Автоматизация процесса стекловарения в производстве листового стекла флоат-способом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Хорошева, Елена Руслановна

• Хорошева, Елена Руслановна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хорошева, Елена Руслановна

ВВЕДЕНИЕ

Основные обозначения и сокращения, используемые в работе.

Глава 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СТЕКЛОВАРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ЛИСТОВОГО СТЕКЛА

1.1. Производство листового стекла флоат-способом. Место стекловарения в производственном процессе.

1.2. Описание процесса стекловарения в ванных регенеративных печах непрерывного действия как объекта управления. Структурная схема процесса.^.

1.3. Анализ действующих систем управления и контроля ванными стекловаренными печами.

1.4. Анализ использования математических моделей при автоматизации СВП.

1.5. Формулирование задачи управления процессом стекловарения.

Выводы по главе.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТЕКЛОВАРЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ МОДЕЛЕЙ "РЕЖИМ - КАЧЕСТВО СТЕКЛА"

2.1. Выделение определяющих переменных процесса стекловарения для синтеза математических моделей.

2.2. Обоснование и выбор метода синтеза математических моделей СВП.

2.3. Исследование и разработка модели однородности вырабатываемого стекла.

2.4. Исследование и разработка модели удельного расхода тепла на стекловарение.

2.5. Модели пороков стекла, вызываемых нарушениями технологического процесса стекловарения.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

ВАРКИ СТЕКЛА.

3.1. Обоснование и выбор метода решения задачи управления технологическим процессом стекловарения.

3.2. Формализация задачи управления ванной печью в производстве стекла флоат-способом.

3.3. Обоснование и выбор метода решения задачи управления ванной печью.

3.4.Исследование эффективности алгоритмов управления стекловаренной печью.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ВАННЫХ

СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ

4.1. Применение имитационного моделирования на предпроектных стадиях исследований АСУТП стекловарения.

4.2. Использование математических моделей и алгоритмов управления в АСУТП ванных регенеративных печей при производстве листового стекла.

4.3. Подсистема поддержки принятия решений технолога по коррекции режима СВП.

4.4.Подтверждение переносимости разработанных математических моделей и алгоритмов управления на другие стекловаренные печи в производстве полированного стекла.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 среды; в - расход воздуха;

С>г - расход газа; вш - загрузка шихты; вб - загрузка боя;

Р - давление в печи;

Рок - давление окружающей среды;

А - коэффициент избытка воздуха по горелкам; в - производительность печи по варке стекломассы (выработка стекла); g - удельный расход тепла на стекловарение; Од - химическая однородность стекла; 0т - термическая однородность стекла; Св - свильность стекла; Пл - плотность стекла; Ь -граница варки (шихты и пены); Ь - уровень стекломассы в ванной печи; Цш - положение шибера дымовой трубы;

А,шб - весовое соотношение стеклобоя и шихты, загружаемых в печь; ир - управление регенеративным режимом работы печи; П - содержание пузырей в стекле; Срегоз - окись железа в стекле; Н - нерастворимые остатки в шихте; Вл - влажность шихты; Сщ - щелочность шихты; т - время запаздывания по входным переменным; I - 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 комплекс; с.к.о. - среднеквадратичное отклонение.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Хорошева, Елена Руслановна

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".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хорошева, Елена Руслановна, 1999 год

1. Автоматизация производственных процессов в промышленности строительных материалов. Под. ред. B.C. Кочетова. -Л.: Стройиздат, 1986.392 с.

2. Автоматизированная система управления технологическим процессом производства полированного стекла Борского стекольного завода им. М. Горького. -Техническое задание. Владимир, 1992. -127 с.

3. Автоматизация управления раскроем, резкой и контроль качества листового стекла // Обзорная информация. -М.: ВНИИЭСМ, 1974. 46 с.

4. Андрюхина Т.Д., и др. Изменение плотности листового стекла в процессе производства // Стекло и керамика. -1986. -N2. -С. 13 14.

5. Бородюк В.П. Статистические методы математического описания сложных объектов. -Учебное пособие. -М.: МЭИ, 1981.- 91 с.

6. Бутт Ю.М., Дудеров Г.Н., Матвеев М.А. Общая технология силикатов. -М.: Стройиздат, 1976. -599 с.

7. Васильев С.К., Орлов Д.Л., Чесноков А.Г. Контроль содержания оксидов железа в бесцветном листовом стекле // Стекло и керамика. -1989. -N ,-С. 9- 10.

8. Вентцель Е.С. Теория вероятностей,- М: Наука, 1969. -576 с.

