МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Головач Ігор Романович

УДК 664.1.035

АНАЛІЗ ІНФОРМАТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ

І РОЗРОБКА АВТОМАТИЧНОЇ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ

ПРОЦЕСОМ ЕКСТРАКЦІЇ

Спеціальність 05.13.07 Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Лозинський Орест Юліанович,

завідувач кафедри електроприводу та автоматизації промислових установок Національного університету “Львівська політехніка”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Семенцов Георгій Никифорович,

завідувач кафедри технологічних процесів і моніторингу в екології Івано-Франківського Національного технічного університету нафти і газу;

доктор технічних наук, професор

Пальчевський Богдан Олексійович,

завідувач кафедри пакування та автоматизації виробничих процесів Луцького Державного технічного університету.

Провідна установа: Український Національний університет

харчових технологій (м. Київ)

Захист відбудеться “28” січня 2005р. о “12” год. “00” хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 в Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, м. Львів, вул. Устіяновича, 5, ауд 51).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “25” грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Вашкурак Ю.З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В процесі виробництва цукру на цукровому заводі важливе місце займає станція сокодобування. Екстрактори неперервної дії, де відбувається екстрагування цукру з буряка, задаючи темп роботи всьому цукровому заводу, багато в чому визначають і формують його техніко-економічні показники. Тут втрати кінцевого продукту в відходах виробництва становлять більш як 30% від загальнозаводських втрат. Якість отриманого дифузійного соку істотно впливає на витрати допоміжних матеріалів і палива на подальших стадіях виробництва, на вміст цукру в мелясі. Системи автоматичного керування похилих екстракторів, які застосовуються, не задовольняють повною мірою технологічні вимоги, оскільки не повністю контролюють і регулюють фактори, які впливають на технологічний процес екстракції цукру з буряка.

Основним недоліком цих систем є те, що регулювання якісних показників процесу екстрагування, до яких належить стан соко-стружкової суміші в екстракторі, відбувається побічно і з значним запізненням. Це призводить до того, що неможливо отримати оперативну інформацію про такий важливий параметр процесу екстракції як коефіцієнт використання дифузійного потоку, який характеризує гідродинамічний стан в екстракторі.

Таким чином, процес екстракції цукру з буряка належить до складних хіміко-технологічних процесів, керування якими не відповідає потрібному рівню, тому що не дає змоги оперативно адаптувати керуючі впливи до реальних умов і тому створення автоматичної системи керування цим процесом на основі поточної інформації про його координати дасть можливість забезпечити роботу станції сокодобування за обраним критерієм оптимізації. В цьому і полягає актуальність даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка”, тематика яких відповідає координаційним цільовим та галузевим програмам, в які входить напрям: “Створення математичних моделей електромеханічних перетворювачів і систем, автоматизації систем керування технологічними процесами і електромеханічних систем автоматичного керування промисловим обладнанням, їх автоматизоване проектування”.

Проведені дослідження виконувалися за участю автора в науково-дослідних роботах, зокрема, у держбюджетних роботах Міністерства освіти та науки України ДБ7/“Ощадність” (держреєстрація №0101U000875) ДБ7/“Критерій” (держреєстрація №0103U001364) протягом 2001-2004рр. Автор був виконавцем наведених тем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і впровадження способів і систем керування технологічним процесом екстракції цукру з буряка в екстракторі похилого типу, які забезпечують оптимальний стан соко-стружкової суміші.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:

· провести системний аналіз процесу екстракції цукру з буряка;

· удосконалити математичну модель екстракції цукру з буряка, яка є адекватною до реального процесу;

· вибрати і обґрунтувати структуру автоматизованої системи оптимального керування;

· розробити способи автоматичного керування процесом екстракції цукру з буряка;

· синтезувати регулятор стану соко-стружкової суміші в екстракторі;

· провести випробування автоматизованої системи оптимального керування у виробничих умовах.

Об'єктом дослідження є процеси екстракції цукру з буряка в похилому шнековому екстракторі неперервної дії.

Предметом дослідження є автоматичні системи керування процесом екстракції цукру з буряка на основі алгоритму визначення оптимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку.

Методи досліджень. В основу виконаних досліджень покладено методи теорії автоматичного керування (для синтезу системи автоматичного керування), теорії нечітких множин (для синтезу нечітких регуляторів), теорії оптимізації (для синтезу алгоритму визначення оптимального значення коефіцієнта викори-с-тан-ня дифузійного потоку), повного факторного експерименту (для визначення основних факторів, які впливають на процес екстракції), теорії тепло-масоперенесення (для створення математичної моделі процесу екстракції), теорії автоматичних ліній (для аналізу сировинних потоків у відділенні сокодобування).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:*

вперше розроблено принципи визначення стану соко-стружкової суміші в екстракторі на основі аналізу величини струму головного приводу з врахуванням таких інформативних параметрів, як рівні соку в екстракторі та швидкість обертання транспортних шнеків, що дає змогу ідентифікувати гідродинамічний стан в кориті екстрактора без використання додаткових давачів;*

