Оптимизация и автоматизация тепломассообменных технологических процессов конвективной сушки промышленных изделий

Автоматическое управление тепломассообменными процессами, распространенными в химической, лесной и других отраслях промышленности, в производстве строительных материалов и сельскохозяйственной продукции, производится с целью достижения оптимального соотношения между интенсификацией процессов, повышающей производительность труда и снижающей энергетические, сырьевые и трудовые затраты, с одной стороны, и обеспечением требуемого качества продукции с другой стороны. Т. е. к управлению тепломассообменными процессами предъявляются конфликтующие требования. В области автоматизации тепломассообменных процессов пройден путь от применения отдельных средств контроля и регулирования до создания типовых систем автоматического регулирования и внедрения автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами. Однако выпускаемые промышленностью системы дистанционного контроля, стабилизации и программного регулирования внедрены не на всех предприятиях, где ведутся процессы тепловой обработки. Опыт эксплуатации этих систем в производственных условиях показывает, что они не всегда удовлетворяют требованиям надежности, долговечности, точности и стоимости. Недостаточно разработаны АСУ конвективной сушкой в периодических тепловых установках, имеющиеся системы управления сложны, дороги и экономически неэффективны для использования при небольших объемах производства. Низкую степень применения имеют оптимальные и адаптивные системы, которые по сравнению с обычными АСУ имеют преимущества именно в управлении сложными процессами, какими являются тепломассообменные процессы. Поэтому, несмотря на достаточно полную разработанность теории тепломассообмена, практическая реализация систем управления опирается на результаты громоздких лабораторных исследований свойств обрабатываемых материалов с последующим применением их к реальным условиям, что усложняет возможности перестройки систем управления при изменении входных параметров. Кроме этого, современные АСУ тепломассообменными процессами основаны, как правило, на контроле и регулировании параметров теплоносителя, легче поддающихся измерениям, а не обрабатываемого материала. Существуют проблемы измерения температуры и влагосодержания изделий во время обработки — главных показателей качества продукции.

Для управления тепломассообменом в конвективных сушильных установках малой и средней производительности и периодического действия достаточно разработать простые и дешевые по сравнению с существующими квазиоптимальные системы, на основе непрерывного контроля состояния материала обеспечивающие повышение качества изделий без дополнительных энергетических затрат. Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой «Энергосбережение России на 1998 — 2005 годы» .

В связи с актуальностью проблем ставится цель данной работы: построение квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой промышленных изделий для повышения их качества, основанной на применении функционала, адаптивно учитывающего состояние материала при обработке. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1) разработка критерия оптимизации и математических моделей тепломассообменных процессов конвективной сушки для повышения качества продукции;

2) синтез квазиоптимальной системы управления конвективной сушкой на основе функционала, содержащего параметры материала и теплоносителя, с адаптацией к изменениям входных параметров;

3) оптимизация схемы измерения температуры для получения непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя с косвенной оценкой влажности материала — главного показателя качества продукции и с применением новых измерителей температуры;

4) оценка достоверности результатов исследования с помощью экспериментов и оценка эффективности разработанной системы управления процессом сушки.

При решении поставленных задач используются следующие методы исследования: теория тепломассообмена, преобразования Лапласа, теория дифференциальных уравнений, классический метод вариационного исчисления, теория цепей, математическая статистика.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации в виде равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала;

— разработаны математические модели процессов конвективной сушки в периодических тепловых установках и квазиоптимальная система управления с элементами адаптации;

— разработан метод непрерывной оценки качества продукции во время обработки;

— разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, применимые в тепломассообменных процессах в качестве измерителей температуры.

Практическая ценность результатов работы:

— разработан регулятор для управления процессом конвективной сушки изделий с повышением качества продукции, прошедший испытания в лабораторных условиях на кафедре гидромеханики и теплотехники Оренбургского государственного университета и в промышленных условиях на Оренбургском кирпичном заводе АО «Оренбургзаводстрой» ;

— разработана схема непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала;

— разработаны тепловые приемники излучения, применяемые для измерения параметров лазерного излучения и пригодные для измерения температуры.

Результаты работы использованы при оптимизации процесса сушки кирпича на Оренбургском кирпичном заводе АО «Оренбургзаводстрой». Разработанные тепловые приемники излучения применяются для измерения энергетических параметров лазерного излучения в НПО «ВНИИФТРИ» (г. Москва). Результаты исследований включены в методические разработки курса «Теплотехника и теплотехническое оборудование» в Оренбургском государственном университете, а также внедрены в учебный процесс кафедры гидродинамики и теплотехники ОГУ в виде лабораторной установки по изучению процессов сушки.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов (г. Оренбург, 1989, 1995, 1996, 1998 гг.), на XV научно-технической конференции Оренбургского политехнического института (г. Оренбург, 1993 г.), на первой научно-технической конференции РУО АИН РФ «Наука и инженерное творчество — 21 веку «(г. Екатеринбург, 1995 г.), на международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века» (г. Оренбург, 1998 г.), на региональной научно-практической конференции «Современные технологии в энергетике, электронике и информатике» (г. Оренбург, 1998 г.), в отчете по НИР №гос.per. 1 850 063 847 (1988г.).

