автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление автоклавом на основе многомерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью

На правах рукописи

САЗОНОВА Татьяна Васильевна

УПРАВЛЕНИЕ АВТОКЛАВОМ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОГО НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА С ИНТЕРВАЛЬНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ

05.13.Об - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

1 8 АПР 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 2013

005051970

005051970

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель ■

кандидат технических наук, доцент Муравьева Елена Александровна

Официальные оппоненты:

Поляков Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения, металлообрабатывающих станков и комплексов;

Ведущая организация •

Грачева Любовь Николаевна,

кандидат технических наук, доцент, филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» в г. Кумертау, заведующий кафедрой промышленной автоматики

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита состоится 5 апреля 2013 г. в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.02, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан /£ февраля 2013 г.

Ученый секретарь Ь л ^

диссертационного совета ^ В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Использование золошлаковых материалов (31ПМ) теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), получаемых в результате сгорания бурого угля, в качестве сырья для изготовления шлакоблоков из-за оптимального соотношения «цена-качество» и улучшения экологической обстановки промышленных регионов является достаточно перспективным направлением в производстве строительных материалов. В данном процессе используется автоклавная тепло-влажностная обработка, на долю которой приходятся до 80% энергозатрат и основная часть производственного цикла, требующего строгого соблюдения длительности следующих технологических стадий: продувка, плавный подъём, снижение температуры и давления, изотермическая выдержка при постоянном давлении. Несоблюдение указанных требований и неравномерность прогрева рабочего пространства автоклава приводят к повышению энергозатрат и доли брака в готовой продукции.

Между тем, конструкция и системы управления существующих автоклавов не располагают действенными средствами выполнения указазшых требований (пар в автоклав подается по одной трубе; длительность упомянутых стадий обычно завышена и задается априорно, по среднестатистическим данным, и без учета непрерывно меняющегося химического состава сырья шлакоблоков).

Перечисленные недостатки усугубляются при изготовлении шлакоблоков из ЗШМ ТЭЦ г. Кумертау, в которых состав окислов железа колеблется в особенно широких пределах от 3 до 27%, что приводит к стохастическому изменению оптимальной продолжительности технологических стадии, а, значит, и к еще большим негативным последствиям по браку и энергозатратам. Поэтому назрела необходимость в разработке системы управления в виде многомерного регулятора температуры в нескольких точках рабочего пространства автоклава, в котором длительность технологических стадий продувки, плавного подъема и спада температуры определяется в режиме реального времени по фактической тегшоемкости сырья, используемого для производства шлакоблоков. Поскольку теплоемкость сырья шлакоблоков напрямую зависит от его химического состава, то появляется возможность построешш системы управления, в которой длительность указанных стадий будет автоматически определяться реальной потребностью в тепловой энергии конкретной партии шлакоблоков, что, в свою очередь, позволит снизить процент брака в готовой продукции и потери энергоресурсов.

Сложность физико-химических процессов в автоклавах не позволяет интерпретировать их в виде достоверной и адекватной математической модели, поэтому управление в таких случаях производится с помощью типовых нечетких регуляторов (ТНР). Системы управления сложными технологическими процессами с применением ТНР нашли должное отражение в работах Л.А. Заде, Е.А. Мамдани, М. Сугено, С. Осовского, В.В. Круглова, A.B. Леоненкова, И.А. Мочалова, Н.П. Деменкова, Б.Г. Ильясова, В.И. Васильева, А.П. Веревки-на, P.A. Мунасыпова, А.Г. Лютова, С.Д. Штовбы, A.A. Ускова и др. Однако большая погрешность регулирования и низкое быстродействие ТНР не позволяют должным образом компенсировать взаимное влияния контуров регулирования, что является одной из причин увеличения энергозатрат и доли брака в

партиях шлакоблоков, подвергнутых тепловлажностной обработке в автоклаве.

В отличие от ТИР, нечеткие регуляторы с интервальной неопределенностью (НРсИН), в том числе и многомерные (МНРеИН), более близки к человеческому мышлению и естественному языку и позволяют построить алгоритм управления, адекватный реальному процессу производства газозолосиликатных шлакоблоков автоклавного твердения. Поскольку потенциальных возможностей по быстродействию и снижению погрешности регулирования у МНРеИН больше, чем у ТНР, то целесообразность их использования в системе управления автоклавами становится очевидной.

Приведенные доводы, а также недостаточная изученность МНРеИН в составе систем управления автоклавами позволяют считать, что разработка систем логического управления автоклавом на основе МНРеИН для производства газозолосиликатных шлакоблоков является актуальной научной задачей, решение которой позволит существенно снизить расход энергоресурсов и процент бракованных шлакоблоков после тепловлажностной обработки.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы №0203027690376 «Разработка автоматизированной системы управления производством шлакоблоков автоклавного твердения из золошлаковых материаллов ТЭЦ» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Кумертауского филиала Оренбургского государственного университета (Кумертауский филиал ОГУ).

Цель работы - снижение затрат энергии и доли брака при тепловлажностной обработке в автоклаве шлакоблоков, изготовленных из золошлаковых материалов тепловой электроцентрали, за счет логического управления процессами в автоклаве, реализованного на основе многомерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью.

Задачи исследования:

1. Построение концептуальной модели автоклава для тепловлажностной обработки шлакоблоков, обеспечивающей снижение энергозатрат и доли брака в составе готовой продукции за счет равномерного повышения, поддержания и снижения температуры во всем рабочем пространстве автоклава (шести точках).

2. Разработка алгоритмов изменения температуры на технологических стадиях продувки и подъема температуры, снижающих энергозатраты и брак, благодаря внутренней адаптации темпа подъема температуры к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

3. Синтез шестимерного нечеткого регулятора температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающего повышение качества готовой продукции и экономию энергии за счет более точной компенсации взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении».

4. Разработка алгоритма снижения температуры в автоклаве, обеспечивающего низкий процент брака шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

5. Построение SCADA-системы управления автоклавом для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией

температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью и оценка её технико-экономической эффективности.

Объект исследования - управление технологическими процессами в автоклаве как многосвязном объекте на основе шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью.