сформовано технологічний критерій оптимальності – коефіцієнт використання дифузійного потоку – для розробки системи автоматичного керування процесом екстракції цукру з буряка, який враховує вплив гідродинамічного стану об’єкта на якісні показники технологічного процесу;*

удосконалено структуру системи автоматичного керування в якій введено додатковий коригуючий зворотний зв’язок за струмом головного приводу, що забезпечує оптимальний стан соко-стружкової суміші в екстракторі для отримання максимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку;*

удосконалено систему керування процесом екстракції цукру з буряка на основі принципів нечіткої логіки, яка функціонує в режимі порадника, для формування оптимальних керуючих впливів при зміні параметрів об’єкта.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений в дисертації спосіб визначення стану соко-стружкової суміші в екстракторі дає змогу ефективніше використовувати виробниче обладнання через запобігання роботі екстрактора в аварійних режимах, точніше визначати стан соко-стружкової суміші і здійснювати регулювання коефіцієнта використання дифузійного потоку. Проведені випробування підтвердили працездатність розробленого дослідного зразка регулятора соко-стружкової суміші і показали, що його практичне використання приводить до збільшення продуктивності екстрактора на 5-10% і значного покращення якісних показників дифузійного соку. Виробничі випробування проводились на Горохівському (акт від 2.11.2000р.) і Радехівському цукрових заводах (акт від 12.11.2000р.). Результати досліджень впроваджені в навчальному процесі в дисципліні „Автоматизація типових технологічних процесів” (акт від 25.03.2004р.)

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї і розробки, які виносяться на захист, належать авторові. У наукових працях, написаних у співавторстві, дисертантові належать: розробка бази правил функціонування фаззи-регулятора на основі дій оператора екстрактора [4], спосіб визначення оптимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку [5], розробка структурної схеми руху сировинних потоків, які проходять через станцію сокодобування цукрового заводу [6], розробка функціональної схеми регулятора стану соко-стружкової суміші в дифузійному апараті та проведення досліджень його роботи у виробничих умовах [7].

Апробація результатів дисертації. Основні результати виконаних досліджень доповідались і дістали схвалення на:

· VІ, VІІ, VІІІ, Х науково-технічних конференціях “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”, Крим, м. Алушта, 1998, 1999, 2000, 2002 рр.; науково-технічних конференціях Українського НДІ цукрової промисловості, м. Київ, 2000-2004рр.; науково-технічних конференціях Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів, 1997-2003 рр.

· на міжкафедральному науковому семінарі Національного університету “Львівська політехніка”, м. Львів, (протокол №1 від 30 червня 2004р.)

Публікації. Основні положення дисертації відображені в 7 публікаціях, з них 5 у фахових журналах.

Структура й обсяг дисертації: Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел із 93 найменувань, двох додатків, що підтверджують впровадження результатів роботи. Загальний обсяг роботи – 160 сторінок, у тому числі 149 сторінок основного тексту, 45 рисунків і 17 таблиць – обсягом 20 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи та її зв’язок з науковими програмами і темами, сформульовано мету та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про рівень апробації та кількість публікацій за тематикою виконаних досліджень.

У першому розділі розглянуто процес екстракції цукру з буряка, який є однією з важливих стадій у технологічному процесі виробництва цукру. Встановлено, що одним з резервів підвищення ефективності систем керування є постановка і вирішення оптимізаційних задач, які дають змогу збільшити випуск цукру, покращити його якість, зменшити витрати палива і енергії на його виробництво. Найкраще розв’язувати такі задачі доцільно з використанням мікропроцесорної техніки. Однак розробка автоматизованих систем керування технологічним процесом виробництва цукру наштовхується на серйозні труднощі. Зокрема, мало вивчені властивості екстракторів, недостатньо розроблені їх математичні моделі. Крім того, при вирішенні задач оптимального керування потрібно враховувати той факт, що технологічний процес здійснюється в умовах невизначеності, високого рівня випадкових збурень, які мають нестаціонарний характер.

Досліджено сучасний стан автоматизації технологічного процесу екстракції цукру з буряка і проаналізовано математичні моделі, на основі яких створювалися автоматизовані системи керування. У результаті встановлено, що існуючі математичні моделі технологічного процесу відзначаються складністю і потребують значного обсягу інформації, не передбаченої технологічним регламентом, що ускладнює їх застосування для мети оперативного керування. Основним недоліком цих моделей є те, що приймалось припущення про ідеальний протитечійний процес і, що екстрактор повністю та рівномірно завантажений, що не завжди відповідає дійсності, особливо при зміні режиму роботи. Тому в основу автоматизації процесу екстракції цукру з буряка нами закладено положення про те, що автоматизована система, яка функціонує для підвищення техніко-економічних показників технологічного процесу, повинна мати властивість оперативної адаптації до зміни стану соко–стружкової суміші з метою дотримання його рівномірним в поперечному січенні і по довжині екстрактора.