9. ГОСТ 111 90. Стекло листовое. Технические условия. -М.: Изд. стандартов, 1991. -24с.

10. Ивахненко А.Г. Индуктивный метод самоорганизации моделей Сложных систем. -Киев: Наукова думка, 1982. -296 с.

11. Исследование, разработка и внедрение оптимальных алгоритмов управления процессом стекловарения. -Научно-технический отчет по теме N689/81. (гос. per. N81065715 ). Владимир : ВПИ, 1981.

12. Исследование и разработка математических моделей и алгоритмов управления ванной печи Борского стеклозавода им. М. Горького. -Научно-технический отчет по теме N962/89 ( гос. per. N01890088219 ). Владимир: ВПИ, 1990.

13. Исследование и разработка программного комплекса "Технолог стекольного производства". -Научно-технический отчет по теме N1027/91 (гос. per. N01910009302). Владимир: ВПИ, 1991.

14. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Марков Е.П. Системный анализ процессов химической технологии. Применение метода нечетких множеств. -М.: Наука, 1986. -359 с.

15. Карманов В.Г. Математическое программирование. -М.: Наука. Главная редакция физ. мат. литературы, 1980. -256 с.

16. Клыков Ю.И. Семиотические основы ситуационного управления. -М.: Наука, 1974. -231 с.

17. Козлов В.И., Макаров Р.И. Куклин В.П. Устройство для контроля и учета времени вытягивания ленты стекла. A.C. N959118. Бюллетень изобретений N34. 1982.

18. Копелев В.Е., Фридкин Р.З. Влияние степени химического и термического усреднения стекломассы на выход годного листового стекла // Стекло и керамика. 1977. -N5.

19. Кучеров О.Ф., Маневич В.Е., Клименко В.В. Автоматизированные системы управления производством стекла. -Л- д: Стройиздат, 1980, -178 с.

20. Лисовская Г.П., Сенатова В.А. Математическая модель процесса плавления шихты в стекловаренной печи // Стекло и керамика. -1990. -N6. -С. 12-13.

21. Макаров Р.И., Дубов И.Р., Лукашин С.А. Использование математической модели прогнозирования плотности стекла для управления ванной печью // Стекло и керамика. -1992. -N1. С. 11 -12.

22. Макаров Р.И., Федорова Н.И., Черников С.В. Оценка эффективности алгоритмов управления на имитационных моделях. 2-я Всесоюзная конференция по перспективам и опыту внедрения статистических методов в АСУТП. Тез. докл. М., 1984, - С. 70.

23. Макаров Р.И., Романов В.Ф., Федорова Л.В. Реализация подсистемы "Советчик стекловара" в АСУТП стекловарения // Стекло и керамика.-1978.-N3. С. 6 - 8.

24. Макаров Р.И., Федорова Н.И. Применение статистических методов для идентификации ванных стекловаренных печей. Всесоюзная конференция. Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУТП. - Тез. докл. М., 1981. - С. 202 - 203.

25. Макаров Р.И. Внедрение в стекольное производство новых информационных технологий на базе персональных ЭВМ // Стекло и керамика. 1993.-N8. - С. 23 - 24.

26. Макаров Р.И., Козлов В.И., Романов В.Ф., Жбанов Б.В., Гордеев

27. B.А. Автоматизированная система управления технологическими процессами. Рязань, 1976. С. 18 - 22.

28. Макаров Р.И. Программный комплекс "Технолог стекольного производства" // Стекло и керамика. -1993. -N11 12. - С. 29 - 31.

29. Макаров Р.И. Математические и машинные методы моделирования в стекольном производстве. Обзор // Стекло и керамика. 1987. - N12.1. C. 12- 13.

30. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р.-Применение математического моделирования при исследованиях и проектировании автоматизированных систем в стекольном производстве // Стекло и керамика. 1995. -N11, - С. 3 -5.

31. Макаров Р.И. К выбору структуры регрессионных моделей в задачах управления . Всесоюзная научно - техническая конференция. Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов. -Тез. докл. Новосибирск, 1991. - С. 33 - 34.

32. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р. Программный комплекс "Технолог стекольного производства"// Информационный листок. N15 - 98. ВЦНТИ.

33. Макаров Р.И. Автоматизация технологического процесса производства листового стекла на основе математических моделей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. -Владимир, 1998.- 32 с.

34. Макаров Р.И., Хорошева Е.Р. Управление производством листового стекла 12 Международная научная конференция. Математические методы в технике и технологиях. - сб.трудов, т.5, Великий Новгород, 1999, С.177.

