Повышение эффективности АСУТП формирования бумажного полотна с использованием методов экстремального и нечеткого управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Ревунов Максим Сергеевич

• Ревунов Максим Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Ревунов Максим Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

1.1 Бумагоделательная машина как объект управления и ее организационная структура

1.2 Определение основных показателей качества бумаги

1.3 Регулирование и повышение качества бумажной массы на стадии подготовки

1.4 Формирование бумажного полотна на сеточной части БДМ

1.5 Системы контроля качества

1.6 Системы управления профилем бумажного полотна

1.7 Выводы

2. НЕЧЕТКАЯ ЭКСТРЕМАЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕСА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

2.1 Координирующий нечеткий регулятор веса бумажного полотна

2.2 Моделирование АСУТП с координирующим нечетким регулятором

2.3 Анализ устойчивости АСУТП с нечетким регулятором

2.4 Выводы

3. КРОССКОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ СКОРОСТИ НАПУСКА БУМАЖНОЙ МАССЫ НА СЕТКУ БДМ И АЛГОРИТМ ЕГО РАБОТЫ

3.1 Разработка алгоритма работы кросскорреляционного оптического вычислителя скорости

3.2 Формирование расчетных областей оптимального размера

3.3 Расчет кросскорреляционной функции и определение координат ее максимума

3.4 Эквализация расчетной области кадра

2

3.5 Апробация модифицированного кросскорреляционного алгоритма

3.6 Моделирование видеоизображения поверхности бумажной массы на сеточной части БДМ

3.7 Синтез изображения поверхности потока бумажной массы

3.8 Выводы

4. ИНЖИНИРИНГ НЕЧЕТКОЙ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕСА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

4.1 Технические средства АСУТП бумажного производства

4.2 Программные средства АСУТП бумажного производства

4.3 Виртуальная система "Основы управления напорным устройством"

4.4 Вспомогательное программное обеспечение

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Исходные данные при разработке АСУТП

Приложение Б. Программные коды

Приложение В. Документы, подтверждающие реализацию результатов работы

ВВЕДЕНИЕ

Высокая конкуренция в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) вынуждает фабрики и заводы постоянно повышать качество конечной продукции и снижать расходы на ее производство. Несмотря на тенденции постоянного роста и развития отечественной ЦБП, ее состояние характеризуется высокими, по сравнению с мировым уровнем, материально-энергетическими затратами. Одним из основных направлений снижения этих затрат является совершенствование АСУТП ЦБП с использованием современных информационных технологий.

Сложность и взаимосвязанность технологических процессов бумажного производства, наличие в объекте управления транспортного запаздывания, нестационарность режимов работы оборудования и стохастичность внешних возмущений не позволяют действующим АСУТП, основанным на традиционных подходах к построению систем управления, обеспечивать желаемые показатели качества бумажного полотна, отвечающие мировому стандарту.

В настоящее время совершенствование АСУТП целлюлозно-бумажной промышленности осуществляется в рамках интеллектуальных технологий путем использования нейронных сетей, нечеткого управления, эвристических алгоритмов, интегрируемых в системах АРС-управления.

Большой вклад в развитие таких систем внесли отечественные (Д.А. Поспелов, А.Н. Аверкин, И.З. Батыршин, А.А. Усков, Ю.Н. Хижняков, В.И. Васильев, А.Г. Александров и др.) и зарубежные (Л. Заде, Э. Мамдани, Р. Ягер, М. Сугэно, Т. Такаги, Т. Танаки, А. Пегат, С. Хэйкин, Д. Перл, Д. Ульман и др.) ученые.

Вопросам бумажного производства посвящены работы Фляте Д.М., Кларка Д.А., Иванова С.Н., Кейси Д.П., Бахтина А.В. и др.

Широкое внедрение подобного управления сдерживается высокими требованиями к культуре производства и квалификации обслуживающего персонала, что не всегда имеет место в отечественной ЦБП.

4

Таким образом, дальнейшее повышение эффективности АСУТП формирования бумажного полотна можно осуществить путем сочетания методов традиционного и интеллектуального управления, в том числе и с применением координирующего нечеткого регулирования.

Целью работы является повышение быстродействия АСУТП формирования бумажного полотна с использованием кросскорреляционного оптического вычислителя скорости и координирующего нечеткого управления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выявить основные факторы, влияющие на эффективность АСУТП формирования бумажного полотна, и определить пути совершенствования ее функциональных подсистем;

- провести экспериментальные исследования особенностей функционирования объекта управления и на основе этих данных разработать имитационные модели исполнительного механизма, пневматической и гидравлической составляющих напорного устройства;

- синтезировать координирующий нечеткий регулятор веса 1 кв. м. бумажного полотна;

- разработать кросскорреляционный оптический вычислитель скорости напуска бумажной массы на сетку бумагоделательной машины (БДМ) и алгоритм его работы;

- разработать модель видеоизображения поверхности бумажной массы на сеточном столе БДМ;

- создать нечеткую экстремальную систему регулирования веса бумажного полотна;

- провести апробацию результатов работы.

Объектом исследования являются функциональные подсистемы АСУТП бумажного производства.

Предмет исследования: методы математического и имитационного моделирования техпроцесса и алгоритмы управления функциональными подсистемами АСУТП бумажного производства.

Методы исследования. В работе использованы методы современной ТАУ и автоматизации техпроцессов, теории нечеткого управления, методы цифровой обработки изображений и кросскорреляционные алгоритмы, компьютерное имитационное моделирование.

Экспериментальные исследования проводились на бумажном производстве фабрики ОАО «МАЯК», г. Пенза.

Научная новизна:

1) созданы имитационные модели напорного устройства, проведена их редукция и валидация, что дает возможность научно обосновать подход к выбору алгоритмов управления;

2) доказано, что синтезированный координирующий нечеткий регулятор веса 1 кв. м. бумажного полотна позволяет повысить быстродействие системы и реализовать развязку каналов управления;

3) разработан кросскорреляционный оптический вычислитель скорости напуска бумажной массы на сетку БДМ и алгоритм его работы, установлено, что за счет введения внутреннего контура регулирования соотношения скоростей потока и сетки существенно повышается быстродействие системы управления;

4) разработана модель видеоизображения поверхности бумажной массы на сеточном столе БДМ, обеспечивающая настройку кросскорреляционного оптического вычислителя скорости;

5) создана нечеткая экстремальная система регулирования веса 1 кв. м. бумаги, которая позволила повысить быстродействие и точность АСУТП формирования бумажного полотна.

Практическая ценность исследования заключается в разработке современных алгоритмов управления техпроцессами бумажного производства, которые позволили:

- повысить быстродействие системы регулирования и, за счет этого, сократить время выхода на рабочий режим при опытной выработки бумаги и время перехода БДМ с одного рецепта на другой;

- повысить качество конечной продукции (бумаги или картона), снизив дисперсию веса 1 кв. м. полотна;

- минимизировать расходы на производство бумажного полона за счет снижения процента брака конечной продукции.

На защиту выносятся:

1) имитационные модели, редукция и валидация которых позволяет научно обосновать подход к выбору быстродействующих алгоритмов управления;

2) координирующий нечеткий регулятор веса 1 кв. м. бумажного полотна, позволяющий повысить быстродействие системы и реализовать развязку каналов управления;

3) кросскорреляционный оптический вычислитель скорости напуска бумажной массы на сетку БДМ и алгоритм его работы, существенно повышающий быстродействие системы управления за счет введения внутреннего контура регулирования соотношения скоростей потока и сетки;

4) модель видеоизображения поверхности бумажной массы на сеточном столе БДМ, обеспечивающая настройку кросскорреляционного оптического вычислителя скорости;

5) нечеткая экстремальная система регулирования веса 1 кв. м. бумаги, которая позволила повысить быстродействие и точность АСУТП формирования бумажного полотна.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена путем математического и имитационного моделирования, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также опытной эксплуатацией разработанных алгоритмов и систем управления.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы используются на предприятиях ОАО «МАЯК» (г.

Пенза) и ООО «ТЕХНОЦЕЛЛ» (г. Пенза) при разработке и эксплуатации АСУТП бумажного производства, что позволило повысить их быстродействие и, соответственно, снизить расходы на производство бумаги и картона, а также повысить качество конечной продукции.