У другому розділі здійснено аналіз технологічного процесу екстракції цукру з буряка, в результаті якого встановлено, що екстрактори похилого типу, в яких відбувається процес екстракції цукру з буряка, як технологічна система, функціонують в умовах значної кількості випадкових факторів, джерелом яких є вплив зовнішнього середовища, а також зміни, які відбуваються всередині системи.

Із сукупності параметрів, які характеризують екстрактор як об’єкт керування, можна виділити такі параметри, залежно від їх характеру і частки участі в процесі: сукупність спостережних вхідних сигналів, які утворюють вектор вхідних змінних – X; сукупність спостережних вихідних сигналів, які утворюють вектор вихідних змінних – Y. До складу X входять цілеспрямовано змінювані керуючі дії U і контрольовані збурення W, які змінюються випадково. Екстрактор як об’єкт керування, також має проміжні змінні, які утворюють вектор режимних параметрів Z. Крім керуючих дій U і збурень W, екстрактор підлягає дії неспостережних впливів x, які мають випадковий характер. Внаслідок цього дії оператора, який встановлює залежність між X та Y, в багатьох випадках стають неадекватними.

На рис.1 наведена структурна схема причинно-наслідкових зв’язків, які діють на екстрактор як об’єкт керування.

Рис.1. Структурна схема причинно-наслідкових зв’язків в екстракторі

Здійснено аналіз статичних характеристик, який підтверджує наявність зв’язку між вхідними X і вихідними Y змінними і дає змогу зробити висновок про наявність дрейфу параметрів статичних характеристик в умовах впливу на об’єкт неконтрольованих збурень ?.

Для виявлення основних факторів, які впливають на протікання процесу екстракції цукру з буряка було проведено повний факторний експеримент (ПФЕ). На основі суджень експертів – технологів були виділені основні вихідні параметри та проміжні фактори, які найбільш суттєво впливають на протікання процесу екстракції. Основними вихідними параметрами є величина втрат цукру в жомі (Y1) і вміст нецукрів у дифузійному соці (Y3). Основними факторами, від яких залежить протікання процесу, виділені такі як: температурний режим (Z1), час екстракції (Z5), співвідношення витрат мас (Z6), довжина 100 г стружки (Z7), струм електроприводу транспортних шнеків (Z8) і рН в середній частині екстрактора (Z9).

Умови дослідів, матриця планування експерименту і результати представлені в таблиці 1.

Таблиця 1

Матриця планування експерименту |

Z1 | Z5 | Z6 | Z7 | Z8 | Z9 | Y1 | Y3

Основний

рівень | 70 | 120 | 1,2 | 10 | 190 | 6

Верхній

рівень | 75 | 140 | 1,4 | 12 | 200 | 6,5

Нижній

рівень | 65 | 100 | 1 | 8 | 180 | 5,5

Кодовані

значення

факторів | x1 | x2 | x3 | x4 | x5 | x6

Дослід

1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | +1 | 2,2 | 2,0

2 | -1 | -1 | -1 | +1 | -1 | +1 | 1,6 | 2,2

3 | -1 | -1 | +1 | -1 | +1 | +1 | 1,8 | 2,0

4 | -1 | -1 | +1 | +1 | +1 | +1 | 0,95 | 2,1

5 | -1 | +1 | -1 | -1 | +1 | -1 | 1,4 | 1,7

6 | -1 | +1 | -1 | +1 | +1 | -1 | 0,7 | 1,4

7 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 | -1 | 1,3 | 1,3

8 | -1 | +1 | +1 | +1 | -1 | -1 | 0,75 | 1,4

9 | +1 | -1 | -1 | -1 | +1 | -1 | 0,85 | 1,25

10 | +1 | -1 | -1 | +1 | +1 | -1 | 0,55 | 1,3

11 | +1 | -1 | +1 | -1 | -1 | -1 | 1,15 | 1,2

12 | +1 | -1 | +1 | +1 | -1 | -1 | 0,65 | 1,25

13 | +1 | +1 | -1 | -1 | -1 | +1 | 0,75 | 1,5

14 | +1 | +1 | -1 | +1 | -1 | +1 | 0,3 | 1,7

15 | +1 | +1 | +1 | -1 | +1 | +1 | 0,35 | 1,6

16 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | +1 | 0,2 | 1,8

Тут застосована ? – репліка ПФЕ 26 з генеруючими співвідношеннями: x5 = x1x2x3 , x6 = x1x2. Узагальненим визначальним контрастом є: 1 = x5x1x2x3 = x6x1x2 = x6x5x3.

За допомогою активно-пасивного методу проведення експерименту ми отримали математичну модель процесу екстракції цукру з буряка, яка відображає взаємозв’язок між вихідними показниками і основними параметрами процесу у вигляді:

Y1 = 0,969-0,369x1-0,25x2-0,075x3-0,256x4-

-0,257x5+0,05x6+0,0625x1x3+0,08x1x4,

Y3 = 1,606-0,156x1-0,056x2-0,025x3+0,0375x4+

+0,0375x5+0,256x6+0,0375x1x3+0,025x1x4.