Предмет исследования - синтез логических моделей и алгоритмов с интервальной неопределенностью, обеспечивающих при управлении технологическими процессами производства шлакоблоков в автоклаве снижение энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Методы исследования. Использованы основные положения теории интеллектуальных систем управления на основе многомерных нечетких регуляторов, автоматического регулирования, методы экспериментальных исследований, а также теория и пакеты 8СЛВА-систем.

Научной новизной обладают:

1. Концептуальная модель автоклава как многосвязного объекта, в шторой для снижения энергозатрат и процента бракованных шлакоблоков предложено регулировать температуру в шести точках рабочего пространства автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределешюстью.

2. Алгоритмы управления технологическими стадиями продувки и подъема температуры, повышающие качество шлакоблоков (снижение доли брака в готовой продукции) и снижающие энергозатраты вследствие равномерного прогрева рабочего пространства автоклава в шести точках и адаптации темпа подъёма температуры к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

3. Шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающий снижение процента брака в составе шлакоблоков, подвергнутых тепловлажностной обработке, и экономию энергии за счет более точной компенсации взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении».

4. Алгоритм снижения температуры в автоклаве, обеспечивающий низкий процент брака шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

5. ЗСАЛА-система управления автоклавом для производства шлакоблоков ю золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью.

Практическую значимость имеют:

- концептуальная модель автоклава, позволившая построить автоклав новой конструкции, в которой для равномерного прогрева и поддержания заданной температуры в рабочем пространстве автоклава пар подается по шести трубам;

- алгоритмы управлешы технологическими стадиями продувки и подъема температуры, плавного снижения температуры в автоклаве, а также шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью, по-

звонившие снизить долю бракованных шлакоблоков и потребление тепловой энергии на 7,3% и 13,3% соответственно;

- ЭСАБА-система управления автоклавом для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью, внедренная в технологический процесс производственной фирмы «Спецстройматериалы» с экономическим эффектом 760 тыс. руб. в год из расчета на один автоклав.

Результаты, выносимые на защиту:

1) концептуальная модель автоклава для тепловлажностной обработки шлакоблоков, обеспечивающая снижение энергозатрат и доли бракованных шлакоблоков за счет равномерного повышения, поддержания и снижения температуры во всем рабочем пространстве автоклава (шести точках) при технологических стадиях продувки, подъема и спада температуры и давления, а также в ходе изотермической выдержки при постоянном давлении;

2) алгоритм изменения температуры на технологических стадиях продувки и подъема температуры, снижающих энергозатраты и долю брака благодаря равномерности прогрева рабочего пространства автоклава в шести точках и внутренней адаптации темпа подъема температуры к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков;

3) шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающий снижение доли брака в готовой продукции и экономию энергии за счет более точной компенсации взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении»;

4) алгоритм снижения температуры в автоклаве, обеспечивающий низкий процент бракованных шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу сырья шлакоблоков;

5) ЙСАОА-система управления автоклавом для производетва шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью и оценка её эффективности.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в:

- систему управления автоклавом производственной фирмы «Спецстройматериалы», (г. Кумертау);

- учебную дисциплину «Автоматика и автоматизация производственных процессов» Кумертауского филиала ОГУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: XV Академические чтения РААСН - международная научно-техническая конференция «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, 2010); девятый международный симпозиум «Интеллектуальные системы» (ШТЕЬ8'2010) (Владимир, 2010); всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Научно-

исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (Уфа, 2010); 3-я международная научная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (Липецк, 2011); всероссийская научно-практическая конференция «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами» (Уфа, 2011); региональный научно-технический семинар «Современные проблемы разработки и внедрения АСУ ТП в нефтегазовом комплексе» (Уфа, 2011); вторая всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Проблема модернизации высшего профессионального образования в условиях технического вуза» (Кумертау, 2011); VII международная молодежная научная конференция «Тин-чуринские чтения» (Казань, 2012); С81Т'2012 (Гамбург-Норвегия, 2012); десятый международный симпозиум «Интеллектуальные системы» (ШТЕЬ8'2012) (Вологда, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе: 4 - в журналах, включенных в «Перечень ...» ВАК; глава в коллективной монографии; 1 патент на полезную модель; 1 свидетельство на регистрацию программы.

Структура н объем работы. Диссертация изложена на 195 страницах машинописного текста и включает в себя введение, четыре главы, заключение, 98 рисунков, 21 таблицу, список использованных источников из 145 наименовании и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель работы, объект и предмет исследования, сформулированы научные результаты, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения о внедрении результатов работы.

В первой главе рассмотрены мировой опыт использования ЗШМ ТЭЦ, использующих бурые утли, закономерности процесса производства газосиликатных шлакоблоков, произведен обзор технологических требований и схем по производству шлакоблоков, а также проанализированы существующие системы управления автоклавами для производства шлакоблоков. Сделан вывод об отсутствии эффективных систем управления автоклавами для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ с меняющимся химическим составом. Обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе «Модели и алгоритмы управления автоклавом на основе многомерных нечетких регуляторов с интервальной неопределенностью» предложена иерархически концептуальная модель (рис. 1). Как следует из экспериментальной зависимости (рис. 2) бракованных шлакоблоков (Бр) и затрат энергии (О) от числа точек (и) ввода пара в автоклав дальнейшее увеличение точек доступа пара в автоклав не имеет смысла. На рис. 3 представлена конструкция автоклава, которая благодаря вводу пара и регулированию температуры в шести точках позволяет более равномерно и за меньшее время обеспечить необходимую температуру и давление в автоклаве.

Р

Й ' п

т, *

■УЧХ 1,

Л Ь ь

и ,

% 21 .....

о V Ь У

Рисунок 1 - Концептуальная модель автоклава

¡234? 5 ? Я

Рисунок 2 - Зависимость объема брака (Бр) и затрат тепловой энергии (()) от точек (и) подачи пара в автоклав

Рисунок 3 - Схематическая конструкция автоклава для производства

шлакоблоков

Как следует из рис. 1, модель имеет три уровня иерархии: Р? - расход пара на входном трубопроводе (рис. 3); ^и^ - расход пара на выходе вентилей Р3 и соответственно); ^ 084 - путевые датчики контроля герметичности крышек автоклава; Р5 F^o - расход пара на одноименных вентилях; Т5 -=- Т10 -показания датчиков температуры в шести точках рабочего пространства автоклава; Р - давление пара внутри автоклава; - расход пара на выходе автоклава. Пар, подаваемый через вентили (Т5 Р10), нагревает не только «свою» (сплошные линии), но и смежные (штриховые линии ) зоны рабочего пространства автоклава. Поэтому автоклав предложено характеризовать как многосвязный объект управления с размерностью, равной шести.

