results. Проспект фирмы Honeywell. 2002.2 c.

14. Querprofil-Regelungen. Simply the Best. Проспект фирмы Honeywell. -2003.-4 с.

15. Interfacing Papermakers With The Future. Проспект фирмы DevronHercules. 1995. - 6 с.

16. New wave Paper IQ. Проспект фирмы Valmet Automation. 2001.3 c.

17. Томас Гинделе. Анализ профиля поперечной влажности бумажного полотна // "Twogether". 2003. - № 16. - С. 61.

18. Christoph Muller Perfect Fit Rebuild Projects // "Twogether". 2006. -№ 10. - P. 4.

19. Bernd Stibi Process olutions // "Twogether". 2006. - № 110. - P. 103.

20. Харичев C.H. "Ноу-хау" приборов Metso Autumation для современных систем контроля и управления качеством бумаги и картона // междунар. науч.-практ. конф. "Современные системы контроля и управления качеством бумаги": Сб. тр. СПб., 2007. - С. 30.

21. Изерман.Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 300 с.

22. Владимир Демидов. Решения задач оперативного управления производством // "Современные технологии автоматизации". 2006. - № 1. -С. 14.

23. Виктор Перехобченко и др. Автоматизированная система управления стендом вертикальной сушки // "Современные технологии автоматизации". -2006. -№3.- С. 32.

24. Ицкович Э.Л. Рациональная последовательность модернизации существующих систем автоматизации производства // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. - № 1. - С. 11.

25. Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы в целлюлозно-бумажной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1981. - 197 с.

26. Преображенский Л.Н., Александр В.А., Лихтер А.Д. Специальные приборы и регуляторы целлюлозно-бумажного производства. М.: Лесная промышленность, 1972. - 376 с.

27. Жукова Ю.С. Управление качественными показателями бумаги на бумагоделательных машинах: Учеб. пособие / ЛТА. Л., 1984. - 37 с.

28. Ссовременные решения автоматизации / Проспект фирмы Metso Automation. 2003. - 8 с.

29. Суриков В.Н., Соминин М.А. Повышение точности управления качественными показателями бумажного полотна // междунар. науч.-практ. конф. "Современные системы контроля и управления качеством бумаги": Сб. тр. СПб., 2007. - С. 30.

30. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1978. - 267 с.

31. Блюм A.C. Решения в области автоматизации ТП целлюлозно-бумажной промышленности // Автоматизация в промышленности. 2004. -№ 10. - С. 28.

32. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М.: Энергия, 1978. - 276 с.

33. Бумагоделательные и картоноделательные машины /под ред. В.С.Курова, H.H. Кокушина. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2008. - 585 с.

34. Понизовский В.З. Математическое описание динамики процесса сушки бумаги на сушильном цилиндре. ВНИИБ. Труды института. Вып. 54. -М.: Лесная промышленность, 1969. -45 с.

35. Жукова Ю.С., Понизовский В.З. Способы повышения качества регулирования влажности бумажного полотна. Труды 2-ой Международной конференции ИФАК, по автоматизации бумажной, резиновой и пластмассовой промышленности. Брюссель, 1971. - 57 с.

36. Девятов Б.Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления. Новосибирск: Сиб. Отделение АН СССР, 1964.-89 с.

37. Шевяков A.A., Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. М.: Машиностроение, 1968. - 189 с.

38. Маковский В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами. М.: Металлургия, 1971. - 306 с.

39. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 2003. -154 с.

40. Тарасов B.C., Веренинов И.А., Ерунов В.Я. Моделирование теплотехнических процессов с распределенными параметрами. JL: ЛПИ, 1978. - 167 с.

41. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Теория и методы анализа управляемых распределенных процессов. Новосибирск: Наука, 1983. - 374 с.

42. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. М.: Наука, 1978. - 421 с.

43. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981.-208 с.

44. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Теория и методы анализа управляемых распределенных процессов. Новосибирск: Наука, 1983. - 254 с.

45. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния. М.: Мир, 1975. - 683 с.

46. Жукова Ю.С., Понизовский В.З. Чувствительность динамических характеристик сушильного цилиндра к изменению параметров процесса теплопередачи. ВНИИБ. Труды института. Вып.57. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 86 с.

47. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.: Фазис. 1998.- 131 с.

48. Сигалов Г.Г., Мадоский М.С. Основы теории дискретных систем управления. Минск: Вэшэйш. школа, 1973. - 334 с.

49. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985. - 281 с.

50. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1986. - 190 с.

51. Олсон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский Диалект, 2001. - 245 с.

52. Селянинова JI.H. Автоматизированная система имитационного моделирования систем управления. Часть 1: учебно-методическое пособие / ГОУВПО СПбГТУРП. СПб., 2007. - 111 с.

53. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2004. - 134 с.

54. Жучков П.А., Саунин В.И. Тепловой и гидравлический режимы бумагоделательных и картоноделательных машин. М.: Лесная промышленность, 1972. - 285 с.

55. Вельский А.П., Лакомкин В.Ю. Теплотехнический расчет многоцилиндровой сушильной части бумагоделательной машины: Методические указания; ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. СПб., 2006. - 230 с.

56. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1973. - 607 с.

57. Пиргач Н.С., Пиргач B.C. Автоматическое регулирование и регуляторы в целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность, 1975. - 269 с.

58. Технология целлюлозно-бумажного производства. В 3 т. Т. 3. Автоматизация, стандартизация, экономика и охрана окружающей среды в ЦБП. 4.1. Автоматизация, стандартизация и экономика в ЦБП. СПб.: Политехника, 2008. - 621 с.

59. ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. СПб., 2006. - ЧII.- С. 60-61.i

60. Гринченко, И.А. Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги / И.А. Гринченко, В.В. Пожитков, Ю.С. Жукова // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2009. -№ 01- С. 80-81.