Аналіз отриманих рівнянь показує, що величина втрат цукру в жомі найбільш істотно залежить від температурного режиму, а вміст нецукрів в дифузійному соці – від величини рН в екстракторі. Для оптимізації процесу екстракції також треба знати, як впливають зміни основних технологічних факторів на величину втрат цукру в жомі, враховуючи, що зміна будь-якого окремого фактора приводить до зміни ряду інших, які впливають на процес екстракції. Також, як показали наші дослідження, вагомим фактором у формуванні величини втрат цукру в жомі є стан соко-стружкової суміші, який визначає момент опору на транспортних шнеках і ідентифікується за струмом головного приводу. А якраз цьому питанню при створенні існуючих систем автоматизованого керування не приділялось належної уваги.

Вираз для визначення втрат при проведенні процесу екстракції в похилих двошнекових екстракторах має вигляд :

, (1)

де

, (2)

П0 - втрати цукру в жомі; С0 - вміст цукру у стружці буряка в відсотках до ваги буряка; а1 - ваговий коефіцієнт відкачки дифузійного соку; 0 - відносний об'ємний вміст соку в буряці; - коефіцієнт використання дифузійного потоку; D75 - коефіцієнт дифузії цукру в тканині буряка при температурі 75С; t - середня температура в екстракторі; 0 - тривалість процесу екстракції, рахуючи від моменту входу стружки до моменту виходу стружки із системи; d - еквівалентна товщина стружки; Tu – температура, при якій виконується визначення D75; Tu=75С.

Для визначення концентрації цукру в стружці у будь-якій точці по довжині екстрактора, яка відповідає часу , користуємось такими рівняннями

, (3)

де

. (4)

Значення концентрації цукру в соці визначається за формулою

. (5)

Таким чином, на основі аналізу результатів ПФЕ і залежностей (1-5) зроблено висновок про зв’язок між струмом головного приводу транспортних шнеків і коефіцієнтом використання дифузійного потоку. Коефіцієнт використання дифузійного потоку залежить від числа Біо, тобто від гідродинамічного стану в екстракторі. Своєю чергою, при зміні стану соко-стружкової суміші буде змінюватись момент опору на транспортні шнеки екстрактора, що відповідно приведе до зміни струму головного приводу. Тобто, для досягнення максимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку нам необхідно дотримуватись якоїсь потрібної величини струму. Відслідковуючи зміну цієї величини, ми можемо судити про картину стану соко-стружкової суміші в екстракторі. Таким чином, ми маємо змогу забезпечити раціональну експлуатацію технологічного обладнання. Відповідно, перед нами постає завдання визначити це значення і забезпечити його стабільність. Дотримання такого значення, як показали наші дослідження, приводить до усталеної роботи екстрактора, що є однією з основних вимог, які висуваються до технологічного процесу екстракції цукру з буряка.

У третьому розділі проведена оцінка економічного критерію оптимальності і показано, що для забезпечення керування екстрактором похилого типу необхідно визначати з допустимої множини режимні параметри, які забезпечують максимум економічної ефективності на кінцевому інтервалі часу.

На даний час ця задача вирішується за допомогою цифрової системи керування на основі математичної моделі, яка отримана методом евристичної самоорганізації, що дає змогу отримати значення довжини стружки, співвідношення „вода – стружка”, часу дифундування, температур за зонами екстрактора, при яких FC max. Система керування відділення сокодобування на основі ЕОМ використовує ряд алгоритмів розв’язку задачі, які об’єднані в пакет алгоритмічних модулів (ПАМ). При створенні цих алгоритмів проводилось дослідження критерію оптимальності з метою визначення його залежності від керуючих впливів і характеру зміни критерію оптимальності при їх відхиленнях від оптимальних значень. Але в згаданій системі було зроблене припущення, що стан соко–стружкової суміші в екстракторі є оптимальним, що не завжди відповідає дійсності. Інформативним параметром, який визначає стан соко–стружкової суміші, як показали наші дослідження, можна прийняти струм головного приводу транспортних шнеків екстрактора. І тоді, проаналізувавши залежність величини струму головного приводу від стану соко–стружкової суміші, ми доповнюємо ПАМ ще одним модулем, алгоритм якого буде вирішувати задачу визначення і підтримання стану соко–стружкової суміші на належному рівні.

Для оцінки впливу струму головного приводу на величину втрат цукру в жомі при різних продуктивностях були зняті залежності, які зведені в таблиці 2.

За даними проведених досліджень побудований тривимірний графік (рис.2,а), на якому показані зони таких режимів роботи: 1 – режим коркування; 2 – робочий режим; 3 – режим вивантаження.