Конструкция автоклава, изображенная на рис. 3, представляет собой цилиндрический корпус 1, торцы которого после загрузки автоклава шлакоблоками герметично закрываются крышками 2. Типовая дренажная система циклического действия состоит из труб 3, 4, 5 и вентитя 6.

Пар в автоклав подается через трубу 7 с вентилями Б, и Р2. На регулируемые вентили (Р5 -н Р7) и (Р8 н- р]0) пар поступает через вентили Р3 и Р4 соответственно. Давление в автоклаве контролируется манометрами 8, а температура в шести точках измеряется датчиками (Т5 -=- Т10). Пар из автоклава отводится через трубу 9 с регулируемым вентилем Рп. Для предотвращения избыточного давления в автоклаве на технологической стадии «Продувка» трубы 7 и 9 имеют одинаковое поперечное сечение. А у труб, отходящих от вентилей Р3 и Р4, оно в два раза меньше. По тем же соображениям поперечное сечение труб, подведенных к вентилям (р5 р10), составляет 1/6 поперечного сечения трубы 7.

Такая конструкция обеспечивает минимальную продолжительность подъема и спада давления и температуры в автоклаве вследствие адаптации продолжительности одноименных технологических стадий (в существующих автоклавах они задаются априорно и, как правило, являются завышенными) к постоянно меняющемуся химическому составу сырья и равномерности прогрева шлакоблоков. Тем самым создаются принципиально новые условия для снижения энергозатрат и повышения качества готовой продукции при производстве шлакоблоков из ЗШМ ТЭЦ.

Разработано алгоритмическое обеспечение автоклава с модульной структурой. Его основу составляет укрупненная схема коммутации алгоритмов, управляющих технологическими стадиями автоклава (рис. 4). В зависимости от содержания ячейки памяти Г5С (0, 1 или 2) инициируются программные модули «Продувка и плавный подъем температуры и давления», «Изотермическая выдержка при постоянном давлении» или «Плавный спад температуры и давления» соответственно. В конце каждой технологической стадии производится модификация информации в Пс (|ВС|=1, [Д]=2 и [Бс]=0), а в случае сбоя в работе алгоритма выдается сообщение об аварийной ситуации (Аларм).

Рисунок 4 - Схема переключения алгоритмов управления технологическими

стадиями автоклава

Отличие предложенных алгоритмов состоит в интерпретации технологических параметров совокупностью четких термов (имеют прямоугольную форму функции принадлежности и по своей логической природе являются аргументами двузначной логики). Например, в модуле «Продувка и плавный подъем температуры и давления» температура Г в автоклаве представлена терм-множеством из четких термов (ТУ; Ттз) (рис. 5),

1и(Г)к

Тт, 0 ; Тт. и I 1п

20 0 70 150 1 0 190

Рисунок 5 - Интерпретация температуры в автоклаве совокупностью четких термов на стадии продувки и подъема температуры и давления

а его аналитическая интерпретация имеет следующий вид:

fl, если GS- (20 °С < t < 50 °С):

Т=\ _

' [0, eam(t> 50 °C)-GS;

_ fI, если GS- (50 "С <1 < 70 °С);

" 10, еспи(1> 70 °C)-GS;

(1)

fl, если GS- (150 °С < / < 170 °С);

Г7 {о, есяиЦ >170 °C)-GS;

fl, если GS- (170 "С < ? < 190 °С);

Г* ~ [О, eere(f > 190 °C)-GS,

где GS=GS1GS2GS3GS4.

Экспериментально установлено, что стадия подъема температуры протекает с минимальным браком и минимальными потерями энергии при открытии входного вентиля подачи пара в автоклав на (67,5 -- 77,5)%.

Поскольку в многомерных ТТЯД- и особенно в ТНР регуляторах на практике возникают проблемы с компенсацией взаимного влияния контуров, то для стабилизации температуры при изотермической выдержке при постоянном давлении предложено использовать МНРсИН, высокое быстродействие и низкая погрешность регулирования которых позволяют построить компенсатор с требуемыми характеристиками. В качестве примера на рис. б представлена интерпретация регулируемого параметра Т5 совокупностью из 18 четких термов

Т59-, Tjs-..... 'Гц-, Tsh, Ts2+, •■■> Ts9~, у которых передний фронт описывается

жестким, а задний - мягким неравенствам (например, 1900С<7'.5;+<1910С и т.д.). Причем у термов Т59., T}s_, ..., Тц., Тц+, ..., Т^, Т57+ ширина равна 1°С, а у термов T!S+, Т$я+ - в 2 раза больше. Изображение остальных регулируемых параметров 7& Т7, 7& Т9 и Тю аналогично.

Ц(Т:) f 7".,7\s. ...Г,.,Г,,. Т,7V- Г.,.

1 0,5 0 т„ г

180 181 185 190 145 2С 1

Рисунок 6 - Интерпретация регулируемого параметра Т5 совокупностью

четких термов

На рис. 7 представлено терм-множество регулирующего параметра Fs совокупностью из девяти четких термов Рц PS9 шириной 3% от диапазона изменения F}. Ей соответствует следующее аналитическое выражение для универсального терм-множества:

r.:,+rfi = |;f5i.-(0-i)-3<f!<j-3), (2)

где i - номер четкого терма.

>:{!' < \ Г F, ... /-",< /•;

Рисунок 7 - Интерпретация регулирующего параметра совокупностью

четких термов

Терм-множества регулирующих параметров Р6, Р7, Fg. Р9 и Р'ю за исключением ширины термов аналогичны:

^ = ¿^,.(0- -1)-2<^<;-2); (3) (=1

(4)

г, =У/;„ ((' -1)'4<^<г-4). (5)

1

Знак суммы в выражениях (2) (5) означает совокупность четких термов, а

Ти5=Тр7 и Тр8~Трю-

Информацию для построения компенсатора взаимного влияния контуров регулирования МНРсИН предложено получить из двух экспериментов по снятию характеристики «Вход-выход» в автономном и миогосвязном режимах работы каждого контура. На рис. 8 изображены характеристики «Вход-выход» Т.1 а~/(Р>) и Т}М=/(Р}) для автономного и многосвязного режимов работы регулятора соответственно, относящегося к вентилю р5. Их разность Ти-Ты-Ть, по оси ординат характеризует влияние всех остальных контуров регулирования на рассматриваемый.