Имитационные модели, алгоритмы управления и программные комплексы для их реализации внедрены в учебный процесс на кафедрах «Автоматика и телемеханика» и «Информационно-измерительная техника и метрология» Пензенского государственного университета при подготовке бакалавров и магистров по направлениям 27.03.04, 27.04.04,

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 конференциях различного уровня: международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации" (г. Алушта, 2012, 2014, 2015); международная научно-техническая конференция " Проблемы автоматизации и управления в технических системах" (г. Пенза, 2013, 2015, 2017); международная научно-техническая конференция "Перспективные информационные технологии в научных исследованиях, проектировании и обучении" (г. Самара, 2013, 2014); между-народная научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодых ученых "Датчики и системы: методы, средства и техно-логии получения и обработки измерительной информации" (г. Пенза, 2012); региональный молодежный форум "Открытые инновации - вклад молодежи в развитии региона" (г. Пенза, 2013); всероссийская научно-практическая конференция "Современные подходы к управлению на транспорте и в логистике" (г. Москва, 2016); международная научно-техническая конференция с элементами научной школы и конкурсом научно-исследовательских работ для студентов, аспирантов и молодых ученых " Шляндинские чтения - 2019" (г. Пенза, 2019); региональная конференция "Современные проблемы математики и ее прикладные аспекты - 2013" (г. Пермь, 2013); международная научно-

техническая конференция "Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2019" (г. Севастополь, 2019).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и 1 статья в издании, индексируемом в международной базе Scopus, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, основной части (четыре главы), заключения, списка литературы (135 наименований) и приложений. Объем работы - 160 страниц машинописного текста, включая 110 рисунков и 13 таблиц.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

1.1 Бумагоделательная машина как объект управления и ее организационная структура

Череда осложнений в экономической, политической, социальной и эпидемиологической сферах жизни мирового сообщества (2018-2020 гг.) в очередной раз подняла вопрос о необходимости импортозамещения внутри нашей страны. По результатам анализа [1-14] доля потребления импорта в некоторых отраслях промышленности (в том числе и стратегических отраслях) оценивается на уровне 72-79% (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Доля импорта в станкостроении, электронике и легкой промышленности России к концу 2018 г.

Не является исключением и целлюлозно-бумажная промышленность (ЦБП), которая, кстати, динамично развивается (ежегодный прогнозируемый прирост мирового производства - 2,4%). Высокая конкуренция в отрасли вынуждает компании, фабрики, заводы постоянно повышать эффективность производства и качество продукции, рационализируя использование основных ресурсов (топливо, электроэнергия, целлюлоза, вода, химия и т.д.) с помощью

современных систем управления. К сожалению, состояние отечественной ЦБП не позволяет полноценно конкурировать с иностранными производителями и требует модернизации [3, 15, 16, 17].

Однако, несмотря на все проблемы, ЦБП является одной из ключевых, ведущих отраслей в России [3, 17] и непосредственно влияет на всю экономику страны (рисунок 1.2).

120000

юоооо

80000

60000

о

США Китай Япония Ю.Корея Россия

Рисунок 1.2 - Потребление бумаги и картона в мире и прогноз роста потребления до 2021 года, тыс. тонн

Бумагоделательная машина (БДМ) состоит из множества отдельных, взаимосвязанных функциональных подсистем, выполняющих определенные задачи. Структурная схема БДМ представлена на рисунке

Все БДМ (независимо от своего типа) имеют схожие технологические процессы массоподготовки и производства бумаги (картона). Они включают в себя: подготовку (а именно - помол, разбавление до необходимой концентрации, дозирование химии и вспомогательных веществ, очистка массы от включений и т.д.) и подачу бумажной массы на БДМ; формирование

(отлив) бумажного полотна; прессование бумажного полотна и удаление "свободной" воды; сушку; каландрирование и намотку бумаги.

1 - Напорный ящик: 2 - Сеточный стол: 3 — Гауч-вал: 4 - Прямой пресс:

5 - Обратный пресс: 6 - Сушильная часть: 7 - Холодильный цилиНдр:

8 - Машинный каландр; 9 - Сканер: 10 - Накат. Рисунок 1.3 - Бумагоделательная машина

Технологическая схема выработки бумаги на плоскосеточной БДМ приведена на рисунке

Рисунок 1.4 - Технологическая схема выработки бумаги

Для обеспечения бесперебойной работы БДМ готовая бумажная масса

(размолотая, окрашенная и/или проклеенная при необходимости) подается с

размольно-подготовительного участка фабрики в специальный бассейн.

Далее, с помощью насоса бумажная масса с концентрацией 2,5-3,5%

12

перекачивается из машинного бассейна в регулирующее устройство для смешения с оборотной водой (на этом этапе масса разбавляется до концентраций в 0,1-1,3% в зависимости от требуемого веса конечной продукции, г/м2).

Очистка разбавленной бумажной массы от посторонних включений и крупных волокон осуществляется с помощью специальных аппаратов [18-23].

Затем, бумажная масса по трубопроводам через граммовый вентиль (массную задвижку) направляется в напорный ящик, откуда она под воздействием давления непрерывно вытекает на сеточную часть БДМ. Напуск массы происходит с определенным давлением и скоростью, что очень важно для правильного формирования полотна. Стоит отметить, что средняя скорость движения сетки на современных БДМ находится в диапазоне от 300 до 1000 м/мин.

На сеточной части БДМ помимо процесса "отлива" (формирования полотна бумаги из разбавленной волокнистой суспензии) происходит и первичное удаление избыточной воды. Изначально вода удаляется за счет отсасывающих регистровых валиков и отсасывающих ящиков, а затем - под большим давлением в гауч-прессе. В прессовой части машины полотно подвергается дальнейшему обезвоживанию и уплотнению (показатель сухости бумаги от 30 до 40%). Затем бумага поступает в сушку.

Сушильная часть БДМ - это совокупность парных цилиндров, подогреваемых до высоких температур паром. Соприкасаясь с поверхностью сушильных групп, бумага проходит "окончательное обезвоживание" и достигает требуемых показателей влажности.

Пройдя сушильную часть БДМ, полотно охлаждается с помощью холодильного цилиндра и поступает на каландр (для приобретения необходимой степени уплотнения и гладкости). После этого бумага или картон наматывается в виде бесконечной ленты на накате [24].

Дальнейшая работа с бумагой (ее разрезание на рулоны различного формата) производится на продольно-резательном станке (ПРС).

"Свободная вода" с сеточной и прессовых частей БДМ повторно используется на производстве в качестве оборотной воды для разбавления массы на всех стадиях.

1.2 Определение основных показателей качества бумаги

Перечислим основные показатели качества для большинства типов бумаги/картона (в соответствии с ГОСТ 6749-2005, ГОСТ 2635-77, ГОСТ 6656-76, ГОСТ Р 52901-2007, ГОСТ 6861-73, ГОСТ 9094-89, ГОСТ 18510-87, ГОСТ 20283-89):

- поверхностная плотность, вес бумаги (г/м2);

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности АСУТП формирования бумажного полотна с использованием методов экстремального и нечеткого управления»

- зольность бумаги (%);

- гладкость полотна (%);

- влажность бумаги/картона (%);

- белизна и непрозрачность (%);

- сопротивление излому (кгс/м2) и разрывная длина (м).

Стоит отметить - чтобы обеспечить необходимые значения для ряда показателей качества (например, веса или разрывной длинны) необходимо вводить раздельное управление техпроцессом как в продольном, так и в поперечном направлениях.

К вспомогательным показателям качества бумаги (для продукции специального назначения) относят: впитывающую способность, воздухо-и/или жиропроницаемость, скручиваемость, светопроницаемость [25-32].

Несмотря на достаточно условное разделение показателей качества продукции по группам - для массовых типов бумаги вес, влажность и толщина относятся к основным по ряду причин. Вес 1 кв.м. бумаги и ее влажность являются нормируемыми показателями для подавляющего большинства видов продукции. Колебание веса заметно влияет почти на все потребительские, оптические и физико-механические свойства бумаги/картона [26, 27, 31]. В тоже время, толщина бумажного листа влияет на качество (равномерность)

печати. Так же, все три этих показателя по-разному меняются в поперечном и продольном направлениях.

Помимо колебания массы 1 кв.м. полотна на показатели толщины бумаги влияет режим работы сетки, прессов или сушки БДМ и множество других взаимосвязанных факторов. Все это приводит к необходимости вводить в систему регулирования сложные алгоритмы управления и нечеткие регуляторы.

1.3 Регулирование и повышение качества бумажной массы на стадии подготовки

Одним из важнейших этапов подготовки является массный размол. При размоле волокнистая суспензия потоком (непрерывно) поступает к ножам диспергационных мельниц (рисунок 1.5). Проходя между ножами, зазор между которыми регулируется, волокна подвергаются режущему воздействию кромок ножей и расщепляются или укорачиваются. Таким образом, при размоле в воде волокна претерпевают существенные изменения своей структуры и/или химических свойств [33, 34].

с

выход

1_Е_! !_А_\

Рисунок 1.5 - Диспергационная мельница фирмы Рарсе1

Факторами, определяющими процесс размола материалов, являются удельное давление и продолжительность размола, концентрация массы, кислотность материалов, влияние добавок, вид размалывающей гарнитуры.

Эти выводы сделаны на основе данных, полученных в результате проведения ряда экспериментов на действующем оборудовании Пензенской бумажной фабрики ОАО"Маяк" (таблица 1.1). В ходе экспериментов в бракомол и на диспергационные мельницы подавалась различная по составу, концентрации, наличию добавок бумажная масса, и снимались показатели качества размола материалов в специализированной лаборатории, при условии неизменности технологического процесса на машине.