Таблиця 2

Залежність втрат цукру в жомі від струму головного приводу і продуктивності екстрактора

Струм головного

приводу, А

Продуктивність

екстрактора, % | 180 | 190 | 200 | 210 | 220

90 | 0,40 | 0,38 | 0,32 | 0,25 | 0,22

95 | 0,45 | 0,40 | 0,34 | 0,27 | 0,25

100 | 0,55 | 0,45 | 0,35 | 0,29 | 0,27

105 | 0,75 | 0,50 | 0,36 | 0,31 | 0,29

110 | 0,85 | 0,55 | 0,38 | 0,34 | 0,33

На рис.2,б показано залежності величини втрат цукру в жомі від струму головного приводу при різних продуктивностях. Аналізуючи дані залежності, можна виявити значення струму головного приводу, при яких величини втрат цукру в жомі для різних продуктивностей екстрактора практично не відрізняються одна від одної. В даному випадку цей діапазон струму знаходиться в межах від 195 А до 205 А. Це дає підстави зробити висновок про те, що за допомогою системи керування можна задати і утримувати постійним таке значення струму головного приводу, при якому втрати цукру в жомі для різних продуктивностей екстрактора є однакові, тобто екстрактор функціонує в заданому усталеному режимі, зрозуміло, – при постійності всіх інших технологічних параметрів.

а) б)

Рис.2. Залежність величини втрат цукру в жомі від струму головного приводу на при різних продуктивностях: а – тривимірний графік, б – двовимірний графік

Як видно з (1, 2), одним з основних параметрів, який впливає на величину втрат, є коефіцієнт використання дифузійного потоку. Він залежить від стану соко-стружкової суміші в екстракторі. Результати процесу екстрагування, такі як величина втрат цукру в жомі, доброякісність і концентрація дифузійного соку, якісні показники аналізуються в лабораторії і, відповідно до них, видаються рекомендації щодо зміни параметрів ведення технологічного процесу. Беручи до уваги той факт, що тривалість процесу екстракції становить 0 =130 хв., оперативне втручання в цей процес є неможливим.

Оскільки кожному режимові перероблення, залежно від продуктивності і якості сировини, відповідають різні значення частоти обертання транспортних шнеків , рівні соку на ситі Hc, струми головного приводу І, і технологічний процес може бути оптимальним, коли дотримується усталений режим, то, відповідно, частота обертання транспортних шнеків, рівні соку по довжині корита екстрактора і струм головного приводу повинні бути постійними, тобто:

; ; . (6)

Умові (6) відповідає декілька технологічних режимів, які будуть відрізнятися між собою станом соко-стружкової суміші в екстракторі (таблиця ).

Таблиця 3

Технологічні режими роботи екстрактора

1 | 2 | 3

І > Iопт | І=Iопт | І < Iопт

Hi Hопт | Ні = Hопт | Hi Hопт

мін | опт | макс

< опт | = опт | < опт

Для кожного із цих режимів ми будемо мати різні коефіцієнти використання дифузійного потоку. При більших від оптимального значеннях струмів, значення частоти обертання транспортних шнеків буде меншим, а отже, рівень соку на ситі не буде оптимальним. Це вказує на те, що рівень соку в головній частині екстрактора менший ніж у хвостовій (лінія 4 на рис.3). При менших від оптимального значеннях струмів значення частоти обертання транспортних шнеків буде більшим, і рівень соку на ситі теж не буде оптимальним. Це вказує на те, що рівень соку в головній частині екстрактора більший ніж у хвостовій (лінія 2 на рис.3). В обох випадках коефіцієнти використання дифузійного потоку будуть відмінні від оптимального, що призводить до зростання втрат цукру в жомі. Як видно з рис.3, технологічний процес буде оптимальним лише за умови рівномірного заповнення екстрактора (лінія 3 на рис.3), тобто коли рівень соку по всій довжині корита паралельний рівню стружки (лінія 1 на рис.3)

. (7)

Рис.3. Схема рівнів стружки і соку в екстракторі: 1- рівень стружки, 2,3,4- рівні соку

при різних станах соко-стружкової суміші | Таким чином, виконавши умови (6) і (7), ми отримаємо стабільне завантаження екстрактора по всій його довжині, а отже, і оптимальний коефіцієнт використання дифузійного потоку.

Технологічний процес екстракції цукру з буряка в екстракторах похилого типу вимагає дотримання їх безперервної роботи. Похилі

екстрактори працюють ефективно завдяки добрій узгодженості роботи попередніх і наступних станцій цукрового заводу та продуктивності не нижче 85-90% від номінальної. За допомогою методів імітаційного моделювання були проведені дослідження технологічного процесу на макрорівні – рівні взаємодії всього обладнання у технологічному потоці.

Рис.4. Залежність фактичної продуктивності ділянки технологічного процесу від ємності нагромаджувача для різних значень коефіцієнта стабільності потоку сировини | Як показують результати (рис.4) імітаційної моделі, навіть незначне впорядкування процесу надходження сировини – збільшення стабільності вхідного потоку, уможливлює досягнення розрахункової продуктивності ділянки за значно менших ємностей нагромаджувача.