Идея компенсации состоит в генерации в операционной среде каждого контура программно реализованного МНРсИН (в данном случае шестимерного и для контура, относящегося к регулируемому параметру Т5), функции являющейся зеркальным отображением функций Т5в относительно оси абсцисс. Затем Т5к интерпретируются терм-множеством

которое используется для построения компенсационной системы продукционных правил. Физический смысл кривых для остальных контуров регулирования МНРсИН аналогичен.

Т„ 'V

Т„/

190 188 156

184

m 180 о

/;. Г.. """'т, ... ?,.. /..,.

Рисунок 8 - Характеристики «Вход-выход» регулятора Г5 в автономном (Tsa), многосвязном (TjM) режимах и функция влияния T5e=T5M--Tsa

Замена регулирующих (F3 + F10), регулируемых (Т5 + Т10) и компенсирующих функций МНРсИН совокупностью четких термов позволяет построить систему продукционных правил для шестиконтурного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью, в котором исключено взаимное влияние контуров регулирования:

'ЕслиТ, = r51+vr!2+v...vrs8tvr59+, то Я3 = Если Т. = Т.. , то F. = F..vT,,. ;

0;

<

Если Г, = Т,5 Если Г, = Г59_, то Я5 = Я59у7"5И 'Если Г, = то Я7 = 0;

Ясли Г7 = Г71_, то К, = Я71уГ7И;

Ясли Г7 = Т^_,то Я7 = Е^УТ^^-, Ясли Т7 = то Е, = Е-„тТ7к9 'Если Г9 = ^ = 0;

Ясли = Г„,

Ясли Г9 = Гм_, то Я9 = Я^уГ, Ясли Г„ = Г„ то Я„ = Я991>7',

Ясли Г6 = Гы<уГи+у...уГ68+уГ№., то Я6 = 0; Ясли Г6 = Т я_, то Я6 = Я61уГ6И ;

Если Гб = Г^, то = Яб8уГбМ; Ясли Гб = Г69., то Я6 = Е^Т6к9 'Если ГЕ = Ти+уТг2+ V.. ^Е9+, то Я8 = 0; Ясли Г8 = то Я8 = Я81уГи ;

Ясли Г9 = 3"я_, то Я9 = Я9еуГ9М; ^Если Т9 =Т99_, то Е9 ==Е99\'Т9к9 'Если Тю = то = 0;

Ясли Г10 = Г]И_, тоЕ0 = Яга1>Г1аИ ;

Вели Г.. = Т.,., то К. = Я,..уГ,.м;

(7)

Если Г10 = Т1т_, то Я10 =

Из системы (7) и рис. 6 следует, что значение регулируемых параметров Г5 - Т10 поддерживается на уровне 190°С с погрешностью ±1°С, а для компенсации взаимного влияния контуров регулирования в консеквенты продукционных правил введены четкие термы 'Г5к1+юк1 ^ Т5к9-,10к9-

Предложен алгоритм снижения давления с дискретностью 0,1 мПа (рис. 9), в котором для повышения качества готовой продукции и снижения энергозатрат темп снижения температуры и давления садапгированы к химическому составу сырья шлакоблоков.

Для корректного функционирования схемы на рис. 9 используются два терм-множества - для давления (8) и температуры (9):

+ (8)

¡=1

10

Т, = X Т„ ■ ((/ -1) •.1.5 + 40) < Т < 0 ■15 + 40). (9)

Рисунок 9 - Логическая схема алгоритма темпа снижения температуры и давления в автоклаве, адаптированного к химическому составу сырья шлакоблоков

Разработан алгоритм функционирования и на его основе - шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью в автоклаве (рис. 10) с компенсацией взаимного влияния контуров, в котором снижение времени отклика достигнуто отработкой продукционного правила, соответствующего четкому терму регулируемого параметра, равного в текущий момент времени логической единице.

Рисунок 10 - Структурная схема шестимерного нечеткого регулятора температуры с интервальной неопределенностью: Ф - фаззификатор; СДП - блок сканирования дискретных входных (А!} и к выходных (7/ -н Ук) переменных; (Т5 н- Т10), (6Г5 ^ и10) и (35 н- Зю) - регулируемые, регулирующие и задающие переменные регулятора соответственно; ОСПП - блок отработки ситуационных подпрограмм

В третьей главе «Инженерная методика проектирования систем управления автоклавами для производства шлакоблоков на основе многомерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью» предложена методика синтеза МНРсИН с компьютеризацией рутинных и трудоемких этапов.

Исходя из требований к качеству шлакоблоков и уровня энергозатрат, в соответствии с технологическим регламентом изготовления шлакоблоков в автоклавах определяется размерность МНРсИН (количество регулируемых и задающих параметров, их номинальные значения и диапазон изменения). Устанавливается число дискретных входных и выходных переменных объекта управления.

Вводится необходимое число четких термов для интерпретации температуры и давления в автоклаве с допустимой погрешностью. Их ширина должна быть на (15 20)% меньше абсолютной погрешности регулирования. Принимается решение о характере переднего и заднего фронтов четких термов температуры и давления в автоклаве. Наклонный фронт описывается неравенствами «>» или «<», а вертикальный - неравенствами «>» или «<». Указывается значение температуры в конце стадий продувки и плавного подъема температуры в автоклаве. Для стадии подъема температуры задается также дискретность повышения температуры. Задаются длительность изотермической выдержки с конкретным значением постоянного давления и величина дискреты уменьшения давления на стадии плавного снижения температуры и давления. По введенным данным строятся концептуальная модель автоклава и терм-множества температуры и давления в его технологических стадиях.

В экранное окно на рис. 11а вводятся экспериментально снятые характеристики «Вход-выход» в автономном и многосвязном режимах работы для всех контуров регулирования МНРсИН. По ним программа определяет функцию влияния на рассматриваемый контур остальных контуров, а также компенсирующую функцию для каждого регулируемого параметра, которая преобразуется в терм-множество.

