Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Ярощук Ірина Вікторівна

УДК 681.51/54:66.041.55

СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ ВИПАЛЮВАННЯ ЦЕГЛИ

В ТУНЕЛЬНІЙ ПЕЧІ

05.13.07 Автоматизація технологічних процесів

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі автоматизації хімічних виробництв

Наукові керівники кандидат технічних наук, професор

Остапенко Юрій Олександрович

кандидат технічних наук, професор

Жученко Анатолій Іванович

НТУУ “КПІ” професор кафедри

автоматизації хімічних виробництв

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Ладанюк Анатолій Петрович,

Національний університет харчових технологій,

зав.кафедрою автоматизації і

комп’ютерно-інтегрованих технологій,

заслужений діяч науки і техніки України

кандидат технічних наук, доцент

Іносов Сергій Вікторович

Киівський національний університет

будівництва і архітектури ,

зав.кафедрою автоматизації

технологічних процесів

Провідна установа: Національний технічний університет

“Харківський політехнічний інститут”

кафедра автоматизації хіміко-технологічних

систем та екологічного моніторінгу

Захит відбудеться “10” березня 2003р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.04 Національного технічного університету “КПІ” за адресою: 03056, м.Київ-56, пр. Перемоги, 37,корп.18,ауд.432.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “КПІ” за адресою: 03056, м.Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 7 ” лютого 2003 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, професор Ямпольський Л.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нарощування темпів будівництва та конкуренція на ринку будівельних матеріалів України призводить до необхідності збільшення кількості та покращення якості будівельної цегли. Одним з суттєвих етапів розв’язання цієї задачі є удосконалення системи керування технологічними процесами, зокрема процесом випалювання, яке знаходиться в кінці виробничого циклу отримання цегли. Саме під час його перебігу формуються властивості продукції, які визначають її якість. Воно включає як вимірювані механічні та гідрофізичні показники (міцність, морозостійкість та водовбирання), так і візуальні дефекти (тріщіни, оплавлення, перепал).

Випалювання слід розглядати як сукупність тепло- і масообмінних процесів, які супроводжуються фазовими і хімічними перетворенннями сировини. Цей процес, який проводять переважно в тунельних печах, характеризується розподілом температур газового середовища (температурне поле) і садки виробів, нестабільністю властивостей напівфабрикату, а також неможливістю контролю властивостей керамічного матеріалу в період його довготривалого (до 100 годин) перебування у печі, що ускладнює керування випалюванням в режимі реального часу. Відсутність науково обгрунтованих рекомендацій для вибору оптимального температурного поля з урахуванням якісних показників готової продукції, зміни властивостей вхідних матеріальних потоків, стану технологічного обладнання обумовлює актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках науково-дослідної роботи “Створення і впровадження автоматизованих систем забезпечення безаварійного функціонування та екобезпеки технологічних процесів на підприємствах України” (№ 7.93.193), яка проводилась згідно державного замовлення на науково-технічні роботи з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки та координаційного плану Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення системи керування процесом випалювання керамічної цегли в тунельній печі, яка сприяє підвищенню якості готової продукції шляхом визначення оптимального температурного поля в умовах нестабільності напівфабрикату, внесення попереджувальних впливів, отриманих в результаті прогнозування характеристик виробів та запобігання виникненню аварійних ситуацій. Досягнення поставленої мети передбачає вирішення наступних задач.

1. Дослідження характеру розподілу властивостей цегли у садці виробів.

2. Створення математичних моделей для прогнозування властивостей готової продукції.

3. Формулювання та розв’язок задачі оптимального керування в умовах нестабільності властивостей напівфабрикату.

4. Створення інтелектуальної системи для прогнозування аварійних ситуацій в ході процесу випалювання та оперативне діагностування причин їх виникнення.

5. Створення системи керування процесом випалювання, яка б прогнозувала властивості виробів, що випалюються, і використовувала результати для завчасного коригування параметрів технологічного процесу з метою зменшення економічних втрат від аварій та неоптимального ведення процесу.

Об’єкт дослідження – технологічний процес випалювання цегли в тунельній печі.

Предмет дослідження – система керування даним технологічним процесом.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених задач використовувались методи теорії ймовірностей, математичної статистики, теорії автоматичного керування, оптимізації та штучного інтелекту.

Наукова новизна. При вирішенні поставлених задач отримано наступні нові наукові результати:

§ вперше запропоновано математичні моделі для розрахунку найменшої міцності і середнього водовбирання цегли у садці, визначені на основі властивостей напівфабрикату та режимних параметрів процесу випалювання, які дозволяють проводити прогнозування вказаних властивостей виробів при знаходженні їх в печі з метою завчасного коригування технологічного процесу;

§ запропоновано метод визначення оптимального температурного поля в умовах нестабільності властивостей напівфабрикату, який відрізняється критерієм оптимальності та системою обмежень, запропонованими для даного класу об’єктів вперше;

§ створено математичну модель розподілу міцності в садці виробів, яка використовується при розв’язанні задачі оптимального керування;

§ створено систему керування процесом випалювання цегли в тунельній печі, в якій передбачено прогнозування властивостей виробів, що випалюються, і використання результатів для завчасного коригування параметрів технологічного процесу, а також зменшення економічних збитків від аварій та неоптимального ведення процесу.