Тому для забезпечення стабільності масових потоків через сокодобувне відділення обов’язковою є наявність нагромаджувачів буряка перед буряко-різками і дифузійного соку після екстрактора.

У четвертому розділі розроблено принципи керування технологічним процесом екстракції цукру з буряка шляхом прийняття рішень на основі теорії нечітких множин. Оскільки протікання процесу екстракції забезпечується типовою схемою автоматизації та оператора, що приймає рішення на підставі наближеної “інтегральної” оцінки стану соко-стружкової суміші в кориті екстрактора, то повністю автоматизувати процес екстракції цукру з буряка можна, якщо знайти спосіб формалізувати процедуру прийняття рішення оператором. У процесі тривалого спостереження за поведінкою оператора та її аналізу встановлено, що основними факторами, якими він керується у процесі прийняття рішення щодо керування роботою системи, є подача стружки буряка в екстрактор і струм головного приводу екстрактора. Керуючим впливом є величина напруги на привідних двигунах. Таким чином, для автоматизації процесу екстракції цукру з буряка необхідно враховувати набутий в процесі експлуатації екстракторів досвід операторів. Проте спосіб, який дає змогу прийняти правильне рішення тільки на основі досвіду оператора, не враховує всієї різноманітності показників і їх можливих значень у прийнятих межах. Тому можливість прийняття правильного рішення можуть забезпечити, на нашу думку, системи керування, побудовані на основі теорії нечітких множин.

Завданням оператора екстрактора є підтримання стану соко-стружкової суміші оптимальним, оскільки в результаті набігання похибок змінюється співвідношення мас екстрагенту і стружки буряка, а також їх розподіл в кориті екстрактора. Це досягається плавною зміною частоти обертання транспортних шнеків. Тому вхідними величинами фаззи-контролера будуть похибка регулювання струму І та швидкість її зміни (тобто перша похідна) І/t, а вихідною величиною є похідна від керуючого сигналу (тобто напруги завдання) U, причому як при зростанні похибки регулювання струму І, так і при зростанні її похідної І/t вихідна величина U зростає або принаймні залишається незмінною. Для забезпечення такого закону керування вибираємо фаззи-ПІ-регулятор. Тобто використовується структура, в якій до класичної системи керування додається зворотний коригуючий зв’язок фаззи-корекції за технологічним параметром, станом соко-стружкової суміші. При відхиленні величини струму від заданої, вихідною величиною фаззи-контролера буде зміна напруги завдання, що подається на регулятор швидкості. Контур регулювання містить фаззи-контролер, що включений у зворотний зв’язок за струмом головного приводу. Вхідною величиною фаззи-контролера буде похибка завдання струму і похідна від неї, на виході фаззи-контролер утворює коригувальний сигнал, що складається із сигналом завдання на вході класичного регулятора.

Для реалізації нечіткого ПІ-регулятора нами вибрана структура регулятора Мамдамі, тобто: якщо І є А і І/t є В, тоді U є С. При проектуванні бази правил фаззи-контролера використовувався підхід, який базується на шаблонній (стандартній) базі правил, в нашому випадку база правил Mac Vicarа-Whelanа.

Зміст оригінальної бази правил виражається такими трьома визначеннями, які в нашому випадку мають вигляд:

1.Якщо відхилення струму і похідна цього відхилення дорівнюють нулеві, то потрібно підтримувати діюче значення відхилення напруги завдання.

2.Якщо відхилення струму прямує до нуля достатньо швидко, то потрібно підтримувати діюче значення відхилення напруги завдання.

3.Якщо відхилення струму має якусь величину і вона не змінюється, то відхилення напруги завдання не нульове і залежить від знаку і величини відхилення струму та її похідної.

Для того, щоби система могла обробляти ці правила, ми задали функції приналежності трикутної форми для нечітких підмножин, визначених на значеннях величини відхилення струму головного приводу, першої похідної цієї величини і величини відхилення напруги завдання. Але досвід експлуатації екстракторів похилого типу, показує що при заході транспортних шнеків в соко-стружкову суміш, струм головного приводу перебуває в межах [-0.01Ізад, 0.01 Ізад]. На ці зміни нема потреби реагувати, тому для цієї зони нами вибрана функція приналежності трапецієподібної форми. Це дає змогу враховувати зону нечутливості для величини відхилення струму і її похідної.

Рис.5. Поверхня зміни сигналу керування |

У синтезованому регу-ляторі використано імплікацію типу мінімум, а агрегацію типу максимум. Для усунення нечіткості застосовано дефа-ззифікацію за методом центроїд. Поверхня зміни сигналу керування показана на рис.5.

В результаті застосування нечіткого регулятора для корекції керуючого впливу в системі переміщення шнеків екстрактора отримано:–

раціональне завантаження екстрактора і, як наслідок, покращення якісних показників дифузійного соку;–

підвищення швидкодії системи і покращення її динамічних характеристик;–

зменшення дисперсій струму та напруги живлення двигунів головного приводу екстрактора.