На защиту выносятся следующие положения:

1) критерий оптимальности управления процессом сушки в виде функционала, связанного с равенством температур поверхности материала и теплоносителя по мокрому термометру, позволяющий вести процесс сушки в период нагрева с максимальной интенсивностью при обеспечении требуемого качества изделий;

2) метод непрерывной оценки качества обрабатываемого материала на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала, позволяющий проводить контроль качества продукции во время обработки;

3) математическая модель процесса конвективной сушки, учитывающая результаты непрерывных измерений параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки;

4) структура квазиоптимальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке с элементами адаптации, включающей измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган;

5) тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, пригодные для измерения температуры в специфических условиях протекания тепломассообменных процессов.

Достоверность защищаемых научных положений подтверждается результатами лабораторных и промышленных испытаний разработанной системы управления процессом сушки в ОГУ и на Оренбургском кирпичном заводе АО «Оренбургзаводстрой», тепловых приемников излучения — в ОГУ и НПО «ВНИИФТРИ» .

Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 158 страницах, содержит 32 рисунка, 7 таблиц, 7 приложений.

Список литературы

включает 135 наименований, в т. ч. 14 опубликованных по теме диссертации работ автора, из которых б проделаны в соавторстве. По результатам работы над тепловыми приемниками излучения, рекомендуемыми автором для применения в АСУ в качестве измерителей температуры, получены два авторских свидетельства.

4.2 Результаты исследования эффективности системы управления.

С целью оценки эффективности системы квазиоптимального автоматического управления сушкой проводится анализ звеньев системы, оцениваются показатели устойчивости, качества, точности, надежности и долговечности системы управления /132−133/.

Структурная схема квазиоптимального регулирования процесса сушки, составленная для экспериментальной установки, приведена на рисунке 4.5. Объект регулирования, включающий два параллель.

Рисунок 4.5 — Структурная схема квазиоптимального регулирования процесса сушки ных звена, каждое из которых содержит последовательно соединенные устойчивое апериодическое и усилительное звенья, имеет передаточную функцию п.. koi k02 ,. 1 .

Wi s = —- + —, 4.1.

Tis + 1 T2s + 1 где коэффициенты усиления:

Ьх + Ь2 ко1 = ког = ац — а21 Ь1 + Ь2.

— ах2 — а22 постоянные времени: 1.

Тх = - ;

— ац — а21 1.

Т2 =.

— ахг — а22.

Система регулирования включает три измерителя температурбезынерционные звеньярегулятор, состоящий из сумматора с передаточной функцией ДО2(Б)=к1, операционного масштабного усилителя (б) =к2, дифференциального усилителя ДО4(з)=кд, интегрирующего усилителя ДО5(з)=кд/з и тиристорного регулятора напряжения Регулирующий орган — устойчивое апериодическое звено с передаточной функцией ^.

На рисунке 4.6 представлены преобразованные структурные схемы: 4.6,а — после переноса линии связи за звено и объединения последовательных звеньев- 4.6,6 — после объединения контура с жесткой обратной связью- 4.6,в — после объединения последовательных звеньев- 4.6,г — после объединения контура с положительной гибкой обратной связью. Таким образом, передаточная функция системы автоматического регулирования в разомкнутом состоянии имеет вид й 8 : — • 4.2 у ' 1 — - щщ).

С учетом передаточных функций звеньев автоматической системы уравнение (4.2) можно переписать к01 к02 кх — + и (8)=-'Т-Б +1, Т2+1 -—с—(4.з).

1 — ^ к2-к1 ко1 + к°2 э (Тэ + 1> Т1Э + 1 Т2Б + 1 а) б) в) г).

ШШ.

1 — т^Мб^ (юз — тт).

Рисунок 4.6 — Преобразованные структурные схемы квазиоптимального регулирования процесса сушки.

После подстановки значений коэффициентов усиления и постоянных времени уравнение (4.3) примет вид.

8,6 4,32.

— +.

1155б + 1 580э + 1.

8,6.

4,32.

4.4) э (500Б + 1) 1155э + 1 580э + 1.