Практичне значення. Створено експертну систему для діагностування і прогнозування аварійних ситуацій процесу випалювання, яка може використовуватись як в рамках загальної системи керування, так і окремо від неї з метою навчання та підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу. Формалізовано спосіб формування бази знань діагностуючої і прогнозуючої експертної системи для предметної області “керування технологічними процесами”. За результатами теоретичних та експериментальних досліджень створено вербальну модель аварійних ситуацій у вигляді дерева та сформовано базу знань, в основі якої лежить реляційна модель даних.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри автоматизації хімічних виробництв Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, передані та впроваджені на ВАТ “Корчуватський комбінат будівельних матеріалів” (м.Київ), що підтверджено відповідними довідками.

Особистий внесок здобувача. Особисто автором розроблені положення, викладені в розділі автореферату “Основні положення, що виносяться на захист”. В публікаціях у співавторстві особистий внесок автора полягає у наступному: у [1] розроблено алгоритм отримання знань про змінні технологічного процесу; у [2] розроблена методологія для створення бази знань експертної системи, проведено опитування експертів і структуровано отримані знання, сформовано дерева аварійних ситуацій; у [3] розроблені алгоритм керування температурним полем в умовах нестабільності шихти та структура бази даних для функціонування даного алгоритму; у [4] розроблено структуру бази знань експертної системи та алгоритм функціонування механізму виведення; у [6] проаналізовано результати проведених в умовах діючого виробництва експериментальних досліджень, створено математичні моделі середнього водовбирання, найменшої міцності цегли та її розподілу у садці; у [7] сформульовано задачу оптимального керування, отримана цільова функція та система обмежень; у [8] розроблено структурно-параметричну схему процесу випалювання та проведено кореляційний аналіз випадкових величин; у [9] проведено експериментальні дослідження в умовах діючого виробництва, проаналізовано отримані результати та сформульовані спрощення для подальшого математичного моделювання процесу випалювання; у [12] розроблена система керування процесом випалювання цегли в тунельній печі, яка прогнозує властивості виробів, що випалюються, і зменшує економічні збитки від аварій та неоптимального ведення процесу.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на наукових семінарах НТУУ “КПІ” (1999-2002); міжнародній науково-технічній конференції “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХІ века”-(Севастополь, 2001); міжнародних наукових конференціях “Математические методы в технике и технологиях” –(Смоленськ, 2001; Тамбов, 2002); міжнародній конференції з управління “Автоматика 2002” - (Донецьк,2002).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць, в яких викладено основний зміст виконаних досліджень, з них 7 статей у фахових виданнях, 5 тез доповідей на міжнародних наукових конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з п’яти розділів, списку літератури з 111 найменувань і 9 додатків. Повний обсяг дисертації складає 286 стор., з яких основний зміст викладено на 154 стор. друкованого тексту, містить 49 рисунків, 20 таблиць.

Основні положення, що виносяться на захист.

1. Математичні моделі для прогнозування найменшої міцності та середнього водовбирання готової продукції.

2. Математична модель розподілу міцності у садці виробів.

3. Метод визначення оптимального температурного поля в умовах нестабільності властивостей напівфабрикату, який відрізняється запропонованими критерієм оптимальності та системою обмежень для даного класу об’єктів.

4. Методика формування бази знань діагностуючої і прогнозуючої експертної системи для предметної області “Керування технологічними процесами”.

5. Експертна система діагностування і прогнозування аварійних ситуацій процесу випалювання цегли в тунельній печі.

6. Система керування процесом випалювання цегли в тунельній печі, яка визначає оптимальне температурне поле печі, прогнозує властивості виробів, що випалюються, і використовує результати для завчасного коригування параметрів технологічного процесу, зменшує економічні втрати від аварій за рахунок їхнього прогнозування і оперативного діагностування причин появи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Наведено обгрунтування актуальності теми дисертаційної роботи. Сформульовано мету і задачу досліджень. Визначені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів. Вказано на апробацію результатів дисертації та кількість публікацій.

Перший розділ. Виробництво цегли, структурна схема якого наведена на рис.1, є послідовністю взаємопов’язаних технологічних процесів.