Система з фаззи-регулятором на відміну від системи з класичним ПІ-регулятором є нечутливою до зміни параметрів об’єкта в процесі роботи.

У п’ятому розділі розроблено алгоритм знаходження оптимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку. Виходячи з технологічного критерію оптимальності (6,7), ми маємо змогу з допомогою цього алгоритму оперативно знаходити оптимальне значення коефіцієнта використання дифузійного потоку на основі величини струму головного привода. Оскільки існує три типи технологічного режиму роботи екстрактора, то основною функцією, яку виконує даний алгоритм (рис. 6), є ідентифікація типу режиму та корекція струму головного приводу в бік наближення до оптимального режиму.

Рис.6. Блок-схема алгоритму | Алгоритм працює таким чином. Спочатку за допомогою давачів швидкості, рівня соку та струму отримуються поточні значення відповідних координат. Далі у порядку зменшення сталих часу контурів відповідних координат перевіряються умови (6), які визначають усталений режим роботи екстрактора. Якщо одна з цих умов не виконується, то ми повинні отримати такі значення координат, оскільки перехідний процес в апараті не закінчився. При наявності усталеного режиму потрібно перевірити ще одну додаткову умову (7). Результати перевірки цієї умови будуть визначати подальші дії щодо корекції завдання уставки струму. Якщо умова (7) не виконується, то відповідно до співвідношення рівнів

соку і стружки ми повинні змінювати завдання за струмом у той чи інший бік. Після зміни завдання уставки струму ми повертаємось на початок алгоритму, де отримуємо нові значення координат. Даний алгоритм буде виконуватись доти, поки не буде підібране таке значення завдання уставки струму, при якому рівень соку по всій довжині корита екстрактора буде паралельним рівню стружки, що відповідає оптимальному коефіцієнту використання дифузійного потоку.

Запропоновано два підходи до побудови систем автоматичного керування станом соко-стружкової суміші в екстракторі. В першому – запропонована структура регулятора, що формує коригуючий вплив при відхиленні від заданого режимного параметра. Другий підхід базується на теорії нечітких множин і створена система керування на основі технологічних параметрів формує сигнал уставки режимного параметра, а також забезпечує реалізацію відповідного коригуючого впливу навіть при зміні параметрів системи.

Враховуючи простоту запропонованого в першому підході регулятора та відсутність внесення змін в існуючу структуру нами пропонується даний підхід використовувати при модернізації систем автоматичного керування процесом екстракції цукру з буряка. У цьому регуляторі до існуючої двоконтурної двократноінтегруючої системи регулювання швидкості додається контур корекції швидкості, який працює у функції відхилень струму привідних двигунів транспортних шнеків, що з'являються внаслідок технологічних порушень режиму, зумовлених набіганням похибок.

Функціональна схема такого регулятора, який працює за згаданим принципом, наведена на рис.7.

Рис.7. Функціональна схема регулятора стану соко-стружкової суміші | де: PШ – регулятор швидкості; PI – регулятор струму ; ТП – силовий тиристорний перетворювач; М1, М2 – електромотори транспортних шнеків; Rвх – вхідний опір задавача частоти обертання; Rк – вхідний опір коректора; Rзу – задавач уставки струму; Rу – вхідний опір задавача уставки струму; V1. V2 – порогові елементи; Д – імпульсний діод; Ак – операційний підсилювач коректора; Vк – контрольний вольтметр коректора; К – ключ вмикання коректора.

Блок схема автоматичної системи для визначення і підтримання опти-мального коефіцієнта використання дифузійного потоку представлена на рис.8.

Рис.8. Блок-схема автоматичної системи | Відомо, що уставка значення величини струму головного приводу змінюється в процесі роботи залежно від якісних показників сировини та інших режимних параметрів і тому для забезпечення оптимального протікання технологічного процесу необхідним є передбачення можливості адаптації системи керування до цих

змін. В існуючих системах, а також в системі керування, яку пропонується застосовувати при модернізації діючих екстракторів можливість такої адаптації не передбачена. Проте при побудові інтелектуальних систем керування забезпечення відповідної зміни згаданого режимного параметру не створює труднощів. Ядром такої інтелектуальної системи є сформована база правил, що на основі наявної інформації про стан процесу та набутих під час експлуатації екстрактора знань формує оптимальну уставку значення величини струму головного приводу. Окрім цього, в таких системах досить легко формуються і регулятори, що адаптуються до змін параметрів об’єкта. Структура такого регулятора для формування коригуючого впливу розглянута нами в четвертому розділі.