1 ! . -

| г™, I : /' I

1 ! : х/'' |

\ Т*""1' 1 .. .» 1

а) б)

Рисунок 11 - Экранное окно для интерпретации компенсирующей функции совокупностью четких термов

По заданному алгоритму функционирования автоклава и с использованием терм-множеств для температуры, давления и компенсирующей функции в интерактивном режиме для каждого контура МНРсИН строится система продук-

иионных правил с компенсацией взаимного влияния контуров регулирования (рис. 11,6).

Разработан программный модуль синтеза и минимизации структуры антецедентов продукционных правил МНРсИН на основе последовательностных уравнений и метода Квайна-Мак-Класки. Для его функционирования в окно на рис. 12 необходимо ввести функции включения (Гвга) и отключения (Уотю1) антецедента (Г;) в виде логической суммы логических произведений литералов (X, -Х3). Исследование устойчивости МНРсИН предложено проводить по критерию Найквиста - Михайлова, а параметры автоклава как объекта управления определять методом площадей М.П. Симою.

Рисунок 12 - Основной экранный интерфейс программы синтеза и минимизации логической структуры антецедентов продукционных правил

Процедура разработки системы управления автоклавом завершается выбором модели программируемого контроллера. Производится его конфигурирование и в соответствии со схемой переключения алгоритмов управления технологическими стадиями автоклава выбирается ячейка оперативной памяти для коммутации программных блоков «Продувка и плавный подъем температуры и давления», «Изотермическая выдержка при постоянном давлении» и «Плавный спад температуры и давления». Выбирается один из пяти языков программирования международного стандарта 1ЕС 61131-3, после чего программа генерирует код, реализующий МНРсИРР

В четвертой главе «Автоматизированная система управления автоклавом на основе шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью» приведется общая характеристика ЭСАЭА-системы, состоящей из трех уровней: полевой (исполнительные органы, устройства сопряжения и датчики); контроллерный, на котором программно реализованы алгоритмы управления процессами в автоклаве (в том числе и МНРсИН); компьютерный с набором экранных интерфейсов для иллюстрации нечеткого регулирования с интервальной неопределенностью.

На рис. 13 представлены экранные интерфейсы компьютерного уровня, иллюстрирующие в режиме реального времени работу автоклава в стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении». Мнемосхема для стадии подъема и спада температуры и давления аналогична.

•................:;::;;;;:::::: ::;;::::::

;................

ои

Першчнл* илм1«икм**й£«м>в1т»* ¿трухтуро э1>т:.од.ч«<з »родуениок««!» прноика

г у <х. /V Ь 1 •• ■ - I 1 • -1

кин»-'. < < '< 4 И) <

4 ■'■;• иЩШ* ШЩШ I .......:...... ,1 ; |

б)

Рисунок 13 - Экранные интерфейсы для стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении»: а) с компенсацией (ДТ=±1 °С) взаимного влияния контуров регулирования; б) без компенсации (ДТ=±10°С)

На рис. 13 приведены тренды регулирования температуры МНРсИН в зоне датчика Т5 рабочего пространства автоклава на стадии изотермической выдержки при постоянном давлении с компенсацией (а) взаимного влияния контуров и без таковой (б). Их анализ показывает, что в случае компенсации колебание температуры в автоклаве снижается с ±10°С до ±1°С.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

К основным результатам диссертации относится следующее:

1. Предложена концептуальная модель автоклава для тепловлажностной обработки шлакоблоков, обеспечивающая повышение качества готовой продукции и снижение энергозатрат за счет равномерного повышения, поддержания и снижения температуры во всем рабочем пространстве автоклава (шести точках) при технологических стадиях продувки, подъема и спада температуры и давления, а также в ходе изотермической выдержки при постоянном давлении.

2. Разработан алгоритм изменения температуры на технологических стадиях продувки и подъема температуры, снижающий энергозатраты и долю шлакоблоков с браком после их тепловлажностной обработки, вследствие: повышения равномерности прогрева рабочего пространства автоклава (пар подается по шести трубам); использования внутренней адаптации темпа подъема температуры к химическому составу сырья шлакоблоков.

3. Построен шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающий снижение объема бракованных шлакоблоков и экономию энергии, вызванной более точной компенсацией взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении».

4. Произведен синтез алгоритма плавного снижения температуры в автоклаве, обеспечивающий уменьшение бракованных шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу сырья шлакоблоков.

5. Построена 8САГ)А-система управления автоклавом для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау с плавным подъе-

MOM, снижением и стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью, обеспечивающая снижение энергозатрат и брака в готовой продукции на 13,3 и 7,3 % соответственно. Экономический эффект от ее внедрения в тех по логический процесс фирмы «Спецстройматериалы» составил 760 тыс. руб. в год из расчета на одни автоклав.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В изданиях из «Перечня...» ВАК:

1. Сазонова, Т.В. Компенсация взаимного влшпшя температуры и давления в автоклаве для производства газозолосиликатных шлакоблоков / Т.В. Сазонова, А.И. Каяшев, JI.IO. Полякова, Е.А. Муравьева // Научно-технический вестник Поволжья. - 2011. - № 3. - С. 132-137.

2. Сазонова, Т.В. Управление производством шлакоблоков автоклавного твердения из золошлакоотходов теплоэлектростанций на основе четких логических регуляторов / Т.В. Сазонова // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2011. -№ 4. - С. 160-165.

3. Сазонова, Т.В. Четкий логический регулятор температуры в автоклаве для производства газосиликатных шлакоблоков / Т.В. Сазонова, А.И. Каяшев, Л.Ю. Полякова, Е.А. Муравьева // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. - 2011. - № 2. - С. 114-119.

4. Сазонова, Т.В. Многомерный четкий логический регулятор, с отработкой продукционных правил в ситуационных подпрограммах / Т.В. Сазонова, A.B. Богданов, Е.А. Муравьева // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2012. - № 4. - С. 248-252.

В коллективной монографии:

5. Сазонова, Т.В. Многомерная интеллектуальная система управления автоклавом для производства шлакоблоков автоклавного твердения из золошлакоотходов: коллективная монография «Научные исследования: информация, анализ, прогноз» / Т.В. Сазонова, Л.Ю. Полякова. - Воронеж: ВГПУ, 2010. -С. 568-579.