Випалювання, яке розташоване в кінці технологічного ланцюга виробництва, є найвідповідальнішим процесом, під час якого остаточно формуються властивості продукції, що визначають її якість. Цей процес переважно проводять в тунельних печах – довгих (до 120 м) прямолінійних каналах, вздовж яких назустріч газовому потоку проштовхуються вагони з садкою виробів. Випалювання характеризується великою температурою спікання та значною кількістю виробів, які одночасно перебувають у печі, значним часом перебігу процесу (до 100 годин) та складністю фізико-хімічних процесів, що проходять в керамічному матеріалі. На проведення даного процесу витрачається значна кількість природного газу та електроенергії, вартість яких складає 70-75% від витрат на енергоносії, що використовуються всім виробництвом.

Тунельна піч умовно поділяється на три зони: нагрівання, випалювання та охолодження. Організація певного температурного поля в кожній зоні є важливою умовою отримання якісної продукції. Сукупність цих полів створює температурне поле всієї печі, яке описується температурною кривою.

Як об’єкт керування випалювання в тунельній печі характеризується інерційністю каналів керування, яка викликана великою масою цегли на кожній позиції, а також значною кількістю і суттєвим впливом збурень (властивості напівфабрикату, наявність підсосів, тощо). В печі одночасно знаходиться два типи матеріальних потоків: газ і тверде тіло (садки). Кожен з них харатеризується розподілом властивостей по довжині, що визначається необхідністю підтримання заданого температурного поля. Крім цього, розподіл температур газового середовища спостерігається по висоті та ширині каналу печі. Це, у поєднанні з інтервалом проштовхування та геометричними властивостями садки, викликає неоднорідність в ній і властивостей цегли за цими координатами. На показники продукції значним чином впливає температурне поле печі, при визначенні якого необхідно враховувати властивості напівфабрикату. Їх нестабільність пов’язана зі змінами у проходженні попередніх стадій виробництва або переходом на нову шихту. Контроль властивостей виробів можливий лише після виходу їх з печі. Він проводиться на основі відбору цегли з садки з подальшими випробуваннями її у виробничій лабораторії. Аналізи для різних властивостей займають від години до декількох тижнів. Це призводить до неможливості своєчасного визначення необхідного температурного поля і, як наслідок, до зниження якості продукції або її браку при нестабільності властивостей напівфабрикату. В даній дисертаційній роботі розглядались основні якісні показники цегли: механічна міцність на стискання (Pr), яка визначає “марку” продукції, морозостійкість (M) та водовбирання (VP). Такий вибір обумовлений тим, що саме ці характеристики визначають ціну та експлуатаційне призначення цегли. Крім них нормативними документами передбачено врахування таких дефектів як тріщини, перепал, оплавлення та ін. Вони значним чином впливають на якість продукції, але не вимірюються, а лише оцінюються візуально.

Отже, аналіз випалювання та існуючих систем керування показав, що необхідно створити таку систему керування процесом випалювання, яка б дозволяла: прогнозувати властивості і появу дефектів виробів, що випалюються, і використовувати отримані результати для завчасного коригування параметрів технологічного процесу, в результаті зменшуючи економічні втрати від аварій, порушень та неоптимального ведення процесу.

Другий розділ присвячений організації та обробці результатів експериментального дослідження випалювання з метою вивчення зв’язків між технологічними змінними.

Проведені дослідження носили пасивний характер, однак, кожен експеримент ретельно готувався. Шихта формувалась заданого складу, під час проходження нею стадії переробки фіксувався робочий стан обладнання, нарізаний брус на вагонетках заштовхували у спеціально відведені канали сушарки. Садка на кожному пічному вагоні (рис.2) формувалась з виробів, які сушились в однакових умовах (мали однакову відносну залишкову вологість). Під час випалювання заповнювався паспорт вагона, до якого заносились дані про властивості напівфабрикату, номер пічного вагона та час його надходження до печі, температурне поле випалювання даного вагона та інтервал проштовхування, з яким він пересувався.

Після виходу вагонів з печі проводився відбір цегли з певних місць кожного пакета садки та їх лабораторні випробування. Результати випробувань показали наявність розподілу властивостей цегли за всіма напрямками у кожному пакеті садки. Для визначення значущості цих розподілів проведено дисперсійний аналіз для кожної площини пакетів (перерізу, з якого відбирались вироби).

При рівні значущості =0,05 суттєвим визнано розподіл міцності по висоті пакетів. Оцінено значущість розподілу якісних показників не лише по окремому пакету, а і по їх сукупності. Тобто спочатку два, потім чотири, шість та вісім сусідніх пакетів розглядались як ціле. Отримані результати при рівні значущості =0,05 свідчать про суттєвість розподілу значень міцності, починаючи вже з двох сусідніх пакетів. Розподіл значень морозостійкості та водовбирання визнано статистично незначущим навіть при =0,1.