Таблица 1.1 - Влияние различных факторов на качество размола

Упаковочный картон (140-200 г/м3) с эталонной степенью помола 24-40 °1НР

Удельное давление, кгс/см2 (при времени размола 60 мин, концентрации массы 5%, кислотности материалов 7 рН и стальной гарнитуре) Время размола материалов, мин (при удельном давлении 5 кг с/см2; концентрации массы 5%, кислотности материалов 7 рН и статьной гарнитуре) Концентрация массы, % (при удельном давлении 5 кг с/см2, времени размола 60 мин, кислотности материалов 7 рН и статьной гарнитуре) Кислотность материалов, рН (прн удельном давлении 5 кгс.'см2, времени размола 60 мин, концентрации массы 5% и статьной гарнитуре) Р азматыь ающая гарнитура, вид (при удельном давлении 5 кгс/см2, времени размола 60 мин, кислотности ыатериатов 7 рН и концентрации массы 5%)

3.2 15 20 16-13 2 31 2-3 18 стальная 30

кгс/см2 °ШР мин СШР % СШР РН °ШР ШР

4.3 27 35 20-22 3 34 3-4 18 базальтовая 55

кг с/см2 °ШР мин °ШР % °ШР рН °ШР ШР

6.1 42 50 25-23 4 36 4-5 29 комбини- 47

кг с/см2 °ШР мин СШР % СШР рН °ШР рованная ШР

8 76 65 34-38 5 39 5-5.5 35

кг с/см2 °ШР мин °1ПР % °ШР рН °ШР

9.6 65 80 50 б 48 8.5-11 67

кг с/см2 °ШР мин °ШР % °ШР рН °ШР

К вспомогательному (дополнительному) оборудованию размольно-подготовительного отдела (РПО) относят: различного рода бассейны (приемные или промежуточные емкости); смесительные, дозирующие и другие насосы; регуляторы концентрации и/или композиций бумажной массы.

Постоянная концентрация бумажной массы - это обязательное и необходимое условие для правильной, "штатной" работы БДМ и выработки качественной, однородной по весу и толщине бумаги (со всеми необходимыми свойствами) [33, 35-39].

Для поддержания требуемой концентрации бумажной массы на производстве применяются регуляторы концентрации, имеющие различные конструкции и, соответственно, свои особенности и недостатки. Все регуляторы концентрации устанавливаются на РПО и работают при перекачке массы в специальные бассейны [33]. Работают они по принципу разбавления (в диапазоне концентрации 1,3 - 3,2%).

На рисунке 1.6 показана типовая схема регулятора системы Тримбей. Регулятор используется на РПО при перекачке массы насосом в машинный бассейн. Сам регулятор устанавливается над массным бассейном. Принцип работы системы заключается в следующем: часть потока поступает на регулятор, который, в свою очередь, воздействует на водяную задвижку, добавляя в патрубок насоса воду для разбавления массы [33, 37].

1 — массный насос; 2 — массопровод; 3 —регулятор; 4 — задвижка; 5 — водяной трубопровод; 6—метальный бассейн.

Рисунок 1.6 - Схема установки регулятора концентрации системы Тримбей

17

Кроме регуляторов концентрации "Тримбей" большое распространение получили системы: Валмет, Фойт-Пальма, Селль (они измеряют гидродинамический напор массы при ее истечении через диафрагму, узкую щель, наклонный лоток соответственно); Челле, Де-Цурик, Арка-Рагнар и др. Действие последних трех заключается в определении уровня сопротивления бумажной массы вращению в ней тел. Для системы Де-Цурик - это трехлопастная мешалка, для системы Челле - диск или конус, для системы Арка-Рагнар - шар [33, 40, 41]. Рассмотрим данные системы подробнее.

Регулятор концентрации "Валмет" представлен на рисунке 1.7. В нем не имеется вращающихся частей, а состоит он из сосуда с переливом, измерительного сосуда, диафрагмы, чувствительного датчика, исполнительного механизма и водяной задвижки.

1 — сосуд с постоянным переливом; 2 — диафрагма; 3 — измерительный сосуд; 4 — гидростатическая трубка датчика; 5 — изогнутая трубка; 6 — исполнительный

механизм; 7 — водяная задвижка.

Рисунок 1.7 - Регулятор концентрации массы Валмет

Бумажная масса насосом закачивается в сосуд с переливом (масса

поступает снизу) и через отверстие диафрагмы перетекает в измерительный

18

сосуд. При изменениях концентрации - меняется высота напора в сосуде с изогнутой трубкой, которая, кстати, используется для отвода массы в бассейн. Далее, от гидростатической трубки датчика воздух поступает к исполнительному механизму (пневматическому), регулирующему подачу воды для разбавления массы. Регулирование происходит в диапазоне 1,5 -3,5% с точностью ±0,1%.

Регулятор концентрации "Де-Цурик" (рисунок 1.8) широко известен в Северной Америке. Данный регулятор часто устанавливается прямо на массной трубе или в переливном бачке сразу за машинным бассейном. Через него проходит абсолютно вся бумажная масса. Регулятор представляет из себя специальный бачек, в центре которого вращается трехлопастная мешалка. Вал мешалки соединен с электродвигателем через зубчатую передачу. Так же в состав системы входят регулирующих клапан, водяная и массная задвижки.

/ .. Л о

6 т №

■ю И.....г шш и. 1И

14 -----—Г--- Г 4 12 Шаг

а — план, 6 — разрез: 1 — поступление массы; 2 — перелив; 3 — вода для разбавления 4 — крыльчатка мешалка; 5 —мотор; 6 — дифференциал; 7— регулирующий клапан, 8 — поршневой цилиндр; 9 — водяная задвижка; 10 —массная задвижка; 11 — рычаг для регулирования концентрации; 12 — выход массы.

Рисунок 1.8 - Регулятор концентрации массы Де-Цурик

Изменение концентрации массы приводит к изменению крутящего момента или потребляемой мощности электродвигателя, что в свою очередь ведет к перемещению дифференциальной шестерни и, соответственно, рычага, изменяющего положение поршня в гидравлическом цилиндре. Положение поршня влияет на водяную задвижку, которая используется для разбавления массы с помощью подачи дополнительной воды. При этом вода поступает в среднюю область ящика, чтобы в обратный перелив шла неразбавленная бумажная масса [33].

Данный регулятор концентрации отличается своей надежностью и быстродействием при работе. Работает регулятор концентрации в пределах 2 - 5% с точность ±0,1 - 0,02%.

Следующим распространенным типом регуляторов концентрации массы является регулятор "Челле" Работа регулятора "Челле" основана на изменении скоростей вращения тела, которое погружено в бумажную массу, при "колебании" ее концентрации из-за изменения вязкости [40].

Что касается регуляторов композиций, то здесь стоит выделить: смесители "Тримбей-Тиббитс", регуляторы "Фойта", а также магнитные расходомеры. Все эти устройства осуществляют дозирование жидких материалов по объему, однако, для их успешной работы необходима постоянная концентрации этих веществ.

Рассмотрим некоторые регуляторы композиций более детально. Смеситель "Тримбей-Тиббитс", например, можно представить в виде ящик с большим количеством отделений различных размеров (количество отделений зависит от числа дозируемых компонентов). Каждое отделение может быть использовано для наполнения целлюлозой, клеем, смолой, специальными наполнителями, краской и т.д. Все отделения ящика разделяются перегородками от общей смесительной части. Во всех перегородках имеется вырез для вращающихся мерных четырехлопастных вертушек, которые обеспечивают подачу компонентов в общую часть ящика. Компоненты в отделения ящика подаются насосами, обеспечивая постоянный объем

вещества. После подачи отдельных компонентов в общую часть ящика происходит процесс смешения - создание "композиции" массы [33, 40, 42].

Выделяют два типа систем "Тримбей-Тиббитс" У первого типа объемы компонентов в отделениях поддерживаются на постоянном уровне, а частота вращения вертушек регулируется. У второго типа конструкций, наоборот, вертушки вращаются с постоянными скоростями, а уровни компонентов в отделениях ящика регулируются по высоте (с помощью телескопических переливных труб).

На рисунке 1.9 показан регулятор композиций системы "Фойта", работающий по схожему с "Тримбей-Тиббитс" принципу. Данный аппарат строится на пять-девять компонентов, включая, смолу, краску и химикаты. Все вертушки оснащены индивидуальными электродвигателями с регулируемым числом оборотов [33, 42].