В прочих изданиях:

6. Сазонова, Т.В. Производство шлакоблоков автоклавного твердения из золошлакоотходов теплоэлектростанций: сборник материалов XV Академических чтений РААСН - международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии»/ Т.В. Сазонова, Л.Ю. Полякова. - Казань: КазГАСУ, 2010. - С. 183-187.

7. Сазонова, Т.В. Интеллектуальная система управления автоклавом для производства шлакоблоков го золошлакоотходов теплоэлектростанций, использующих бурые угли: сборник трудов девятого международного симпозиума «Интеллектуальные системы» (INTELS'2010) / Т.В. Сазонова, Л.Ю. Полякова. -М.: РУСАКИ, 2010. - С. 645-649.

8. Сазонова, Т.В. Синтез системы управления автоклава для производства газозолосиликатных шлакоблоков: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции "Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» / Т.В. Сазонова, Л.Ю. Полякова. - Уфа: УГАТУ, 2010.-С. 31-33.

9. Сазонова, Т.В. Концептуальная модель автоклава для изготовления шлакоблоков из золошлакоотходов: сборник докладов 3-й международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии»/ Т.В. Сазонова. - Липецк: Издательский центр «Гравис», 2011. -С. 99-105.

10. Сазонова, Т.В. Алгоритм управления автоклавом для производства газо-золосиликатных шлакоблоков на основе многомерных логических регуляторов: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Автоматизация и управление технологическими и производственными процессами» / Т.В. Сазонова. - Уфа: УГАТУ, 2011. - С. 186-191.

11. Сазонова, Т.В. SCADA-система на основе многомерного четкого логического регулятора для управления строительным автоклавом: сборник трудов регионального научно-технического семинара «Современные проблемы разработки и внедрения АСУ ТП в нефтегазовом комплексе» / Т.В. Сазонова, Л.Ю. Полякова. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011 - С. 23-28.

12. Сазонова, Т.В. Расход тепловой энергии при тепловлажностной обработке: сборник материалов II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблема модернизации высшего профессионального образования в условиях технического вуза» / Т.В. Сазонова, А.А. Ходаков. - Уфа: АН РБ, Гилем, 2011. - С. 47-53.

13. Сазонова, Т.В. Особенности функционирования автоклава для изготовления газозолосиликатных шлакоблоков из зол Кумертауской ТЭЦ: материалы докладов VII международной молодежной научной конференции «Тинчурин-ские чтения» / Т.В. Сазонова,- Казань: КазГЭУ, 2012. - Т. 2. - С. 20-21.

14. Сазонова, Т.В. Management model for the production of an autoclave with a cinder block adaptation of duration and rate of rise of temperature and pressure to the chemical composition of raw materials (Модель управления автоклавом для производства шлакоблоков с адаптацией продолжительности стадий подъема и снижения температуры и давления к химическому составу сырья): сборник трудов 14-ой международной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» (CSIT'2012): Ufa-Hamburg-Norwegian Fjords / Т.В. Сазонова, А.И. Каяшев, М.И. Шарипов. - Уфа: РИК УГАТУ, 2012. - С. 32-36 (статья на англ. языке).

15. Сазонова, Т.В. Интеллектуальные алгоритмы управления автоклавом с адаптацией продолжительности технологических стадий к химическому составу сырья шлакоблоков: сборник трудов десятого международного симпозиума «Интеллектуальные системы» (INTELS'2012) / Т.В. Сазонова, Е.А. Муравьева. -М.: РУСАКИ, 2012. - С. 645-649.

16. Пат. 118566 Российская Федерация, В 01 J 3/04. Автоклав / Сазонова Т.В., Муравьева Е.А., Яппаров Ф.К.; заявитель и патентообладатель правообладатель -ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

№ 2012107087/05; заявл. 27.02.2012; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21.

17. Св-во гос. per. прогр. для ЭВМ № 2012614723, Российская Федерация. Двумерный четкий логический регулятор температуры и давления в автоклаве для производства шлакоблоков / Т.В. Сазонова, Е.А. Муравьева; правообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет». -№ 2012612668; дата поступления 6.04.2012; дата регистр, в Реестре программ для ЭВМ 28.05.2012г.

Подписано в печать 25.01.2013 г. i

Формат 60x84 / . Бумага писчая. Цена свободная. Усл. неч. листов 1,0. Тираж 100. Заказ 29.

ООО ИНК «Университет» 460007, г. Оренбург, ул. М. Джалиля, 6. E-mail: ipk_universitet(ffimail.ru Тел./факс: (3532) 90-00-26

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Сазонова Татьяна Васильевна

УПРАВЛЕНИЕ АВТОКЛАВОМ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОГО НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА С ИНТЕРВАЛЬНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ

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

СМ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

ю £ со 8

ио

О о

04 5

^ Научный руководитель:

О кандидат технических наук,

доцент Е.А.Муравьева

Оренбург-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ......................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 8

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ШЛАКОБЛОКОВ ИЗ ЗОЛОШЛАКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ НА БУРЫХ УГЛЯХ.................................................................................. 18

1.1 Мировой опыт использования золошлаковых материалов тепловых электроцентралей, использующих бурые угли.......... 18

1.2 Закономерности процесса производства шлакоблоков.......... 25

1.3 Технологические требования по тепловлажностной обработке шлакоблоков в автоклаве.................................... 32

1.4 Обзор технологических схем производства шлакоблоков...... 39

1.5 Анализ существующих систем управления автоклавами для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов тепловых электроцентралей, работающих на бурых углях.......... 46

1.6 Цели и задачи исследования............................................ 51

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ........................................... 56

2 МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОКЛАВОМ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНЫХ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ С ИНТЕРВАЛЬНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ................................ 58

2.1 Концептуальная модель автоклава для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов теплоэлектроцентралей, использующих бурые угли.................. 58

2.2 Алгоритмы стадий «Продувка» и «Подъем температуры и давления» с автоматической адаптацией их длительности к химическому составу сырья, используемого для производства шлакоблоков................................................................... 68

2.3 Алгоритм изотермической выдержки при постоянных температуре и давлении...................................................... 74

2.4 Алгоритм с адаптацией темпа снижения температуры и давления в автоклаве к химическому составу сырья шлакоблоков 86

2.5 Шестимерный нечеткий регулятор температуры в автоклаве с отработкой продукционных правил в ситуационных

