Автоматизация процесса стекловарения в производстве листового стекла флоат-способом

Листовое стекло представляет важнейший вид продукции, вырабатываемой стекольной промышленностью. Наибольшую часть листового стекла используют в строительстве, крупными потребителями являются автомобилестроение, вагоностроение, железнодорожный транспорт. Прогрессивной технологией производства стекла является флоат-способ. Сегодня в мире более 75% листового стекла вырабатывается флоат-способом, а в США эта доля составляет 95% [30]. Технологический процесс производства листового стекла флоат-способом характеризуется многостадийно-стью, непрерывностью во времени и многотоннажностью выпускаемой продукции. В технологической цепочке важное место занимает стадия процесса варки стекломассы, поступающей на формование ленты полированного стекла на расплаве олова (флоат-способ). Стадия стекловарения является наиболее ответственной в технологической линии, т.к. от количества и объема сваренной стекломассы зависят качество и объем вырабатываемого стекла, экономические и технологические показатели стекольного завода в целом. Стекловарения является одной из наиболее механизированных и автоматизированных стадий в процессе производства стекла. На сегодня достигнуты значительные успехи в контроле и автоматическом регулировании режима работы стекловаренной печи (СВП), в создании и применении АСУТП стекловарения. Основу автоматизированных систем составляют микропроцессорные средства контроля и управления, ПЭВМ.

Достигнутый уровень автоматизации процесса стекловарения объясняется рядом причин. Во-первых, большим объемом варки стекла, достигающим от 500 до 800 тонн в сутки. Кратковременные нарушения регламентов технологического процесса приводят к значительным экономическим потерям. Второй причиной, способствующей широкому внедрению автоматизации, является высокая стоимость ванной печи. Стабилизация режимов ванной печи способствует уменьшению износа огнеупоров, увеличению срока службы оборудования и уменьшению расходов на операции текущего и холодного ремонтов. В-третьих, как объект управления стекловаренная печь характеризуется сложностью протекающих в ней физико-химических процессов, наличием интенсивных возмущений, многомерностью и отсутствием автоматического контроля ряда параметров, множеством показателей качества исходного сырья, термической и химической однородностью стекломассы. Аналитический контроль исходного сырья и готовой продукции осуществляется на основе пробоотбора с дальнейшим анализом проб в заводской лаборатории. Отбор проб и их анализ, а также измерения свойств стекла производят периодически с дискретностью в несколько часов, а по ряду показателей — нескольких суток. Это приводит к задержке поступления информации о качестве сырья и сваренной стекломассы в систему управления, что требует решения задач прогнозирования в реальном масштабе времени.

Во Владимирском государственном университете в течение ряда лет проводятся научные исследовательские работы по автоматизации технологического процесса производства листового стекла флоат-способом для Борского стекольного завода. В этих работах принимала участие автор диссертации, проводя научные исследования по автоматизации процесса стекловарения в ванных регенеративных печах.

Целью диссертационной работы является решение научно-технической задачи автоматизации процесса стекловарения в производства листового стекла флоат-способом с использованием математических моделей, направленной на повышение эффективности работы ванных стекловаренных печей (СВП). Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих вопросов:

1.Созданы математические модели «режим — качество стекла», позволяющие решать задачу управления технологическим процессом стекловарения, прогнозировать изменение свойств и содержание пороков в вырабатываемом стекле, принимать решения по упреждающей коррекции режима работы СВП.

2.Сформулирована задача управления технологическим процессом стекловарения. Разработаны алгоритмы управления тепловым режимом работы СВП.

3.Реализован вычислительный эксперимент по настройке и испытанию алгоритмов управления СВП, оценена их эффективности по сравнению с ручным управлением.

4.Разработано математическое и программное обеспечение для АСУТП стекловарения и автоматизированного рабочего места технолога стекольного производства, позволяющее реализовать статистический анализ и статистическое регулирование процессом стекловарения.

Использование разработанных математических моделей и алгоритмов управления позволило уменьшить удельный расход тепла на стекловарение на 3,7% и улучшить качество вырабатываемого стекла за счет стабилизации однородности вырабатываемого стекла. Дисперсия изменения свильности стекла уменьшилась в 1,78 раза, оптических свойств — в 1,45 раза. Среднее содержание воздушных пузырей уменьшилось на 21% .

Основные обозначения и сокращения, используемые в работе.