Результати досліджень показали, що за міцністю садку виробів можна умовно поділити на дві групи. В кожній з них пакети під час випалювання знаходяться в однакових умовах, визначених швидкістю та температурою теплоносія, що контактує з виробами. До першої групи входять пакети, розташовані по кутах пічного вагона, тобто I, IV, V, VIII, до другої – ті, що знаходяться в середині – II, III, VI, VII. З огляду на схожість кривих розподілу міцності по висоті садки (рис.3), за критерієм Стьюдента перевірялась гіпотеза про рівність математичних сподівань міцності в однакових рядах пакетів однієї групи. Показано, що при рівні значущості =0,05 можливо прийняти цю гіпотезу, тобто визнати однаковим характер розподілу міцності по висоті пакетів в рамках однієї групи. Це можливо використати при моделюванні данного розподілу.

Як видно з рис.3, найменше значення міцності в садці завжди припадає на нижній (13-й) ряд пакетів другої групи, тому розрахунок його значення можливо використати як прогнозування браку продукції.

Експериментальні дані показали схожий характер розподілу міцності у пакетах першої та другої груп (рис.3). Виявлений лінійний зв’язок між значеннями міцності в однакових рядах різних груп пакетів, який визначається коефіцієнтом пропорційності

, (1)

де - середні значення міцності в h-му ряду І та ІІ групи пакетів, відповідно.

Це дозволило спростити задачу дослідження: створювати математичну модель розподілу міцності не для кожного окремого пакета садки, а лише для однієї групи, наприклад другої.

На основі аналізу результатів експериментальних досліджень зроблено висновок: для прогнозування властивостей виробів необхідно створювати модель розподілу міцності у садці, а для морозостійкості та водовбирання достатньо визначати їх середні значення у всій садці.

Схожа фізична природа M та VP і можливість співставлення інтервалів їх значень виявились достатнім для того, щоб прогнозувати лише один показник, а інший знаходити за таблицею відповідності. Тому доцільно створювати математичну модель водовбирання через вужчі інтервали його значень.

З огляду на значний вплив стадій переробки шихти і формування брусу на властивості виробів, а та неможливість математичної формалізації цього впливу, з метою кількісної оцінки якості напівфабрикату автором введено штучний параметр Кпер (ступінь переробки шихти) і запропоновано методику його розрахунку. В основу її закладено твердження: при нормальній роботі (в межах, визначених технологічним регламентом) відповідного обладнання Кпер=1, а у випадку його зупинки Кпер=0. Кожному обладнанню стадій переробки та формування ставиться у відповідність числова характеристика, визначена шляхом експертного опитування. Вона визначає умовний вплив цього обладнання на характеристики бруса. Таким чином, узагальнена формула для визначення Кпер має вигляд:

де - числова характеристика впливу і-го обладнання на отримання брусу; n- кількість одиниць обладнання.

Проведено статистичне дослідження контрольованих змінних, зокрема, визначені закони розподілу, їх числові характеристики, проведено кореляційний аналіз. В результаті виявлені фактори із суттєвим статистичним звязком з властивостями продукції, які повинні бути враховані при математичному моделюванні.

Третій розділ присвячений створенню математичних моделей для прогнозування властивостей цегли (середнього значення водовбирання та найменшого значення міцності у садці). Проаналізувавши існуючі підходи до аналітичного моделювання процесу випалювання, виявлено ряд недоліків. Серед них: протиріччя спрощень, застосованих при моделюванні, та результати проведених експериментальних досліджень, відсутність інформації про адекватність і точність моделей, про їх перевірку у виробничих умовах та звязок з характеристиками продукції, неврахування впливу властивостей напівфабрикату. Визнано, що існуючі аналітичні моделі не можуть бути використані у даних виробничих умовах, і для прогнозування якісних показників продукції треба розробити відповідні математичні моделі на основі регресійних рівнянь.

Використавши аналіз експериментальних даних, методи включень і найменших квадратів, отримано математичні моделі, які пов’язують показники якості виробів з властивостями напівфабрикату та температурним полем печі.

В результаті статистичного аналізу експериментальних даних була обрана значна кількість факторів для використання при моделюванні. Відбираючи ті з них, що мали більший коефіцієнт парної кореляції, були отримані рівняння, які, досягнувши структурного насичення, не містили в собі важливих, з точки зору теорії і практики, факторів, що мали менші коефіцієнти парної кореляції. Тому структурна ідентифікація була проведена, починаючи з різних місць вибірки факторів. Цим можна пояснити наявність двох рівнянь для кожної властивості виробів.

(2)

(3)

(4)

(5)

де Т25,Т26, Т28 – найбільші температури в зоні випалювання, 0С; Кпер – ступінь переробки сировини; Wpf – залишкова відносна волога висушеного сирця, %; СAl2O3, C(CaO+MgO) – концентрації Al2O3 та суми (CaO+MgO) в шихті відповідно, %; a1i, a2i, b1j, b2j - параметри регресійних рівнянь.

Математичні моделі (2)-(5) перевірені на адекватність за критерієм Фішера з використанням дисперсії відтворюваності. Результатами паралельних дослідів вважались значення якісних показників виробів, відібраних з однакових місць різних пакетів пічного вагона.