подпрограммах................................................................. 91

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ............................................ 100

ГЛАВА 3 ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ АВТОКЛАВАМИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ШЛАКОБЛОКОВ НА ОСНОВЕ МНОГОМЕРНОГО НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА С ИНТЕРВАЛЬНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ......... 102

3.1 Методика разработки многомерных нечетких регуляторов с интервальной неопределенностью для производства шлакоблоков

в автоклавах..................................................................... 102

3.2 Синтез и минимизация структуры антецедентов продукционных правил МНРсИН на основе последовательностных уравнений и метода Квайна-Мак-Класки... 106

3.3 Элементы автоматизированного проектирования многомерных нечетких регуляторов с интервальной неопределенностью............................................................ 112

3.4 Исследование устойчивости шестимерного нечеткого регулятора температуры с интервальной неопределенностью в

системе управления автоклавом............................................ 120

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.......................................... 133

ГЛАВА 4 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОКЛАВОМ НА ОСНОВЕ ШЕСТИМЕРНОГО НЕЧЕТКОГО

РЕГУЛЯТОРА С ИНТЕРВАЛЬНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ........ 134

4.1 Общая характеристика автоматизированной системы управления промышленным автоклавом................................. 134

4.2 Реализация автоматизированной системы управления промышленным автоклавом в среде SCADA-системы Trace Mode 6............................................................................ 138

4.3 Основные технические средства системы автоматизации промышленного автоклава................................................... 148

4.4 Технико-экономическая эффективность системы управления автоклавом на основе многомерного нечеткого регулятора с

интервальной неопределенностью......................................... 160

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ...................................... 163

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ........................................... 166

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................... 167

ПРИЛОЖЕНИЕ А ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПРИЛОЖЕНИЕ В ПРИЛОЖЕНИЕ Г

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АСУПА - автоматизированная система управления промышленным автоклавом АСУТП - автоматизированная система управления технологическими процессами

АТР - Азиатско-Тихоокеанский регион

АФХ - амплитудо-фазовая характеристика

БТЕ - британская тепловая единица

В/Т - водотвердое отношение

ВАК — высшая аттестационная комиссия

ГЗСШ - газозолосиликатный шлакоблок

ГОСТ - государственный стандарт

ГЭ - графический экран

ДИ - доверительный интервал

ДТС - датчик температуры (термосопротивления)

ДПД - датчик путевой с потенциальным выходом

ДНФ - дизъюнктивная нормальная форма

ДФ - дефаззификатор

ЗАО - закрытое акционерное общество

ЗШМ - золошлаковые материалы

ИМ - исполнительный механизм

КФ ОГУ - Кумертауский филиал Оренбургского государственного университета

МВА - модуль аналогового ввода

МДВВ - модуль дискретного ввода/вывода

МВУ - модуль вывода управляющий

MP - модуль расширения выходных элементов

НРсИН - нечеткие регуляторы с интервальной неопределенностью

МНРсИН — многомерный нечеткий регулятор с интервальной

неопределенностью

НПФ - научно-производственная фирма

НР - нечеткий регулятор

ОАО - открытое акционерное общество

ОГУ - Оренбургский государственный университет

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ООО — общество с ограниченной ответственностью

ОПЭК - организация стран - экспортеров нефти

ОСЭР - организация экономического сотрудничества и развития

ОУ - объект управления

ОСПП - блок отработки ситуационных подпрограмм

ПИД-регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

ПК - персональный компьютер

ПЛК - программируемый логический контроллер

ПрК - программируемый контроллер

РААСН - Российская академия архитектуры и строительных наук РФ - Российская Федерация СДНФ - совершенная ДНФ

СДП - блок сканирования дискретных входных и выходных переменных

СН - санитарные нормы

СНиП - санитарные нормы и правила

СПП - ситуационные подпрограммы

СУ - система управления

США - соединенные штаты Америки

СЭВ - Совет экономической взаимопомощи

ТНР - типовые нечеткие регуляторы

ТПТ - термопреобразователь

ТСМ - термопреобразователь сопротивления медный ТСП - термопреобразователь сопротивления платиновые ТСН - термопреобразователь сопротивления никелевой ТО - тепловлажностная обработка ТУ - технические условия

ТЭН - термоэлектрический нагреватель. ТЭЦ - теплоэлектроцентраль УСО - устройство сопряжения с объектом ШИМ - широтно-импульсная модуляция ЭИ - экранный интерфейс

EIA - Energy Information Administration (Журнал)

FBD - functional block diagram (функциональные блочные диаграммы)

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) -

цифровой промышленный протокол передачи данных

HMI (human-machine interface) -человеко-машинный интерфейс

IL (Instruction List) - список инструкций

SCADA - supervisory control and data acquisition (система диспетчерского

управления и сбора данных)

ST (Structured Text) - структурированный текст

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертационной работы. Использование золошлаковых материалов (ЗШМ) теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), получаемых в результате сгорания бурого угля, в качестве сырья для изготовления шлакоблоков из-за оптимального соотношения «цена-качество» и улучшения экологической обстановки промышленных регионов является достаточно перспективным направлением в производстве строительных материалов. В данном процессе используется автоклавная тепловлажностная обработка, на долю которой приходятся до 80% [5, 14, 109] энергозатрат и основная часть производственного цикла, требующего строгого соблюдения длительности следующих технологических стадий: продувка, плавный подъём, снижение температуры и давления, изотермическая выдержка при постоянном давлении. Несоблюдение указанных требований и неравномерность прогрева рабочего пространства автоклава приводят к повышению энергозатрат и доли брака в готовой продукции.

Между тем, конструкция и системы управления существующих автоклавов [20] не располагают действенными средствами выполнения указанных требований (пар в автоклав подается по одной трубе; длительность упомянутых стадий обычно завышена и задается априорно, по среднестатистическим данным, и без учета непрерывно меняющегося химического состава сырья шлакоблоков).