Рисунок 1.9 - Регулятор композиции Фойта

Диафрагменные регуляторы композиций так же состоят из резервуаров, разделенных на отсеки для компонентов. Имеющиеся в каждом из отсеков переливные перегородок поддерживают уровни жидких веществ. Каждый из компонентов поступает в емкость для смещения через выпускные отверстия со сменными диафрагмами (напор при этом постоянный). Объем жидкости, протекающий сквозь отверстие диафрагмы, определяется по формуле (1.1):

О = Г2§ ■ Н, (11)

где Q — объем протекающих жидкостей, л/сек; F — площадь отверстия, дм2; ^ — коэффициент истечения, равный 0,6 - 0,7 (для разных типов отверстия он разный); g — ускорение силы тяжести, дм/сек2; Н — высота напора массы над центром отверстия, дм [33].

Истечение потока для каждой из секций можно регулировать, изменяя уровни жидкости или открывая/закрывая отверстие. Данная конструкция чаще всего применяется при выработке "жирноразмолотой" бумажной массы, а также для дозирования сернокислого глинозема, каолиновой суспензии или

других химикатов.

Электромагнитные расходомеры, изображенные на рисунке 1.10, работают на основе закона об электромагнитной индукции. Согласно этому закону при пересечении проводящей средой (бумажной массой и/или химикатами) или проводником магнитного поля возникает электродвижущая сила, значение которой рассчитывается по формуле (1.2):

Е = В ■ I-и-10"8, (1.2)

где I — длина проводников; В — индукция магнитного поля; и — скорость движения проводника/среды [33].

N

Я''"'* ' 2

Г

...

чг^

1 — полюс магнита; 2 — труба; 3 — электроды; 4 — измерительный прибор.

Рисунок 1.10 - Схема электромагнитного расходомера

Трубка, выполненная из диэлектрика, располагается между полюсами магнита. В трубку вводятся электроды, к которым подключается измерительный прибор/датчик. Жидкость при движении по трубке пересекает магнитное поле, в следствии чего появляется разность потенциалов, которая пропорциональна скорости движения данного потока. Таким образом, измеритель определяет среднюю скорость истечения жидкости в трубке и, следовательно, вычисляет ее расход.

Такие расходомеры устанавливаются на трубопроводах для каждого компонента и объединяются общей системой управления (пневматической). Нижняя граница расхода для массы варьируется от 100 до 120 л/мин, для химикатов — 2 л/мин.

Кроме того, возможно дозирование компонентов с помощью специальных мерных бассейнов. Данный способ может быть применен при непрерывной схеме формирования и подготовки бумажной массы. Способ целесообразен при частой смене рецепта, небольших объемах производства и прост для реализации с точки зрения автоматизации [33].

1.4 Формирование бумажного полотна на сеточной части БДМ

Качество бумаги/картона (вес, толщина и т.д.) неразрывно связано со скоростью напуска массы из напорного ящика/устройства на сетку БДМ. При этом скорость самой сетки остается неизменной при неизменном технологическом процессе. Другими словами - именно соотношение скоростей сетки БДМ и массы после выпускной щели напорного устройства и определяет характеристику строения бумаги/картона (рисунок 1.11).

При скорости сетки БДМ, значительно меньшей скорости напуска массы, поперек листа будут образовываться "опережающие волны" или "наплывы" потока, что приведет к перерасходу ресурсов и снижению качества продукции. Соответственно, при обратном соотношении скоростей будут иметь место "отстающие волны", что влечет за собой излишнее истончение полотна, брак конечной продукции (например, по весу и толщине), постоянные обрывы на машине и приостановку техпроцесса производства [33]. Из этого можно сделать вывод, что скорости напуска массы и сетки БДМ должны быть более или менее одинаковы, но все-таки их соотношение должно варьироваться в зависимости от типа продукции и скорости привода машины.

0,94 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04 1,06 Коэффициент напуска, к

Рисунок 1.11 - Влияние коэффициента напуска массы на формирование

бумажного листа

Общего мнения о том каким должен быть коэффициент соотношения скоростей на данный момент не существует. Например, в научных источниках есть ссылки на работы Берса, который утверждал, что оптимальным соотношением скоростей является коэффициент 1, т.к. в этом случае волокна опускаются на сетку практически мгновенно [19, 33].

В других источниках есть ссылки на Виклэндома, который утверждал, что наилучшее формование полотна достигается при условии, когда скорость сетки больше скорости массы на 4,57 м/мин. Проведя рад экспериментов, Виклэндом также утверждал, что разность скоростей более чем на 30,5 м/мин делает невозможным получение качественной бумаги [43-47].

Различия между данными скоростями (массы и сетки) создают сдвиговое напряжение, что ведет к разрушению флокул в бумажной массе и, соответственно, создает турбулентность потока, которая может иметь и положительный и отрицательный эффект [43-47]. На плоскосеточных БДМ точка, в которой формование можно считать оптимальным, сопоставляется с единичным коэффициентом соотношения этих скоростей (рисунок 1. 12).

Рисунок 1.12 - Зависимость степени хлопьеобразования от скорости потока

Из всего сказанного можно сделать вывод, что коэффициент соотношения скоростей - это ключевой фактор, который определяет свойства бумажного полотна,

а точное измерение и стабилизация скоростей напуска массы и сетки БДМ является необходимостью для производства качественной продукции на базе современных систем управления.

1.5 Системы контроля качества

Сбор информации о свойствах и качестве конечной продукции БДМ реализуется с помощью плотномера (радиоизотопного датчика массы). Радиоизотопный датчик бумажной массы предназначены для бесконтактного, быстрого и непрерывного контроля массы 1 кв.м. бумаги/картона, текстильного материала, стекловолокон и т.д. Радиоизотопные датчики обычно используются в составе автоматизированных систем контроля и управления качеством листовых материалов. Однако возможно их использование и в качестве автономного изделия.

Радиоизотопные плотномеры состоят из излучателя и приемника. Они устанавливаются на измерительных платформах (сканирующем устройстве), что обеспечивает непрерывный полноценный контроль плотности полотна. Физический принцип работы радиоизотопных плотномеров основан на фиксации/регистрации изменений тока ионизационной камеры, ослабленного исследуемыми материалами. В качестве активных элементов в плотномерах используются радиоизотопы Кг85, которые размещаются в свинцовых цилиндрических корпусах для обеспечения норм по уровню у-излучений. Зафиксированные показатели тока усиливаются и преобразуются в напряжение, которое преобразуется АЦП в 24-разрядный двоичный код. Затем двоичный код обрабатывается микропроцессором и по значениям измеренных сигналов определяется плотность (масса 1 кв.м.) материала [48-52].

Пример сканирующего устройства (радиоизотопного плотномера) изображен на рисунках 1.13 и 1.14. Радиоизотопный плотномер ЛЕБ1 позволяет контролировать массу 1 кв.м. бумажного полотна или картона и получать данные о влажности, зольности, температуре и других второстепенных, но важных параметрах. Это необходимо для воссоздания

полной картины протекающего техпроцесса с целью принятия взвешенных управленческих решений.

Рисунок 1.14 - Принцип работы плотномера ЛЕБ1

Часто на предприятиях и фабриках используют системы контроля качества А3000 фирмы AquarSystem, которые обладают очень "гибким" функционалом. Системы А3000 включают в себя сканирующее устройство (плотномер/сканер) нового поколения. Сканер фирмы AquarSystem оснащен цельносварной рамой повышенной жесткости (рисунок 1.15). Используется данное устройство на БДМ с шириной полотна до 4000 мм. Специальные материалы покрытия позволяют системе работать в неблагоприятных условиях (высокая влажность и температура). Сканер оснащен системой подачи воздуха, способной создавать избыточное давление внутри рамы, что минимизирует попадание и оседание пыли внутри "голов" плотномера и одновременно улучшает систему охлаждения.

Рисунок 1.15 - Внешний вид сканирующего устройства AquarSystem

Стоит отметить, что именно радиоизотопные плотномеры формируют исходные данные для работы экстремальных и предиктивных регуляторов веса 1 кв.м. бумажного полотна.

1.6 Системы управления профилем бумажного полотна

Минимизация дисперсии веса бумаги/картона в поперечном направлении является сложной, комплексной задачей, включающей в себя стабилизацию сразу нескольких показателей. Регулирование осуществляется с помощью исполнительных механизмов, которые располагаются по всей ширине сетки и локально влияют на определенные качественные показатели бумаги (рисунок 1.16) [18, 19, 26, 33].

Рисунок 1.16 - Типовая схема системы управления качеством бумаги

Во-первых, стандартная система управления качеством бумаги/картона анализирует на достоверность профиль полотна, полученный с помощью радиоизотопного плотномера. Далее, происходит его фильтрация, и параллельно выполняется отбор (методом анализа соответствия перемещения исполнительного механизма и изменения в профиле соответствующего показателя качества) тестовых профилей полотна для создания модели объекта и подстройки ее параметров. Математическая модель является условно постоянной. Однако, если исполнительные механизмы находятся на

29

сеточной части БДМ и плотномер сильно удален от них, то потребуется динамическая коррекция для компенсации запаздывания и погрешности. Данные об измерениях в профиле и модели объекта используются SCADA-системой для компенсации колебаний численных показателей качества бумаги в поперечном направлении.