Таким чином, завдяки даному підходу забезпечується формування оптимальних для даних якісних характеристик сировини режимів роботи екстрактора і є нечутливою до параметричних збурень в керованому об’єкті. Враховуючи значно вищі матеріальні затрати порівняно з першим із запропонованих способів побудови системи керування нами даний підхід пропонується використовувати при побудові новостворюваних автоматичних систем керування процесом екстракції цукру з буряка, оскільки забезпечується не тільки керування окремим електроприводом екстрактора, але і формування відповідних керуючих впливів для забезпечення оптимального функціонування сокодобувного відділення.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені результати виконаних досліджень та нові науково-обгрунтовані положення, які у сукупності вирішують важливу прикладну задачу створення системи керування процесом екстракції для покращення техніко-економічних показників функціонування екстракторів, що широко використовуються у цукровій промисловості.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дають змогу зробити наступні висновки:

1. У результаті системного аналізу процесу екстракції цукру з буряка та експериментальних досліджень встановлено, що струм головного приводу суттєво впливає на якісні показники технологічного процесу. Таким чином, на основі взаємозв’язку між струмом головного приводу і коефіцієнтом використання дифузійного потоку, запропоновано спосіб ідентифікації стану соко-стружкової суміші, який дає змогу оцінити характер переміщення стружки буряка і екстрагента в екстракторі.

2. Внаслідок поділу екстрактора на три частини залежно від процесів, які там відбуваються, і аналізу цукрового балансу для стружки буряка в радіальному й осьовому напрямках, удосконалено математичну модель процесу екстракції для визначення концентрації цукру в стружці буряка і дифузійному соці в будь-якій точці екстрактора.

3. Для забезпечення ритмічності виробництва цукру і неперервності масових потоків на основі теорії автоматичних ліній створено імітаційну модель для дослідження впливу об’єму нагромаджувачів на продуктивність дільниці сокодобування та ефективності її функціонування.

4. Розроблений на основі сформульованого технологічного критерію алгоритм знаходження оптимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку дає змогу утримувати необхідний з вимог ведення технологічного процесу гідродинамічний стан соко-стружкової суміші по всій довжині корита екстрактора.

5. Використання в системі керування екстрактором fuzzy-logic регулятора, робота якого базується на принципах теорії нечітких множин, і який функціонує в режимі порадника оператора сокодобувного відділення дозволяє. повністю автоматизувати процес екстракції цукру з буряка.

6. Для покращення техніко-економічних показників процесу екстракції цукру з буряка запропоновано модернізувати існуючі системи автоматичного керування шляхом введення додаткового контуру з регулятором стану соко-стружкової суміші.

7. Промислові випробування системи автоматичного керування процесом екстракції цукру з регулятором стану соко-стружкової суміші на Радехівському і Горохівському цукрових заводах показали, що її впровадження дає змогу покращити якісні показники дифузійного соку, раціональніше використовувати технологічне обладнання, збільшити продуктивність екстрактора на 5-10%.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Головач І.Р. Величина струму привода дифузійного апарата похилого типу – параметр процесу. “Цукор України”, 2002, № 6. –с.10-11.

2. Головач І.Р. Про деякі аспекти управління і контролю процесу дифундування соку в дифузійних апаратах. //Вестник НТУ "Харьковский политехнический институт" "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.", 1999, №61. –с.361-362.

3. Головач І.Р. Структура системи автоматизації дифузійного відділення цукрового заводу. Специальный выпуск по материалам НТК, Крым, Алушта 21-26 сентября 1998. с.196-197.

4. Головач І.Р., Лозинський А.О. Принципи керування контуром якості в процесі екстракції. //Вестник НТУ "Харьковский политехнический институт" "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.", 2000, №113 –с.367-368.

5. Головач І.Р., Маляр А.В. Алгоритм визначення оптимального значення коефіцієнта використання дифузійного потоку. //Вестник НТУ "Харьковский политехнический институт" "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика.", 2002, №12. –Том 1. –с.289-290.

6. Головач І.Р., Мисик М.М., Курка Р.Р. Застосування дискретної імітаційної моделі для оцінки ефективності функціонування сокодобувної дільниці цукрового заводу. // Науковий вісник: Збірник науково-технічних праць. – Львів: УкрДЛТУ. – 2002.-Випуск 12.8 –с.319-324.

7. Лозинський О.Ю., Головач І.Р. Регулятор стану соко-стружкової суміші в дифузійному апараті. –Вісник Національного університету "Львівська політехніка" Енергетичні та електромеханічні системи. 2001, №418, с. 99-102.

АНОТАЦІЯ

Головач І.Р. Аналіз інформативних параметрів і розробка автоматичної системи керування процесом екстракції Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07-автоматизація технологічних процесів. Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2004.

Дисертація присвячена створенню нових та вдосконаленню існуючих систем автоматичного керування процесом екстракції цукру з буряка, які дають змогу оперативно адаптувати керуючі впливи до реальних умов експлуатації за вибраним критерієм оптимізації.

У дисертації запропоновано два підходи до побудови систем автоматичного керування станом соко-стружкової суміші в екстракторі на основі технологічного критерію оптимальності. В першому – запропонована структура регулятора, що формує