0см — температура стекломассы;

0гс — температура газовой среды;

0ок — температура окружающей средыв — расход воздуха;

С>г — расход газавш — загрузка шихтывб — загрузка боя;

Р — давление в печи;

Рок — давление окружающей среды;

А — коэффициент избытка воздуха по горелкамв — производительность печи по варке стекломассы (выработка стекла) — g — удельный расход тепла на стекловарениеОд — химическая однородность стекла- 0 т — термическая однородность стеклаСв — свильность стеклаПл — плотность стеклаЬграница варки (шихты и пены) — Ь — уровень стекломассы в ванной печиЦш — положение шибера дымовой трубы;

А, шб — весовое соотношение стеклобоя и шихты, загружаемых в печьир — управление регенеративным режимом работы печиП — содержание пузырей в стеклеСрегоз — окись железа в стеклеН — нерастворимые остатки в шихтеВл — влажность шихтыСщ — щелочность шихтыт — время запаздывания по входным переменнымI — текущее время;

Тс — временной интервал стандартизации переменных;

Т — временной интервал управления;

СВП — стекловаренная печь;

СТП — стандарт предприятия;

КИС — контрольно-испытательная станция;

ЦЗЛ — центральная заводская лаборатория;

ПК — программный комплексс.к.о. — среднеквадратичное отклонение.

Выводы по главе 4.

1. Показана эффективность использования имитационного моделирования и вычислительного эксперимента для выбора алгоритмов управления СВП. Проведены предпроектные исследования и разработано ТЗ АСУТП процесса производства полированного стекла для ОАО «Борский стекольный завод» .

2. Разработаны алгоритмы управления тепловым режимом работы СВП по однородности вырабатываемого стекла и удельному расходу тепла на стекловарение с учетом пороков в вырабатываемом листовом стекле. Предложена реализация автоматизированной системы управления в виде двухшкальной системы управления. В быстрой части системы по алгоритмам вычисляются управляющие воздействия. Расчетные значения передаются в медленную часть системы, работающей в реальном времени, в виде коррекции уставок средств локальной автоматики.

3. Создана подсистема поддержки принятия решений по коррекции режима работы ванной стекловаренной печи с использованием разработанных в диссертации моделей и алгоритмов управления. Система реализована на базе ПК «Технолог стекольного производства» и находится в промышленной эксплуатации в ОАО «Борский стеклозавод» .

4. Подтверждена переносимость разработанных в диссертации моделей и алгоритмов управления на другие стекловаренные печи с целью их автоматизации. Показана эффективность использования алгоритмов управления по сравнению с ручным ведением процесса стекловарения на второй линии ЛПС-2 в ОАО «Борский стеклозавод» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основе анализа современного состояния систем управления ванными стекловаренными печами показана актуальность проведения теоретических исследований и разработок, направленных на совершенствование действующих автоматизированных систем управления СВП на основе использования математических моделей.

2. Построены линейные регрессионные модели, описывающие зависимость «режим — качество стекла», вырабатываемого флоат-способом. Требуемая точность моделей обеспечена аппроксимацией динамических характеристик каналов по входным переменным характеристиками звена с чистым запаздыванием, а также за счет уточнения коэффициентов моделей в процессе их эксплуатации. Показана переносимость разработанных математических моделей на аналогичные стекловаренные печи в производстве листового стекла флоат-способом, что подтверждено использованием моделей в составе ПК «Технолог стекольного производства» на второй линии ЛПС-2 в ОАО «Борский стеклозавод» .

3. Предложена декомпозиция задачи управления СВП по иерархическим уровням с учетом периодичности их решения. На верхнем уровне решается задача минимизации технологических затрат на варку стекломассы за счет коррекции теплового режима работы печи, на нижнем уровне — задача стабилизации режимных переменных. Сформулирована задача управления СВП как многокритериальная задача управления в пространстве режимных переменных ванной стекловаренной печи. Обосновано применение метода компенсационного управления СВП с использованием разработанных в диссертации математических моделей.

4. Исследована эффективность управления печью по однородности и плотности вырабатываемого стекла. Показана практическая эквивалентность решаемых задач по расходу тепла на технологические цели и качеству вырабатываемого стекла, что согласуется с практикой технологов, использующих однородность стекла и плотность в качестве косвенного показателя стабильности процесса варки стекла.

5.Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы управления СВП для коррекции теплового режима работы ванной стекловаренной печи при производстве листового стекла флоат-способом. Математическое и программное обеспечение внедрено в техническое задание АСУТП производства полированного стекла.

— 112и эксплуатируется в составе ПК «Технолог стекольного производства» на двух технологических линиях полированного стекла в ОАО «Борский стекольный завод» .