На сегодняшний день для целей управления профилем бумажного полотна [53-65] широкое распространение получила система на базе алгоритмов OptiProfile [62, 63], разработанная компанией Valmet Automation. Данная система работает по описанному выше алгоритму и позволяет управлять показателями качества продукции, приведенными в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Методы воздействия на показатели качества бумаги

Показатель Метод воздействия н характеристика канала управления

Толщина. Лоск Подача горячего или холодного воздуха локально изменяет нагрев валов каландра и, соответственно местное давление вала на бумажное полотно. Ширина зоны обычно составляет 75 мм.

Толщина Индуктивный локальный нагрев валов каландра позволяет регулировать диаметр вала в месте нагреЕа. Канал управления имеет большую инертность.

Вес с покрытием Регулировка нанесения покрытия на прессах позволяет локально менять угол между лезвием пресса, удаляющим излишек покрытия и бумажным полотном. Большая ошибка управления вызывает колебания приводящие к износу лезвия.

Вес после проклейки В вале клеильного пресса существует возможность локально менять давление для местной регулировки подачи клея.

Абсолютно сухой вес, влажность, толщина "Подстройка'" регулировочных винтов на губе напорного ящика. Требуется динамическая подстройка модели в связи с запаздыванием и постоянно меняющимися параметрами процесса.

Влажность Инфракрасный локальный нагрев (газовый или электрический) бумажного полотна. На процесс также влияет средняя величина абсолютно сухого веса и скорость бумагоделательной машины.

Влажность Таровые спрыски на мокром прессе позволяют локально менять влажность. Поперечное влияние ограничивается одной соседней зоной. На процесс также влияет средняя величина абсолютно сухого веса и скорость бумагоделательной машины.

Влажность Водяные спрыски для местного увлажнения бумажного полотна. Переходный процесс проходит быстро, так как сканер находится рядом со спрысками и влияния на соседние зоны не наблюдается

Влажность Локальная вентиляция в зонах между сушильными цилиндрами. Для каждого вентилятора существует несколько дискретных состояний. Управление осуществляется несколькими широкими зонами, поэтому влияние на соседние зоны почти отсутствует.

Применение системы Valmet Automation на реальной БДМ с характеристиками, представленными в таблице 1.3, позволяет добиться следующих показателей качества бумаги (рисунок 1.17). Система работает только над регулированием поперечной составляющей профиля, что не может не сказаться на общей дисперсии веса картона/бумаги. Таким образом, для снижения дисперсии веса конечной продукции, брака и затрат на производство необходимо разработать систему регулирования продольной составляющей профиля, что позволит работать БДМ, "снимая запасы по качеству", не выходя за границы, прописанные ГОСТом (рисунок 1.18).

Таблица 1.3 - Спецификация стандартной плоскосеточной БДМ

Наименование Показатель

Изделия бумага/картон

Пронзв о дительность 129.6 т/сутки

Сырье сульфатная беленал целлюлоза 80-100% коротковолокнистая, до 20 % длинноволокнистая

Ширина истечения массы 2 550 мм

Ширина сетки 2 700 мм

Ширина на накате 1 630 - 2 300 мм

Обрезная ширина 2 260 мм

Концентрация напорного ящика 1.5-2.5 %

Сухая масса на накате сушка 99-99,5% аб. сух.; на накате 96-98 % аб. сух.

Длина машины 70 000 мм

Общая длина машины 76 200 мм

Глубина подвального помещения 5 420 мм

Рабочее давление в суш. цилиндрах 0.8 МПа, 1.2 МПа для 5-й сушильной группы

Скорость машины рабочая шах. 650 м/мин: шш. 350 м/мин

Привод 800 м/мин

Скорость машины расчетная 1 000 м/мин

Диаметр рулона 2 500 мм

Рисунок 1.17 - Реальные показания веса бумаги, взятые с плотномера

Рисунок 1.18 - Пример "желаемого диапазона" дисперсии веса бумаги при

задании 100 г/м.кв.

1.7 Выводы

1. Сложность техпроцесса бумажного производства, обусловленная многомерностью и многосвязностью объекта управления, наличием запаздывания и нелинейности в АСУТП, ведет к необходимости построения имитационных и 81ши1тк-моделей для выявления оптимальных режимов работы функциональных подсистем бумагоделательной машины.

2. Среди всех показателей качества бумаги и картона стоит выделить вес 1 кв.м. полотна (и его дисперсию), регулирование и поддержание которого является первоочередной, ключевой задачей для АСУТП.

3. Основными факторами, влияющими на дисперсию веса 1 кв.м. бумажного полотна в продольном и поперечном направлениях, являются: однородность массы (достигается на различных стадиях массоподготовки; формирование однородной бумажной массы считается решенной задачей), объем массы в напускном устройстве в единицу времени (задача успешно решается с помощью предиктивных регуляторов и массных задвижек), геометрия выпускной щели напорного устройства (влияет на вес бумажного полотна в поперечном направлении; регулируется с помощью роботов-манипуляторов или вручную), оптимальная скорость напуска массы на сеточную часть БДМ (регулируется на современных бумагоделательных машинах с помощью экстремальных систем управления, снижающих быстродействие АСУТП).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ревунов Максим Сергеевич, 2021 год

/ / > //

//

г/ » / $ / 9 / # / # / / /

1 # # 1-А $ / 9 / Г / /

Рисунок 2.14 - Графики переходных процессов АСУТП с каскадным соединением трех регуляторов и координирующим нечетким управлением

Введение нечеткого регулятора позволило снизить время переходного процесса на 19 секунд по сравнению с АСУТП на базе экстремального регулятора и на 14 секунд по сравнению с АСУТП с каскадным соединением регуляторов; величину перерегулирования переходного процесса удалось снизить на 10.3% и на 12% соответственно.

Для поиска оптимального типа функций принадлежности параметров нечеткого регулятора (НР) был проведен сравнительный тест, который заключался в анализе характеристики переходного процесса имитационной модели, представленной на рисунке 2.13, при изменении формы функций принадлежности входных/выходных параметров. При анализе использовались наиболее распространенные типы функций принадлежности, а именно -треугольная, симметричная гауссовская, трапецевидная, колоколообразная и сигмоидальная функции принадлежности (рисунок 2.15). Как видно из рисунка 2.16, наилучшие характеристики переходного процесса достигаются

при использовании треугольных функций принадлежности, поэтому дальнейшая работа будет вестись именно с этим типом.

т

3.

4* \ /\ \ / \ X / т <4 «и Л /\ / С Д XI \

и Ь X/ N .3 «и _N

ш М Й) /~\ /"Х /1 (XX

41 1 X) * •» *ы

м -в / N 4 >М осх

Треугольна* >у мкция принадлежности

I ИММетрИЧМДЯ Г луссовгКДЯ

функция принадлежим ти

Гммцмидна? функция ир«и4Длежмос1и

Кйлоко/юобрдимн функции прииадпсжнопм

Сигмомднак функции ПРИНЛ/1ЛГ ЮНОСТИ

-10 1 Лин/ис

Рисунок 2.15 - Типы функций принадлежности параметров НР

Рисунок 2.16 - Переходные характеристики БтиНпк-модели при различных типах функций принадлежности параметров НР

Таким же способом был обоснован и выбран оптимальный метод дефаззификации для треугольных функций принадлежности параметров нечеткого регулятора (рисунок 2.17). При использовании метода среднего максимума качество переходного процесса характеризуется наименьшей величиной перерегулирования и статической ошибки.

1 метод центрую 1естм

метод нетед чвибвлядепг^грдаб} МОДАЛЬНОГО центре _плсидд

Л / щ среднего ма« / 1 Н«ЙМ<ГИМ¥ГО «ММ! 1

мет Iимума

) в

О) >345*74» 1»

Рисунок 2.17 - Переходные характеристики модели для треугольных функций принадлежности при различных методах дефаззификации

2.3 Анализ устойчивости АСУТП с нечетким регулятором

Система стабилизации параметров потока бумажной массы на основе нечеткого регулятора, представленная на рисунке 2.13, является нелинейной. Нелинейность в систему вносит нечеткий регулятор. Поэтому преобразуем данную структурную схему системы и заменим нечеткий регулятор на сумматор со взвешенными коэффициентами на входе (рисунок 2.18), используя метод наименьших квадратов (МНК). Расчет коэффициентов предлагается осуществить в соответствии со следующим алгоритмом:

- зафиксировать входные и выходные значения нечеткого регулятора, где х1 - значение давления (Па), х2 - значение скорости (м/мин), х3 - значение

напряжения с экстремального регулятора (В), уэ - выходное напряжение нечеткого регулятора (В);

- записать уравнение выхода нечеткого регулятора в виде Ур^^+Ь^+Ь^+Ь^ где ур - расчетное выходное напряжение нечеткого регулятора (В), Ь1, Ь2, Ь3, Ь4 - взвешенные коэффициенты;

- рассчитать коэффициенты Ь1, Ь2, Ь3, Ь4, используя МНК.

