Методы и модели управления элементами технологического процесса производства стекла

Технологический процесс производства стекла является высокомеханизированным многоэтапным процессом, включающим образование шихты, транспортировку и засыпку шихты в печь, стекловарение, формообразование, отжиг, отбраковку, упаковку, складирование готовой продукции.

Из всех этапов технологического процесса наиболее значимым и определяющим качество продукции является процесс стекловарения, направляемый решением двух основных эксплуатационных задач: а) задачей управления тепловым режимом печи, б) задачей управления оксидным составом навариваемого стекла.

Наиболее изученной является задача управления тепловым режимом работы стекловаренной печи, по ней имеется большое число работ [1, 2, 3, 4, 5]. Разработаны системы управления тепловым режимом печи, что позволяет удерживать температуру в заданных пределах. Вторая задача менее изучена и не обеспечена средствами управления, ей и посвящается данная диссертационная работа.

Актуальность работы:

Особенностями российского сырьевого рынка, как известно, являются невысокая стоимость сырья при нестабильности его химических характеристик. В условиях конкуренции и постоянного роста требований к качеству готовой продукции для того, чтобы иметь возможность продолжать эффективно работать на некачественном, но дешевом сырье, необходимо существенно увеличить интеллектуальную составляющую управления. Имеются в виду методы и средства информатизации, позволяющие более тонко и своевременно реагировать на широкий фронт внешних возмущений, таких как упоминавшаяся нестабильность химического состава сырья, ошибки в расчете рецептуры, ошибки в проведении анализов сырья и готового стекла и т. д.

Потребность в новых методах и средствах управления технологией становится особенно острой в случае привлечения на завод западной техники и технологий, предъявляющих, как правило, более жесткие требования к качеству исходного сырья и отдельным технологическим режимам.

Задача разработки новых методов и моделей для систем управления в промышленности вообще и в стекольной, в частности, является важной научно-производственной проблемой.

Цель диссертации: разработка моделей и методов, позволяющих стабилизировать оксидный состав навариваемого стекла.

Объект исследования: система управления процессом стекловарения. Разработана система управления, позволяющая стабилизировать состав стекломассы в печи. Включающая:

— алгоритмическую модель осреднения оксидного состава стекла в стекловаренной печи ванного типа;

— процедуру расчета состава шихты по заданному составу стекла с учетом стеклобоя.

Предметом исследования являются: технология шихтоподготовки, стекловаренная печь ванного типа, методы расчета состава шихты по заданному составу стекла.

Методы исследования: методологические и теоретические проблемы решены на основе методов системного анализа с применением методов математического моделирования, использования методов линейного программирования и теории автоматического регулирования.

На защиту выносятся:

— структура системы управления, являющаяся формализацией способа управления (стабилизации) оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа;

— алгоритмические сетевые модели процессов осреднения оксидного состава стекломассы в стекловаренной печи ванного типа;

— разработанный алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от использовавшихся ранее возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты;

— разработанная на основе вышеперечисленных пунктов программная реализация системы управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа «ЭКСКУРС».

Научная новизна:

— формализован и программно реализован способ управления оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа отличающийся от существующих возможностью учета неточностей состава сырья загружаемого в печь;

— разработаны алгоритмические сетевые модели процессов осреднения оксидного состава в стекловаренной печи ванного типа, позволяющие: определять оксидный состав подаваемого в печь сырья, прогнозировать состояние стекловаренной печи, производить расчет корректирующего воздействия на оксидный состав стекломассы в печи;

— разработан новый алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от использовавшихся ранее возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты;

— решена задача идентификации функциональной модели стекловаренной печи ванного типа;

— разработана программная система «Экскурс» реализующая способ стабилизации оксидного состава стекла путем коррекции рецептуры шихты на основе спрогнозированного состояния печи.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена экспериментальной проверкой адекватности разработанной математической модели и методов расчета, в ходе натурного эксперимента на действующей стекловаренной печи в период с 5 марта по 2 апреля 2001 г. Практическая значимость: разработанный программный продукт позволяет управлять химическим составом стекла в ванной стекловаренной печи, что улучшает качество навариваемой стекломассы, а, следовательно, уменьшает количество брака и дает значительный экономический эффект. Система управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа сдана в опытную эксплуатацию на Покровском Стекольном Заводе (далее ПСЗ), а программа расчета состава шихты внедрена на ПСЗ с 2000 года. Апробация работы: основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на.