35. Мамиконов А.Г. Основы построения АСУ. -М.: Высш. шк., 1981.243 с.

36. Маневич В.Е. Моделирование процессов производства стекла при комплексном решении задач по совершенствованию технологии и систем управления // Сб. науч. тр. Автоматизация технологических процессов в производстве стекла, 1985. С. 21 - 25.

37. Марков Е.П. Формализация и переработка качественной информации в задачах моделирования и оптимизации химико-технологическихпроцессов (на примере стекловаренной печи). Дисс. к.т.н., 05.13.06, М.:МХТИ, 1981.- 173 с.

38. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. -М.: Наука, 1965. -340 с.

39. Орлова Е.М., Кисляк З.Н., Цибульская С.Г. Тенденции развития производства строительного стекла // Стекло и керамика. -1987. -N1. С. 29 -31.

40. Панкова H.A. Влияние производительности печи на содержание свилей в термически полированном стекле // Стекло и керамика. -1994. -N3 -4.-С. 10-12.

41. Панкова H.A., Терман В.Б. Гидравлический режим стекловаренной печи и его технологическая роль // Стекло и керамика. -1993. -N5. С. 8 -11.

42. Панкова H.A., Левитин Л.Я. Характер распределения вновь сваренной стекломассы в ленте стекла // Стекло и керамика. -1992. -N11 -12. -С. 12-14.

43. Панкова H.A. и др. Влияние температуры стекломассы на ее конвекцию в зоне варки // Стекло и керамика. -1980. -N7. С. 6-1.

44. Пчеляков К. А. Основные конструктивные, эксплуатационные и технико экономические характеристики стекловаренных печей // Учебное пособие. - Владимир: ВПИ, 1981. -93 с.

45. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Построение моделей процессов производства. -М.: Энергия, 1975. -375 с.

46. Реконструкция систем управления стекловаренными печами // Экспресс информация. - Серия 21. Вып. 14. Стекольная и керамическая промышленность. Зарубежный опыт. -М.: ВНИИЭСМ, 1987.

47. Роберте С. Динамическое программирование в процессах химической технологии и методы управления, М: Мир, 1965 480 с.

48. Системы управления в стекольной промышленности // Экспресс -информация. -Серия 21. Вып. 20. Стекольная и керамическая промышленность. Зарубежный опыт. -М.: ВНИИЭСМ, 1984.

49. Современная флоат линия // Экспресс информация. -Серия 21. Вып. 7. Стекольная и керамическая промышленность. Зарубежный опыт. -М.: ВНИИЭСМ, 1985.

50. Солинов Ф.Г. Производство листового стекла. -М.: Стройиздат,1976.-288 с.

51. Состояние и перспективы автоматизации контроля качества стекла и стеклоизделий // В помощь лектору и специалисту. Киев: Общество "Знание" Украинской ССР, 1986.

52. Справочник по производству стекла. Том 1/ Под ред. И.И Китайгородского, С.И. Силивестровича. -М.: Изд. лит. по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1963. 1026 с.

53. Стандарт предприятия. Варка стекломассы и отжиг полированного стекла // СТН 073-09-024-84.- Бор, 1985. 18 с.

54. Хорошева Е.Р. Выбор критерия управления регенеративными печами в производстве листового стекла. Международная научно-техническая конференция. Конверсия. Приборостроение. Рынок. -Тез.докл., Владимир. 1997. - С. 136.

55. Стекольная и керамическая промышленность. Зарубежный опыт // Экспресс информация. - Серия 21. Вып.9. -М.: ВНИИЭСМ, 1984.

56. Развитие автоматизированного интегрированного производства // Аналитическая справка. -М.: Информприбор, 1989. 17 с.

57. Франчук В.И. Второй Европейский конгресс по управлению. Хроника // Приборы и системы управления. 1991. -N6. - С. 40 - 41.

58. Шелюбский В.И. Контроль однородности и постоянства состава стекла. -М.: Стройиздат, 1990. -198 с.

59. Hilton М., Computer control of a float glass line // Class. -1986. -Vol. 63.-N5.-P. 157- 160.

60. Mc. Connell R. R., Goodson R. E. Mathematical modeling of a glass tank, refiner and forehearth. Proceeding of the JFAC Simposium, Lafayette, Indiana, USA. 1973. P. 106 -115.

61. Riederer A. Zur Berechnung und Verifikation dreidimensionaler beschwindig Keits und temperaturfelder in elektrisch beheizten Glassmelzwannen. Jn: XI International Congress on Glass. Prague. July 4 - 8,1977, P.10.