Таким образом, опираясь на введенные обозначения, запишем (2.3):

Ф = £(ур - Уэ) ; (2.3)

2

Ф = £¿=1 (Ур(0 - Ь1х1(1) - Ь2х2(1) - Ь3х3(Г) - Ь4) . Далее, возьмем частные производные (2.4) - (2.7):

дФ

д, \-У,> ^ ~ х\ " Ь2Х2 0) - (') " ¿4 ) * (')] = (2.4)

Щ ,=1

= 2]Г [ур (/)X! (/) - Ь х12(/') - Ъ2Х2 (/)Х (/) - Ь3 Х3 (1)Х! (/) - Ь4X! (/)] =

=1

4 4 4 4 4

X (у р (') Х1 (')) - Ъ1X (Х12 (')) - Ъ2 X (Х2 (О Х1 (')) -Ъз X (Хз ОК (')) Л X (Х1 ('))

'=1

2

дФ

дЪ2 г=1

Ь> / (0 - V, (0 - Мг (0 - Мз (0 - 64) * х2 (/)] = (2.5)

: ^ [УР (/)Х2 ' - Ъ1Х1 (0Х2 ' - Ъ2Х22 (0 - Ъ3Х3 (0Х2 (0 - Ъ4Х2 (')] =

= 2

'=1

4 4 4

X (УР (/)Х2 (/)) - Ъ1 X (Х1 (/)Х2 (/)) - Ъ2 X (Х22 (/)) -Ъ3 X (Х3 (/)Х2 (/)) Ъ4 X (Х2 (/))

2

I

. '=1 '=1 '=1 '=1 '=1

дФ

= Ь',, (0 - ЬЛ (0 - 62Х2 (0 - Мз (0 - 64 ) * Х3 (')]= (2.6)

дЪ3

= ^ [УР (/)Х3 ' - Ъ1Х1 (0Х3 (0 - Ъ2Х2 (0Х3 (0 - Ъ3Х32(') - Ъ4Х3 (')] =

у3 '=1 4

'=1

4 4 4 4

X (УР 'Х3 (/)) - Ъ1 X (Х1 (/)Х3 (0) - Ъ2 X (Х2 'Х3 (/)) -Ъ3 X (Х32 (/)) Ъ4 X(Х3 (/))

2

5

'=1 '=1 '=1 '=1 '=1

4

4

4

дФ

дЬ

=21 [(у р (1) -Ь х (о - Ь2 х2 (1) - Ьз хз (1) - Ь4)]=

4 1=1

= 2

4 4 4 4

I (У р (О) - Ь I (х (О) - Ь X (х (1)) -Ьз X (Хз (О)

1=1

1=1

1=1

'з з' 1=1

И представим данные в матричном виде (в виде матриц А и С) (2.8):

Й2 =

аз

а4 =

сл =

=

Сз =

Сл. =

44 2

Х *2(0 ; ^ Х2(/)Х!(/) ; ^ Хз(/)х1(/) ; ^ хх(/) ¿=1 ¿=1 ¿=1 ¿=1 4 4 4 4

Х Х1 (0X2 (0 ; ^ х| (0 ; ^ Хз (/)Х2 (0 ; ^ Х2(/) ¿=1 ¿=1 ¿=1 ¿=1 4 4 4 4

Х Х1(/)хз(/) ; ^ х2(/)хз(/) ; ^ х|(/) ; ^ Хз(/) ¿=1 ¿=1 444

Х Х1(0 ; ^ Х2(0; ^ Хз(0 ;

=1 =1 =1

4

( )

¿=1 4

Х^2(Оуэ(0

=1 4

Х^з(Оуэ(0

=1 4

Х

=1

Уэ(0

(2.8)

А = [ &2; «4]; С = [с!; С2; Сз; С4].

Затем, найдем коэффициенты Ь1, Ь2, Ьз, Ь и сравним реальные и расчетные значения выходного напряжения регулятора (рисунок 2.19).

Листинг программы, реализующей МНК и подсчет коэффициентов Ь1, Ь2, Ь3, Ь4, представлен в приложении Б.

4

4

Рисунок 2.18 - Simulink-модель АСУТП с сумматором и взвешенными коэффициентами

Время, сек

Рисунок 2.19 - Реальные и расчетные значения выходного напряжения регулятора АСУТП формирования бумажного полотна

Теперь перейдем непосредственно к расчету устойчивости системы [29]. Передаточная функция Wp(p) и характеристический полином АСУТП A(p) будут иметь вид (2.9):

W (p) =

K

K

K

K

• Ke

-рт

TP+1 т2р+1 TP+1 Tp+1

A(p) = (TiP +1) • (T2p + 1) • (T3P + 1) • (T4p + 1) + (Kl • K2 • Кз • к4 • Ke-pT),

(2.9)

где Ki - 150, K2 - 2.62, K - 0.0834, K - 0.0056, K - 1, Ti - 0.142, Т2 - 0.8, Тз - 1.5, T4 - 1, т - 4.5.

Раскрываем скобки в характеристическом полиноме АСУТП и получаем (2.10):

(2.10)

А(Р)=(/¡7;'/;74)я4 +(щ + да; + та + w>3 +г/,"/;+/;-/;+'/,"/4+/;/; +

+tt + TT) р2 + (T + T + T + T) p+1+Koe~pT = ар + ар + aiP2 + чр+a •

Произведем замену p на jm и выделим из уравнения мнимую jV(m) и вещественную U(m) части (2.11):

A(ja>) = 0.1704»4 - 1.484/ю3 -3.9686»2 + 3.442j® +1 + K0 -[cos^r) - j sin(®r)J

U(®) = 1 -3.9686»2 + 0.1704®4 + K0 • cos®T);

jV(a>) = 3.442®-1.484®3 -K0 • sin(©T).

54

(2.11)

Приравняем оба уравнения к нулю и, перебирая значения частоты ю в выбранном диапазоне частот, вычислим ю0, ю1, ю2, ю3 (2.12):

1 - з.9686»2 + 0.1704»4 + 0.18Э5- 008(4.5 -а) = 0; з.442а- 1.484а3 -0.18з5-зш(4.5-а) = 0.

з . , Л (2.12)

Как видно из рисунков 2.20 и 2.21 - ю0=0 рад/с, ю2=1.42 рад/с, ю1=0.46 рад/с, юз=4.8 рад/с.

Рисунок 2.20 - Значения частот ю0 и ю2

ю

/

/

/ / / / /

1 / / / /

га О

о. >

-5

ш -10

о ф

1Г

ш

™ -15

Ф т га

= -20

О 0.5

1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Частота, рад/с

Рисунок 2.21 - Значения частот ю1 и ю3

Подставим значения найденных частот в уравнения (2.13):

и(щ) = 1 - 3.96 86- 02 + 0.1704- 04 + 0.183 5- сов(4.5 • 0) = 1.1835 и (щ) = 1 - 3.9686-1.422 + 0.1704-1.424 + 0.1835- еов(4.5-1.42) = -6.127, ¥(щ) = 3.442-0.46-1.484-0.463 -0.1835- вш(4.5 -0.46) = 1.3119 (213)

У(щ) = 3.442-4.8-1.484-4.83 -0.1835-вш(4.5-4.8) = -171223.

Поскольку значения мнимой и вещественной частей (2.13) при частотах ш0, шь, ш2, ш3 чередуются (перемежаются, т.е. и(ш0)>0, V (шь)>0, и(ш2)<0, V (ш3)<0) - система устойчива [76, 82].

Кроме того, на рисунке 2.22 изображен годограф Михайлова. Годограф системы 4 порядка (при изменении ш от 0 до бесконечности) последовательно проходит по всем четырем квадрантам (против часовой стрелки и "стартуя" с вещественной оси).

50

-50

-100

-1 50

-200

II I

III И/=0 IV

п=4 И/=щ

-25 -20 -15 -10 -5 О 5 10

Рисунок 2.22 - Годограф Михайлова для АСУТП формирования бумажного

полотна 56

Далее, найдем область устойчивости системы управления и оценим влияние на нее параметров запаздывания т и общего коэффициента усиления К0 с помощью метода Э-разбиения (рисунки 2.23-2.24). Листинг программы представлен в приложении Б.

Рисунок 2.23 - Зависимость запаздывания т от частоты ю

Рисунок 2.24 - Область устойчивости САУ

2.4 Выводы

1. Действующие АСУТП бумажного производства с регуляторами уровня и давления в напорном устройстве не обеспечивают требуемых показателей качества бумажного полотна по весу 1 кв.м. и толщине. Более точное регулирование достигается при внедрении экстремальных систем управления и стабилизации веса 1 кв.м. полотна, однако, как говорилось ранее - данные системы не обладают высоким быстродействием, что нивелирует все их преимущества. Для повышения быстродействия экстремальных систем управления необходимо ввести дополнительный контур регулирования соотношения скоростей напуска бумажной массы на сетку бумагоделательной машины и сеточного стола, что позволит сразу выходить в область экстремума.