Отримані результати свідчать про адекватність моделей (2)-(5) експериментальним даним при рівні значущості

Критерієм точності моделей було обрано дисперсію адекватності . Крім того, з огляду на інтервальність оцінок міцності і водовбирання, перевірялась умова попадання експериментального та прогнозованого значеннь до одного інтервалу, визначеного нормативними документами галузі і технологічними особливостями виробництва. Результати дослідження моделей (2)-(5) наведені у табл.1.

Проведено аналіз залишків моделі для кожного експериментального дослідження (точки). Графіки залишків свідчать про відсутність викидів та часового дрейфу параметрів об’єкту. Як видно з табл.1, моделі прогнозування за (2) та (4) кращі, ніж їх пари, але точність відповідних рівнянь зіставлювана, тому рівняння (2) і (4) прийняті за основні, а (3) і (5) – за конкуруючі.

Таблиця 1.

Порівняння експериментальних і прогнозованих значень

№ точки | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | … | 23

VP | 16,9 | 20,2 | 17,0 | 15,9 | 21,3 | 20,2 | 16,8 | 16,2 | ... | 20,8

VP (2) | 17,1 | 17,8 | 16,9 | 17,2 | 20,7 | 20,5 | 17,4 | 16,5 | ... | 20,5 | 0,57

Відпов. інт-лів | + | - | + | + | + | - | + | + | ... | + | VP (3) | 16,6 | 17,9 | 16,7 | 17,3 | 20,9 | 20,6 | 18,2 | 17,2 | ... | 20,5 | 0,61

Відпов. інт-лів | + | - | + | + | + | - | - | + | ... | + | 11,0 | 9,9 | 14,5 | 17,9 | 7,3 | 8,4 | 20,4 | 19,1 | ... | 8,7 | (4) | 11,4 | 12,6 | 14,9 | 17,7 | 8,1 | 7,0 | 20,0 | 18,6 | ... | 8,7 | 1,34

Відпов. інт-лів | + | - | + | + | - | - | + | + | ... | + | (5) | 11,5 | 11,3 | 14,4 | 19,0 | 8,1 | 8,6 | 19,1 | 19,6 | ... | 8,7 | 1,93

Відпов. інт-лів | + | - | + | + | - | - | - | + | ... | + |

Показана доцільність параметричної адаптації моделей (2) і (4) для кожного пічного вагона. В разі необхідності проведення структурної адаптації використовуються конкуруючі моделі.

У четвертому розділі розглянуті питання оптимізації процесу випалювання. Розподіл температур газового середовища призводить до наявності на пічному вагоні виробів з різними властивостями. Оскільки метою керування є забезпечення якості продукції, зокрема її міцності, яка

визначає ціну, то слід намагатись отримати вироби з якомога більшим значенням цього показника. Запропоновано наступний критерій оптимальності:

(6)

де n – кількість марок цегли на пічному вагоні; Ці – ціна і-ої марки, грн/тис. шт.; Ksi – кількість і-ої марки на вагоні, тис. шт.

(7)

де - кількість рядків садки, у яких знаходится і-а марка цегли; - кількість цегли в ряду садки.

Розрахунок Ksi за (7) можливий за рахунок використання створеної математичної моделі розподілу міцності по садці.

(8)

де h –номер ряду; с0-с2, d0-d2 – параметри рівнянь системи.

Задача оптимального керування сформульована наступним чином: при заданій продуктивності печі, стані технологічного обладнання попередніх етапів виробництва і складі шихти знайти такий вектор факторів , при якому досягається максимум цільової функції з урахуванням накладених обмежень. В результаті розв’язання задачі оптимізації визначаються температури в зоні випалювання, які можуть бути реалізовані за рахунок витрат газу та повітря. Тому для даної задачі до рівняння цільової функції включено саме температури.

, (9)

де j-номер позиції печі.

Отже

(10) (11)

Цільова функція отримана у вигляді:

(12)

де е0-е13 – параметри моделі.

Розроблено методику визначення оптимального температурного поля у печі в умовах нестабільності властивостей напівфабрикату. Суть її полягає у використанні бази даних, яка складається з трьох частин: вхідні характеристики напівфабриката (={СAl2O3, C(CaO+MgO), Кпер}), оптимальне температурне поле (), якісні показники продукції (). При надходженні виробів з певними вхідними характеристиками на випалювання система проводить пошук цих властивостей в базі даних. Якщо , тобто необхідний запис існує і розташований у k-му рядку, то для даного вагона встановлюється температурне поле з цього рядка. Коли , тобто необхідний запис відсутній, для розрахунку запропоновано створити і використовувати систему рівнянь виду:

(13)

де - вектор оптимальних температур на позиціях печі зони випалювання, окрім .