— Двенадцатой международной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ -12», (Новгород, 1999 г.);

— Седьмой международной конференции «Региональная информатика — 2000», (Санкт-Петербург, 2000 г.).

Публикации: по теме диссертационной работы опубликовано семь печатных трудов.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, библиографии, включающей 64 наименования, приложения, и актов внедрения. Основное содержание работы составляет 140 страницы текста, в том числе 23 таблицы и 33 рисунка.

Выводы.

Реализована автоматизированная система управления оксидным составом стекломассы в печи ванного типа «ЭКСКУРС», которая является программной реализацией предлагаемой в главе 1 системы управления оксидным составом стекла. Описана структура системы, даны сведения о программной реализации, а также приведен пример управления оксидным составом стекломассы в печи.

Заключение

.

В результате данной диссертационной работы была разработана структура системы управления (стабилизации) оксидным составом стекломассы на выходе стекловаренной печи ванного типа реализующей новый способ управления процессом стекловарения, целью которого является стабилизация химического состава навариваемой стекломассы. Для реализации предложенной системы управления возникла необходимость разработки модели стекловаренной печи ванного типа (модель усреднения оксидного состава стекломассы в печи), а также новой методики расчета рецепта стекольной шихты.

Разработана многокамерная, двухслойная, объемная имитационная модель осреднения оксидного состава в стекловаренной печи ванного типа. Для верификации и определения параметров печи был проведен натурный эксперимент на реальной стекловаренной печи. С помощью имитационной модели решена задача прогнозирования состояния стекловаренной печи и расчета корректирующего воздействия на печь. Произведена идентификация функциональной модели стекловаренной печи в виде разностного уравнения 2-го порядка. Полученные результаты по идентификации модели печи могут быть использованы для замены имитационной алгоритмической модели стекловаренной печи в системе «ЭКСКУРС» полученным рекуррентным выражением, что повысит скорость расчета по модели и позволит исключить из состава системы пакет «Matlab» и описания в терминах ТАР всей системы управления оксидным составом стекломассы в печи, что является перспективной задачей на будущее.

Разработан алгоритм расчета состава стекольной шихты по заданному составу стекла отличающийся от традиционных методов расчета возможностью учета стеклобоя и малых добавок относительно чистых сырьевых материалов в шихту с оптимизацией по стоимости получаемой шихты. Внедрение данной методики на стеклозаводах позволит технологам управлять процессом изготовления шихты, используя смесь кондиционного (дорогого) и местного сырья наиболее выгодным образом, а также легко рассчитывать составы шихт для нестандартных составов стекол.

Система управления доведена до программной реализации в виде системы управления оксидным составом стекла в стекловаренной печи ванного типа «ЭКСКУРС». Для хранения данных необходимых для расчета состава шихты, модельного сопровождения стекловаренных печей, управления процессом стекловарения и набором статистического материала о производстве стекла используемых в системе «Экскурс» разработана соответствующая структура БД, использованная в программной реализации.

В результате проведенного исследования и полученных результатов созданы условия для решения 2-й из заявленных во введении задач (задача управления оксидным составом стекломассы в печи). Следующим шагом будет создание обобщенной, многосвязной системы управления технологическим процессом производства стекла, включающей в себя управление оксидным составом стекломассы в печи, тепловым режимом печи, процессом отжига готовой продукции, линией шихтоподготовки и склада.

Есть основания полагать, что результаты данной работы могут найти применение не родственных предприятиях стекольной промышленности России.