2. Для координации совместной работы экстремального регулятора, регулятора соотношения скоростей напуска бумажной массы и сетки и регулятора давления в напускном устройстве предлагается использовать координирующий нечеткий регулятор с расширенным вектором входа.

3. Поиск передаточных функций и компьютерное моделирование исполнительного механизма, пневматической и гидравлической составляющих напорного устройства, координирующего нечеткого регулятора и АСУТП формирования бумажного полотна в целом проводилось на основе экспериментальных данных и специальных инструментов идентификации математического пакета MATLAB.

4. В ходе проведения имитационного моделирования АСУТП формирования бумажного полотна с одним контуром регулирования (по давлению в напорном устройстве), с экстремальным регулятором и с каскадным соединением трех регуляторов (регулятора давления, экстремального регулятора и регулятора соотношения скоростей) было доказано, что введение координирующего нечеткого регулятора в систему

позволяет повысить качество управления техпроцессом производства бумаги и картона на БДМ.

5. Опытным путем был определен оптимальный тип (треугольный) функций принадлежности параметров координирующего нечеткого регулятора и метод дефаззификации (метод среднего максимума).

6. Проведенный несколькими способами анализ устойчивости АСУТП формирования бумажного полотна на сеточной части БДМ с координирующим нечетким регулятором позволил сделать вывод о том, что система устойчива.

3. КРОССКОРРЕЛЯЦИОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ СКОРОСТИ НАПУСКА БУМАЖНОЙ МАССЫ НА СЕТКУ БДМ И

АЛГОРИТМ ЕГО РАБОТЫ

3.1 Разработка алгоритма работы кросскорреляционного оптического вычислителя скорости

На современных бумагоделательных машинах для целого ряда основных параметров потока бумажной массы отсутствуют какие-либо средства измерения и контроля. Более того, все контуры регулирования оснащены одномерными регуляторами, которые не учитывают влияние различных взаимосвязанных факторов друг на друга. Все это приводит к погрешностям регулирования и, соответственно, браку конечной продукции [74].

Установлено, что зависимость неравномерности просвета бумаги или дисперсии ее веса носит экстремальный характер и зависит от соотношения скоростей кс между скоростью напуска бумажной массы и скоростью сетки, достигая минимальных значений при соотношении скоростей £с~1. Следовательно, для минимизации дисперсии веса бумажного полотна необходимо поддерживать кс ~1, регулируя скорость напуска бумажной массы путем изменения давления воздушной подушки в напорном устройстве (рисунок 3.1) [74].

В связи с этим на первый план выходит задача бесконтактного измерения скорости напуска бумажной массы на сетку машины.

Для реализации системы управления, описанной во второй главе, необходимо решить вопрос с измерением скорости напуска бумажной массы. Контактные способы и методы измерения, например, с помощью чашечного анемометра, приводят к нарушению целостности потока и, соответственно, к разрушению всего процесса формирования полотна на сетке. Анализ бесконтактных способов позволил остановиться на оптических измерителях, в частности на кросскорреляционном методе.

На сегодняшний день наиболее острой проблемой при реализации систем бесконтактного измерения скорости на основе кросскорреляционного метода остаются высокие требования к устройствам регистрации изображений. Видеокамера должна иметь качественную оптику, достаточно высокое разрешение матрицы, светочувствительность и, самое главное, возможность снимать видео с необходимой частотой кадров (числовая оценка минимальных требований к видеоаппаратуре представлена в разделе 3.3). Это связано с малой среднестатистической «продолжительностью жизни» характерных точек при быстром передвижении исследуемых объектов.

Функциональная схема системы измерения и регулирования скорости напуска бумажной массы на сетку БДМ с помощью кросскорреляционного оптического вычислителя представлена на рисунке 3.2.

Напорный

^ Сеточный

Камера стол

Рисунок 3.2 - Функциональная схема системы

Однако применение метода на реальном оборудовании сразу же выявило необходимость в его модификации по алгоритму, представленному на рисунке 3.3.

- Усекаем кадр на 1 пиксель со всех сторон

-Находим ККФ* между исходным и усеченным на 1-ом шаге кадром

- Рассчитываем медиану ККФ*

Находим максим медианы и соот размер кадра - опт альное значение ветствующий ей имальный размер

Эквализация расчетной области (кадра оптимального размера)

Запоминаем обр оптимального аботанный кадр размера (К№1)

Усекаем кадр К№2 в соответствии с оптимальными размерами К№1

Эквализация расчетной области (кадра оптимального размера)

Находим ККФ* между кадрами К№1 и К№2

Находим координаты максимума ККФ* с подпиксельной точностью

Запоминаем найденные координаты как КМ№1

Запоминаем кадр оптимального размера К№2 как К№1

- Находим S по координатам КМ Пересчитываем S (пиксели-метры)

- Вычисляем t (из частоты съемки)

- Находим скорость объекта (S/t)

Запоминаем кадр оптимального размера К№2 как К№1

/Вывод результирующего значения скорости напуска бумажной массы, ^ м/мин

Рисунок 3.3 - Схема алгоритма работы кросскорреляционного оптического

вычислителя скорости

Таким образом, алгоритм работы кросскорреляционного оптического вычислителя скорости состоит из следующих основных этапов:

- "захват" видеоизображения поверхности бумажной массы в моменты ее напуска на сеточную часть БДМ (до зоны соприкосновения бумажной массы и сетки);

- кадрирование видео/формирование кадров с заданной формой и форматом (RAW);

- определение основных характеристик изображения (разрешение по вертикали, разрешение по горизонтали, порядковый номер кадра, время формирования и т.д.);

- поиск оптимального размера расчетной области кадра по форме кросскорреляционной функции и показателям ее медианы в цикле, который заканчивается на этапе усечения исходного исследуемого кадра до размеров 2x2 пикселя;

- эквализация (выравнивание гистограмм значений яркости) изображений расчетной области;

- поиск кросскорреляционной функции между двумя обработанными кадрами и координат ее максимума с подпиксельной точностью;

- расчет перемещения (в пикселях) кросскорреляционного максимума от кадра к кадру по полученным координатам; пересчет полученной величины в метры;

- расчет скорости движения кросскорреляционного максимума от кадра к кадру по данным о его перемещении и частоте съемки, что соответствует скорости движения объекта наблюдения, а именно, скорости напуска бумажной массы на сетку.

3.2 Формирование расчетных областей оптимального размера

Данный этап является одним из ключевых во всем алгоритме, поскольку неправильно сформированные расчетные области могут вносить существенные погрешности в измерения. Формирование расчетных областей

63

должно проводиться в соответствии со следующими рекомендациями: "усечение по краям"; "усечение по направлению движения"; минимизация размера расчетной области [74].

"Усечение по краям" необходимо для того, чтобы избежать ситуаций, в которых в поле расчетной области попадают посторонние объекты или объекты, находящиеся в непосредственной близости от объекта исследования [74]. Примеры таких ситуаций представлены на рисунках 3.4 и 3.5.

Дефект видеофайла

Дефект видеофайла

Рисунок 3.4 - Процедура "усечения по краям" из-за дефекта видеофайла

Рисунок 3.5 - Процедура "усечения по краям" из-за попадания в кадр постороннего объекта (выпускной щели напорного ящика)

"Усечение по направлению движения" необходимо для того, чтобы убрать лишний фон или области, в которых заведомо невозможно появление объекта наблюдения. Соблюдение данной рекомендации возможно лишь в том случае, если нам известно направление движения объекта наблюдения [74]. Пример такой ситуации представлен на рисунке 3.6.

64

Фон Фон

Расчетная область 1 Расчетная 1

Фон Фон

Рисунок 3.6 - Процедура "усечения по направлению движения"

Быстродействие алгоритма бесконтактного измерения скорости на основе кросскорреляционного метода достаточно сильно зависит от выбранных размеров расчетной области (приложение А). В теории размер расчетной области должен быть настолько большим, насколько это возможно технически. Однако на практике обработка слишком больших расчетных областей приводит к снижению быстродействия до недопустимых показателей. Выходом из сложившейся ситуации является минимизация размера расчетной области путем поэтапного равномерного усечения кадра со всех сторон до размеров, при которых достигается требуемая точность измерения (рисунок 3.7) [74, 95]. Для поиска "оптимального окна" необходимо проанализировать форму кросскорреляционной функции (идеальный случай -четко выраженный одиночный пик), полученную при сравнении исходного и усеченного 1-ого кадра (рисунок 3.8) [95]. В случае отсутствия четко выраженного одиночного пика кросскорреляционной функции необходимо оценить ее медиану (рисунок 3.9).