Для створення системи (13) , використовуються записи бази даних. Автором ця система запропонована лише у загальному вигляді, але, виходячи з аналізу процесу випалювання, висловлено припущення про нелінійність рівнянь, які є, здогадно, регресійними. Таким чином, розвязуватись вони мають з використанням чисельних методів. Після виходу вагона з печі та проведення лабораторних випробувань визначається, чи забезпечує розраховане необхідну якість виробів. В разі позитивної відповіді до бази даних обслуговуючий персонал заносить новий запис.

Використання описаної бази даних можливе і ефективне лише в разі її заповнення. Для цього запропоновано використовувати критерій оптимальності (6), цільову функцію (10), (12) та систему обмежень (11).

П’ятий розділ присвячений створенню системи керування процесом випалювання, структурна схема якої наведена на рис.4. Вона складається з двох рівнів. Перший, нижній, побудований на локальних засобах, використовується для стабілізації аеродинамічного і температурного полів всередині печі. Другий, верхній, призначений для вирішення задач знаходження оптимального температурного поля, прогнозування властивостей продукції, вирішення задачі запобігання аварійних ситуацій. Дані функції виконуються відповідними підсистемами, представленими на рис.4.

База паспортів вагонів призначена для моніторінгу випалювання виробів кожного пічного вагона, який або знаходиться в печі, або вийшов з неї певний час тому. Крім інформації про значення технологічних змінних, при яких проводилось випалювання, вона містить в собі розраховані за моделями значення міцності і водовбирання та їх довірчі інтервали; експериментальні значення міцності і водовбирання, отримані після виходу вагона з печі. База даних технологічного режиму, до якої від датчиків та обслуговуючого персоналу надходять час надходження інформації; номер зміни; температурне та аеродинамічне поля печі. Отримані числові ряди дозволяють проводити аналіз стаціонарності технологічних процесів, розраховувати усереднені значення температур та розрідження (тиску) для пічних вагонів за час їх перебування на кожній позиції печі (температурне та аеродинамічне поля кожного вагону).

Розроблено експертну систему (ЕС), яка розрахована на функціонування як у рамках загальної системи керування, так і окремо від неї, і призначена для виконання наступних задач:

·

·

·

Для підвищення ефективності роботи з експертами та структурування отриманих знань розроблено методологію формування бази знань експертної системи. Вона включає до себе розробку алгоритмів отримання знань про об’єкт керування; побудову таблиці узагальненої інформації, отриманої від експертів; створення окремих і загального дерев аварійних ситуацій процесу випалювання керамічної цегли в тунельній печі. Фрагмент одного з дерев аварійних ситуацій наведено на рис.5.

Вербальна модель міркувань експерта представлена у вигляді загального дерева аварійних ситуацій, що складається з окремих дерев і математично він може бути виражений:

(14)

де Si- і-та метаподія (верхівка і-го дерева); і-номер аварійної ситуації; n-кількість визначених експертами аварійних ситуацій для об’єкта; C- множина ситуацій, пов’язаних із можливою зміною технологічних змінних; D- множина ситуацій, пов’язаних із станом (роботою) технологічного обладнання; E- множина ситуацій, пов’язаних із станом (роботою) контурів контролю та керування; F- множина ситуацій, пов’язнаних з роботою обслуговуючого персоналу.

Дуги дерева трактуються у випадку діагностування – “може бути викликаний”, а у випадку прогнозування – “може викликати”. Таким чином, діагностування здійснюється від верхівки дерева до його основи, прогнозування - у протилежному напрямку. Під кожним вузлом у колі наведена ймовірність, з якою нижній вузол може викликати верхній.

Розроблена база знань (БЗ) представлена як реляційна база даних. Моделлю знань обрані правила продукції, як найбільш зручні для опису міркувань експертів даної предметної області.

Розроблено зручний механізм виведення, який полягає у створенні загальної структури вікон відображення кожного кроку роботи ЕС та допоміжної інформації для користувача. По закінченні сесії роботи ЕС обслуговуючому персоналу видається в залежності від вибору режиму роботи або прогноз (режим прогнозування), або причина аварії з докладними інструкціями щодо необхідних дій по її усуненню (режим діагностування).

Внесення змін до БЗ здійснюється завдяки режиму “Коригування бази знань”, призначеному лише для інженера знань. Розроблена ЕС пройшла тестування і визнана спеціалістами працездатною в умовах виробництва.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ

1. На основі аналізу випалювання цегли в тунельній печі як об’єкта керування та сучасного стану систем автоматизації сформульовано задачу керування цим технологічним процесом. Вона полягає у підвищенні якості готової продукції шляхом визначення оптимального температурного поля в умовах нестабільності напівфабрикату, внесення попереджувальних впливів, отриманих в результаті прогнозування характеристик виробів та запобігання виникненню аварійних ситуацій.