Перечисленные недостатки усугубляются при изготовлении шлакоблоков из ЗШМ ТЭЦ г. Кумертау, в которых состав окислов железа колеблется в особенно широких пределах (3 -г- 27)%) [63, 65, 140, 141], что приводит к стохастическому изменению оптимальной продолжительности технологических стадий, а, значит, и к еще большим энергозатратам и браку. Поэтому назрела необходимость в разработке системы управления в виде многомерного регулятора температуры в нескольких точках рабочего пространства автоклава, в котором длительность технологических стадий продувки, плавного подъема и спада температуры определяется в режиме

реального времени по фактической теплоемкости сырья, используемого для производства шлакоблоков. Поскольку теплоемкость упомянутого сырья напрямую зависит от его химического состава [2, 3, 5, 14-17], то появляется возможность построения системы управления, в которой длительность указанных стадий будет автоматически определяться реальной потребностью в тепловой энергии конкретной партии шлакоблоков, что, в свою очередь, позволит снизить процент брака в готовой продукции и потери энергоресурсов.

Сложность физико-химических процессов в автоклавах не позволяет интерпретировать их в виде достоверной и адекватной математической модели, поэтому для их управления целесообразно использовать типовые нечеткие регуляторы (ТНР). Системы управления сложными технологическими процессами с применением ТНР нашли должное отражение в работах JI.A. Заде, Е.А. Мамдани, М. Сугено, К. Асаи, С. Осовского, В.В. Круглова,

A.B. Леоненкова, И.А. Мочалова, Н.П. Деменкова, Б.Г. Ильясова,

B.И. Васильева, А.П. Веревкина, P.A. Мунасыпова, М.Б. Гузаирова,

C.Д. Штовбы, A.A. Ускова и др. [11, 12, 19,33,38,43, 51,58,71, 103, 104, 116]. Однако большая погрешность регулирования и низкое быстродействие ТНР не позволяют должным образом компенсировать взаимное влияния контуров регулирования, что является одной из причин увеличения энергозатрат и доли брака в партиях шлакоблоков, подвергнутых тепловлажностной обработке в автоклаве.

В отличие от ТНР нечеткие регуляторы с интервальной неопределенностью (НРсИН) [1, 19, 128, 129], в том числе и многомерные (МНРсИН), ближе к человеческому мышлению и естественному языку и позволяют построить алгоритм управления, адекватный реальному технологическому процессу производства газозолосиликатных шлакоблоков автоклавного твердения. Поскольку потенциальных возможностей по быстродействию и снижению погрешность регулирования у МНРсИН больше, чем у ТНР, то целесообразность их использования в качестве регуляторов в системе управления автоклавами становится очевидной.

Приведенные доводы, а также недостаточная изученность МНРсИН в составе систем управления автоклавами позволяют считать, что разработка систем логического управления автоклавом на основе МНРсИН для производства газозолосиликатных шлакоблоков является актуальной научной задачей, решение которой позволит существенно снизить расход энергоресурсов и процент бракованных шлакоблоков после тепловлажностной обработки.

Настоящая работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы №0203027690376 «Разработка автоматизированной системы управления производством шлакоблоков автоклавного твердения из золошлаковых материаллов ТЭЦ» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Кумертауского филиала Оренбургского государственного университета (Кумертауский филиал ОГУ).

Целыо диссертационной работы является снижение затрат энергии и доли брака при тепловлажностной обработке в автоклаве шлакоблоков, изготовленных из золошлаковых материалов тепловой электроцентрали, за счет логического управления процессами в автоклаве, реализованного на основе многомерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью.

Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Построение концептуальной модели автоклава для тепловлажностной обработки шлакоблоков, обеспечивающей снижение энергозатрат и доли брака в составе готовой продукции за счет равномерного повышения, поддержания и снижения температуры во всем рабочем пространстве автоклава (шести точках).

2. Разработка алгоритмов изменения температуры на технологически х стадиях продувки и подъема температуры, снижающих энергозатраты и брак, благодаря внутренней адаптации темпа подъема температуры к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

3. Синтез шестимерного нечеткого регулятора температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающего повышение качества

готовой продукции и экономию энергии за счет более точной компенсации взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении».

4. Разработка алгоритма снижения температуры в автоклаве, обеспечивающего низкий процент брака шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков.

5. Построение 8САБА-системы управления автоклавом для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью и оценка её технико-экономической эффективности.

Объект исследования - управление технологическими процессами в автоклаве как многосвязном объекте на основе шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью.

Предмет исследования - синтез логических моделей и алгоритмов с интервальной неопределенностью, обеспечивающих при управлении технологическими процессами производства шлакоблоков в автоклаве снижение энергозатрат и повышение качества готовой продукции.

Методы исследования. Использованы основные положения теории интеллектуальных систем управления на основе многомерных нечетких регуляторов, автоматического регулирования, методы экспериментальных исследований, а также теория и пакеты 8САЭА-систем.

Основные научные результаты, полученные автором и выносимые на защиту:

1) концептуальная модель автоклава для тепловлажностной обработки шлакоблоков, обеспечивающая снижение энергозатрат и доли бракованных шлакоблоков за счет равномерного повышения, поддержания и снижения температуры во всем рабочем пространстве автоклава (шести точках) при

технологических стадиях продувки, подъема и спада температуры и давления, а также в ходе изотермической выдержки при постоянном давлении;

2) алгоритм изменения температуры на технологических стадиях продувки и подъема температуры, снижающих энергозатраты и долю брака благодаря равномерности прогрева рабочего пространства автоклава в шести точках и внутренней адаптации темпа подъема температуры к химическому составу (теплоемкости) сырья шлакоблоков;

3) шестимерный нечеткий регулятор температуры с интервальной неопределенностью, обеспечивающий снижение доли брака в готовой продукции и экономию энергии за счет более точной компенсации взаимного влияния контуров регулирования для технологической стадии «Изотермическая выдержка при постоянном давлении»;

4) алгоритм снижения температуры в автоклаве, обеспечивающий низкий процент бракованных шлакоблоков и минимальные потери энергии путем внутренней адаптации темпа снижения температуры в автоклаве к химическому составу сырья шлакоблоков;

5) 8САОА-система управления автоклавом для производства шлакоблоков из золошлаковых материалов ТЭЦ г. Кумертау со стабилизацией температуры во всем рабочем пространстве автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с интервальной неопределенностью и оценка её эффективности.

Научная новизна результатов.

1. Концептуальная модель автоклава как многосвязного объекта, в которой для снижения энергозатрат и процента бракованных шлакоблоков предложено регулировать температуру в шести точках рабочего пространства автоклава с помощью шестимерного нечеткого регулятора с инте