Рисунок 3.7 - Исходный и усеченные кадры на 1-ом шаге

Рисунок 3.8 - Примеры кросскорреляционных функций для кадров с разной

степенью усечения

Рисунок 3.9 - Зависимость показателя медианы кросскорреляционной функции от степени усечения кадра

Данные об оптимальном размере расчетной области кадра дают нам возможность полноценно определить интервал корреляции. Интервал корреляции также будет оцениваться по форме кросскорреляционной функции (ККФ), полученной, однако, при сравнении первого кадра (или его области, если для получения "оптимального окна" необходимо усечение исходного кадра) с последующими (рисунок 3.10). Интервал корреляции является очень важным параметром, т.к. позволяет сформулировать минимальные требования к видеоаппаратуре (например, разрешение и частота

кадров в секунду) для съемки потока бумажной массы [95]. В нашем случае интервал корреляции равен 25 кадрам или 0,083 секунды. Таким образом, минимальная частота съемки видеокамеры должна начинаться от -300 кадров в секунду [74, 95].

1 кадр 5 кадр 1 кадр 10 кадр 1 кадр ¡-ый кадр

□ □ □

И, ° [ам □

0

Рисунок 3.10 - Примеры ККФ для оценки интервала корреляции

Преобразование полноцветных изображений в полутоновые осуществляется с помощью команды rgb2gray. Функция rgb2gray(I) создает полутоновые изображения I, преобразуя R-, G-, В-составляющие пикселей полноцветных изображений в соответствующие им значение яркости [91, 94].

3.3 Расчет кросскорреляционной функции и определение координат ее максимума

Примем во внимание, что при цифровой обработке изображения все сигналы считаются дискретными, а функции пространственной корреляции представляют из себя свертку (3.1):

M N

R(m, n) = ZZ f (i, j) • g(i + m, J + n), (3.1)

i=0 j=0

где f и g - интенсивность кадров изображения [96-119]. Методы вычислений свертки зависят от конкретных реализаций алгоритмов

обработки. Обычно используется либо метод вычисления сумм, либо теорема Винера-Хинчина (3.2):

R(m,n) = z l[z[fIt"[g]J,

(3.2)

-1

где С и С - прямое и обратное преобразования Фурье [96-119]. При вычислениях преобразования Фурье часто используются алгоритмы быстрого преобразования Фурье, которые обладают преимуществом (меньшее время обработки) перед прямыми расчетами кросскорреляционной функции (ККФ) [40-42].

ККФ, записанная в терминах преобразования Фурье, имеет вид (3.3):

R(m,n)=

z-'[z [Wf - (Wf) ]z • [Wg - {Wg) ]]

(3.3)

где W=W(x,y) - весовая функция; О

дисперсия значении

интенсивности внутри расчетной области [96-119].

После вычислений ККФ (рисунок 3.11) выполняется поиск координат (с подпиксельной точностью) максимума корреляционного пика. Поиск и расчет координат максимума ККФ реализуется/выполняется на базе операторов max и squeeze (рисунки 3.12-3.14) [74, 96-119].

Рисунок 3.11 - Кросскорреляционная функция 42 и 43 кадров

60 55 50 I 45

и

Ё- 40

3" 35

си

« 30

25 20 15

о

с

о

о

о о о ^ 5 о о о с ) о о о ( > °°о< ? ООО ОллО

10 15 20

Номер кадра, N

25

30

Рисунок 3.12 - График перемещения кросскорреляционного максимума

по оси Х

3.5

^ 3

си ->

0

^

с си

1 2.5

си

3"

1.5

-е-

-е-

-е-

...........1...........1..........V.........

'----О...... ■.....................

11-е—о о 6 о—о о 6—о о о 6

о

10 ^ 15 20

Номер кадра, N

25

О О О О

30

Рисунок 3.13 - График перемещения кросскорреляционного максимума

по оси У

Рисунок 3.14 - График направления движения кросскорреляционного

максимума от кадра к кадру

3.4 Эквализация расчетной области кадра

Анализ методов и способов измерения скорости потоков жидкости позволил остановится на кросскорреляционном методе измерения. Однако довольно часто необработанным изображениям свойственны яркостные искажения. Причины могут быть самые разные, но в большинстве случаев это объясняется несовершенством видеоаппаратуры. В результате, на таких изображениях детали различаются плохо или вообще не различаются (рисунок 3.15). Таким образом, для корректной работы алгоритма бесконтактного измерения скорости напуска бумажной массы на сетку БДМ на основе методов кросскорреляции необходима дополнительная цифровая обработка изображений - эквализация [95].

Рисунок 3.15 - Примеры фотографий (видеокадров) сеточного стола, сделанных при одинаковых условиях на разную видеоаппаратуру: а) Nikon

Coolpix P500; б) Nikon D3100

Для повышения контрастности изображений (рисунок 3.16) были использовали методы выравнивания гистограмм значений яркостей элементов [95, 120-129]. Результирующие графики перемещения кросскорреляционного максимума представлены на рисунке 3.17. Стоит отметить, что, если пренебречь обработкой изображения - это будет приводить к вырожденным всплескам расчетной скорости, что (в нашем случае) не соответствует действительности [95].

Рисунок 3.16 - Примеры: а) изображений; б) гистограмм значений яркостей; в) кросскорреляционных максимумов до и после эквализации

в 10 30 10 <0 so

номер uietd N

J_I_I_I_U

10 Ж 30 40 SO

номер шага N

Рисунок 3.17 - Графики перемещения кросскорреляционного максимума: а) до эквализации и до фильтрации; б) после эквализации и до фильтрации; в) после эквализации и фильтрации (медианный фильтр)

Таким образом, в результате эквализации гистограммы исходных кадров существенно расширяется динамический диапазон изображения, что позволяет отобразить ранее не замеченные детали. Это является критически важным фактором для ККА. Особенно сильно этот эффект проявляется на темных изображениях (рисунок 3.16-а) или изображениях с недостаточной освещенностью (рисунок 3.15-а) [95].

3.5 Апробация модифицированного кросскорреляционного алгоритма

Модифицированный кросскорреляционный алгоритм (МКА) был апробирован при измерении скорости твердотельных объектов (автомобиль, промышленный конвейер и др.) и жидких сред (приложение В). Съемка проводилась с помощью камеры Nikon COOLPIX P500. В ходе экспериментов

72

были получены видеофайлы длительностью 35 секунд с размером 1920x1080 (Full HD с частотой 30 кадров в секунду) [74].

На рисунке 3.18 показаны последние шесть кадров, взятые для расчета скорости напуска бумажной массы на сеточную часть БДМ (эксперимент при скорости машины 220 м/мин), а на рисунке 3.19 - результирующие графики перемещения кросскорреляционного максимума [74].

Рисунок 3.18 - Изображение поверхности бумажной массы

Для дальнейшего вычисления скорости напуска бумажной массы следует перейти от расстояния, пройденного в пикселях, к метрам и пересчитать время (приложение А). Для этого понадобятся реальные размеры исследуемого объекта (рисунки 3.20 и 3.21) [74].

I

-

.........!..........

•

•

-

■М»", и

-

—1 - -! i ■ t ■ 1-: Р-. 1-1.

Рисунок 3.19 - Результирующий график перемещения ККМ

Рисунок 3.20 - Расстояние между секциями напорного ящика в пикселях

Рисунок 3.21 - Расстояние между секциями напорного ящика в сантиметрах

Таким образом, рассчитанная с помощью модифицированного кросскорреляционного алгоритма скорость напуска равна ~ 218 м/мин, что соответствует действительности (рисунок 3.22) [74].

Рисунок 3.22 - Тренды скорости БДМ

3.6 Моделирование видеоизображения поверхности бумажной массы на сеточной части БДМ

Зная скорость и направление движения исследуемого объекта от кадра к кадру, мы можем сформировать промежуточные матрицы RO, представляющие из себя произвольные области на исходных изображениях, необходимые для работы алгоритма оценки свойств пикселя движущейся точки. Промежуточные матрицы RO формируются следующим образом:

- на первом кадре определяется исходное положение интересующего нас пикселя (или области из пикселей);

- полученные данные (номера строк и столбцов) записываются в матрицу RO в виде RO(:,:,k), а лишняя область на исходном кадре "отсекается";

- на втором и последующих кадрах также определяется положение интересующего нас пикселя (или области из пикселей), но уже на основе данных о его предыдущем положении, скорости и направлении движения объекта (рисунок 3.23) [130].

Рисунок 3.23 - а) примерное расположение анализируемых точек на

отслеживаемой области; б) области, используемые для формирования

промежуточных матриц ЯО 76

Для работы алгоритма перед циклом for...end необходимо задать пользовательские настройки (планируемый размер матрицы RO, количество кадров, используемых для формирования матрицы, исходное положение пикселя или области из пикселей и др.) [130].

Часть программного кода, реализующего данные операции, представлена в приложении Б.

Таким образом, сформировав матрицы RO, и вычленив из них необходимые данные (как показано на рисунке 3.24), мы получаем информацию об изменении яркости набора пикселей во времени [130]. Пример изменения яркости пикселя движущихся точек представлен на рисунке 3.25.