2. В результаті проведення експериментального дослідження процесу випалювання виявлено характер розподілу властивостей цегли у садці, а після його статистичного аналізу сформульовано спрощення для моделювання властивостей виробів. Проведення статистичного аналізу контрольованих технологічних змінних дозволило визначити фактори для включення у математичні моделі.

3. Обгрунтовано доцільність використання регресійних моделей для прогнозування властивостей виробів. Використавши метод включень, створено моделі для найменшого значення міцності і середнього значення водовбирання у садці. Проведено аналіз на адекватність, точність та прогнозуючі властивості цих моделей, який довів правомірність їх використання для прогнозування якісних показників цегли. Створені моделі передані до ВАТ “Корчуватський комбінат будівельних матеріалів” (м.Київ) для удосконалення АСУ ТП виробництва цегли.

4. Сформульовано задачу оптимального керування: вибрано критерій оптимальності, сформульовані обмеження на температури в зоні випалювання, інтервал проштовхування пічних вагонів, міцність та водовбирання виробів. Для визначення обраного критерію отримано математичні моделі розподілу міцності у садці виробів.

5. Запропоновано метод визначення оптимального температурного поля для напівфабрикату з даними вхідними властивостями. Він передбачає використання спеціально розробленої бази даних, яка ставить у відповідність вхідні характеристики виробів, оптимальне для них темпертаурне поле та властивості готової продукції.

6. Розроблено методику формування бази знань експертної системи для діагностування і прогнозування аварійних ситуацій на виробництві. Її використано для отримання знань про процес випалювання керамічної цегли.

7. Побудовано дерева аварійних ситуацій процесу випалювання. На їх основі розроблено базу знань та механізм виведення. Створена експертна система (ЕС) може функціонувати як у рамках загальної системи керування, так і окремо від неї для навчання та підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу. ЕС впроваджено на виробництві КСМ ВАТ “Корчуватський комбінат будівельних матеріалів” (м.Київ).

8. Створено дворівневу систему керування процесом випалювання цегли в тунельній печі . Нижній рівень виконує функцію стабілізації заданих температурного та аеродинамічного полів. Розвязує задачі прогнозування властивостей готової продукції, визначення оптимального температурного поля для напівфабриката з певними властивостями та запобігання аварійним ситуаціям.

9. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри автоматизації хімічних виробництв Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Основний зміст дисертації викладено в опублікованих роботах:

1.

Здобувачем розроблено алгоритм отримання знань про змінні технологічного процесу

2.

Здобувачем розроблено методологію для створення бази знань експертної системи, проведено опитування експертів і структуровано отримані знання, сформовано дерева аварійних ситуацій

3.

Здобувачем розроблено алгоритм керування температурним полем в умовах нестабільності шихти та структура бази даних для функціонування даного алгоритму

4.

Здобувачем розроблено структуру бази знань експертної системи та алгоритм функціонування механізму виведення

5. Ярощук І.В. Система прогнозування аварійних ситуацій процесу випалювання керамічної цегли //Автоматизація виробничих процесів.-2002.-№1 (14).- с.49-53.

6. Жученко А.І., Ярощук І.В. Математичне моделювання деяких якісних показників керамічної цегли // Наукові вісті НТУУ “КПІ”.- 2002.-№4.-с.121-127.

Здобувачем проаналізовано результати проведених в умовах діючого виробництва експериментальних досліджень, створено математичні моделі середнього водовбирання, найменшої міцності цегли та її розподілу у садці

7. Жученко А.І., Ярощук І.В. Оптимальне керування процесом випалювання керамічної цегли //Автоматизація виробничих процесів.-2002.-№2(15). – с.46-51.

Здобувачем сформульовано задачу оптимального керування, отримана функція цілі та система обмежень.

8. Остапенко Ю.А., Ярощук И.В. Прогнозирование качества готовой продукции посредством математического моделирования // Сб. тр. 14 междун. конф. “Математические методы в технике и технологиях” (ММТТ-14).- Том 6.-Смоленск, 2001.- с.11-14.

Здобувачем розроблено структурно-параметричну схему процесу випалювання та проведено кореляційний аналіз випадкових величин.

9. Ярощук І.В., Остапенко Ю.О. Експериментальне дослідження випалювання цегли в тунельній печі для створення математичного забезпечення системи керування // Сб.трудов VIII междун. научно-технич. конф. “Машиностроение и техносфера на рубеже ХХI века”.- Том3.-Донецк: ДонГТУ, 2001.- с.31-36.

Здобувачем проведено експериментальні дослідження в умовах діючого виробництва, проаналізовано отримані результати та сформульовані спрощення для подальшого математичного моделювання процесу випалювання

10. Ярощук И.В. Математико-эвристическая система прогнозирования нарушений при обжиге кирпича // Сб. тр. 15 междун. конф. “Математические методы в технике и технологиях” (ММТТ-15).- Том 5.-Тамбов, изд-во Тамб. гос. ун-та, 2002.- с.94-95.

11. Ярощук І.В. Математичне моделювання процесів формування якості у виробництві цегли // Зб. тр. міжн. конф. з управління “Автоматика 2002”.-Том 1.-Донецьк, вид-во ДНТУ, 2002.- с.98-99.

12. Жученко А.И., Ярощук И.В. Интеллектуализация системы управления сложным инерционным объектом в условиях существенной неопределенности // Зб. тр. міжн. конф. з управління “Автоматика 2002”.-Том 2.-Донецьк, вид-во ДНТУ, 2002.- с.108-110.

Здобувачем розроблена система керування процесом випалювання цегли в тунельній печі, яка прогнозує властивості виробів, що випалюються, і зменшує економічні збитки від аварій та неоптимального ведення процесу.

АНОТАЦІЯ

Ярощук І.В. “Система керування процесом випалювання цегли в тунельній печі”

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів.- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

Дисертацію присвячено створенню системи керування процесом випалювання керамічної цеглии в тунельній печі.

Проведені експериментальні дослідження дозволили визначити характер розподілу властивостей виробів у садці. Використавши статистичний аналіз експериментальних даних, методи включення і найменших квадратів, створені математичні моделі, які пов’язують показники якості виробів з властивостями напівфабрикату і температурним полем печі.

Сформульовано задачу оптимального керування: вибрано критерій оптимальності, сформульовані обмеження.Запропоновано метод визначення оптимального температурного поля для напівфабриката з певними властивостями.

Створено дворівневу систему керування процесом випалювання. Нижній рівень виконує функцію стабілізації заданих температурного і аеродинамічного полів. Верхній розв’язує задачу визначення оптимального температурного поля, прогнозування властивостей виробів, запобігання аварійних ситуацій. Створено експертну систему для діагностування та прогнозування аварійних ситуацій процесу випалювання.

Ключові слова: випалювання цегли в тунельній печі, система керування, математична модель, експертна система, прогнозування властивостей виробів.

Annotation

Yaroshchuk I. Control system for bricks firing in tunnel kiln

Thesis for a Ph.D. degree of tecnical science by speciality 05.13.07- automatiom of technologycal processes

In this Ph.D. thesis the problem of development of process control system for ceramic brick firing in tunnel kiln is considered. Process analysis has revealed necessity of control system development for making regular forecasts of fired products properties. Basing on forecasts, control system should adjust technological parameters in time, reducing the economic losses caused by emergency situations and non-optimal technological parameters.

Experimental investigations revealed the distribution pattern of brick properties in the set. Approximations for mathematical modelling were suggested basing on statistical analysis. Mathematical models were originated for water absorption and durability values for bricks in the set.

The problem of optimal process control was set: optimality criterion was chosen, restrictions were formulated . The method of defining the optimal temperature field for the half-finished product with given properties was offered.

Two-level control system was designed for firing process. Lower level is based on local facilities is intended for stabilization of temperature and aerodynamic conditions in the furnace. Upper level is intended for determination of optimal temperature field, product quality forecasting and avoidance of emergency situations.The expert system for diagnostics and forecasting of emergency situations during firing process was created.

Keywords: bricks’ firing at a tunnel kiln, control system, mathematical model, expert system, production properties forecasting.

АННОТАЦИЯ

Ярощук И.В. “Система управления процессом обжига кирпича в туннельной печи”

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов.- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке системы управления обжигом кирпича в туннельной печи. Именно во время прохождения этого процесса формируются свойства продукции, которые определяют ее качество. Оно включает в себя как измеряемые механические и гидрофизические показатели (прочность, морозостойкость, водопоглощение), так и визуальные деффекты (трещины, оплавление, пережог и т.п.).

Обжиг в туннельной печи характеризуется распределением температур теплоносителя и изделий в садке по всем координатам, нестабильностью свойств полуфабриката, а также невозможностью контроля свойств изделий в период 100 часового пребывания в печи. Отсутствуют научно обоснованные рекомендации для выбора оптимального температурного поля с учетом качественных показателей готовой продукции, изменения входных материальных потоков и состояния технологического оборудования.

Анализ обжига и существующих систем управления показал, что необходимо создать такую систему управления данным процессом, которая бы позволяла прогнозировать свойства обжигаемых изделий и использовала полученные результаты для своевременной коррекции параметров технологического процесса, в результате уменьшая экономические потери от аварий и неоптимального ведения процесса.

Проведенные экспериментальные исследования обжига определили характер распределения свойств кирпича по садке. Существенным признано только распределение прочности по высоте пакетов. По прочности садку изделий можно условно поделить на две группы, в каждой из которых пакеты во время обжига находятся в одинаковых условиях, определяемых скоростью и температурой теплоносителя. Показано, что можно признать одинаковым характер распределения прочности по высоте пакетов одной группы. Выявлена линейная зависимость между значениями прочности в одинаковых рядах разных групп пакетов. Все это можно использовать при