Из уравнения (4.4) видно, что АСУ состоит только из устойчивых звеньев. Постоянные времени звеньев системы имеют высокие значения, характерные для тепловых объектов со значительной инерционностью. По ходу кривых сушки, приведенных на рисунках 4.1−4.3, для периода нагрева, когда функционирует квазиоптимальная система управления, видно, что при монотонном изменении входного параметра — температуры теплоносителя также монотонно изменяются температуры теплоносителя на выходе и по мокрому термометру, поверхности и центра материала. Это свидетельствует об устойчивости АСУ по отношению к изменениям входного сигнала. Также наблюдается устойчивость к другим возмущающим воздействиям — ход температур по трем проведенным экспериментам несколько различается, однако во всех случаях нет значительных отклонений выходных параметров. В связи с инерционностью объекта управления устойчивость является достаточным условием работоспособности АСУ, поэтому нет необходимости в определении времени затухания переходных процессов, максимального отклонения регулируемых величин и других показателей качества АСУ. Экспериментальные кривые, полученные при автоматическом регулировании процесса сушки в период нагрева (рисунки 4.1−4.3), отличаются от расчетных кривых не более, чем на 2,36% для входной температуры теплоносителя, на 2,5% для его выходной температуры и не более, чем на 3,5% для поверхности материала. Максимальное расхождение по времени между теоретическими и экспериментальными кривыми для периода нагрева составляет 3,14%. Эти данные говорят о высокой точности функционирования системы управления.

Три проведенных сушильных процесса с автоматическим управлением из-за малого количества испытаний не дают возможности оценки надежности и долговечности созданной системы по результатам исследований. Однако большая продолжительность каждого испытания (около 25 часов) при отсутствии отказов и неисправностей в работе системы управления позволяет сделать вывод о достаточной надежности. Как известно, эффективная надежность сложных систем зависит от надежности устройств, входящих в систему. В экспериментальной установке наименьшей надежностью обладают электронагреватель и тиристор с блоком управления. В промышленных условиях сушильные процессы производятся в основном без применения электронагрева для подготовки теплоносителя и исполнительным механизмом, как правило, является механическое устройство, изменяющее расход природного газа, воздуха или готового теплоносителя, обдающее высокой надежностью. Термопары, а также предлагаемые автором приемники излучения находятся внутри сушильного пространства и подвергаются воздействию тепловой энергии теплоносителя, однако при относительно невысоких температурах, применяемых при сушке, эти датчики имеют длительный срок безотказной работы, а для обнаружения их неисправности и замены требуется всего несколько минут, что при общей длительности процесса сушки не влияет на результат.

Таким образом, на основе оценки основных показателей эффективности, таких, как устойчивость, качество, точность и надежность, можно сделать вывод о достаточно высокой эффективности созданной системы квазиоптимального автоматического управления сушкой.

4.3 Результаты исследований тепловых приемников излучения.

По приведенной выше методике в лабораториях кафедры ГМТ ОГУ и в НПО «ВНИИФТРИ» проведены исследования характеристик разработанных тепловых приемников излучения. Технология изготовления приемников, их конструкции, принцип работы подробно описаны автором в опубликованных трудах /90−99/.

Результаты исследований характеристик 8 образцов разработанных приемников, конструкции которых описаны в (2.4), при воздействии лазерного излучения приведены в таблице 1. Чувствительность и инерционность исследованных приемников излучения находятся в пределах, характерных для применяемых в настоящее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведены анализ современного состояния автоматизации управления тепломассообменными процессами, теоретические и экспериментальные исследования закономерностей построения квазиоптимальных систем управления процессами сушки с применением новых измерителей температуры.

Поставлена и проверена гипотеза о целесообразности квазиоптимального управления процессом сушки в период нагрева для повышения качества изделий на основе критерия оптимизации в виде функционала на основе равенства средних температур сушильного агента по мокрому термометру и поверхности материала. Установлено, что интенсификация тепломассообменных процессов при применении метода квазиоптимального подъема температуры изделий с повышением прочности за счет ослабления напряженного состояния материала с учетом непрерывной информации о состоянии материала и теплоносителя на основе измерений температур теплоносителя на входе и выходе и поверхности материала повышает качество продукции.

Для решения задачи оптимизации составлена математическая модель оптимизированного процесса сушки, основанная на непрерывном измерении параметров состояния теплоносителя и материала, дающая возможность построения квазиоптимальной системы управления процессом сушки с повышением качества продукции и разработана оптимизированная схема измерения параметров материала и теплоносителя. Задача синтеза квазиоптимального управления в классе устойчивых систем решена классическим методом вариационного исчисления, установлен порядок расчета оптимальных режимов тепловой обработки, квазиоптимальное управление в функции времени имеет экспоненциальный вид, свидетельствующий о замедленном темпе нагрева изделий в начальный период.

Получена структура квазиоптимальной системы управления процессом конвективной сушки в периодической тепловой установке, система включает измерители входной и выходной температуры теплоносителя и поверхности материала, сумматор, усилители и регулирующий орган, и на основе прямых измерений параметров материала и теплоносителя адаптивно управляет ходом процесса без применения задатчика. Разработаны тепловые приемники излучения на основе оксидов меди, результаты анализа возможности применения которых для измерения температуры позволяют рекомендовать их к использованию в специфических условиях протекания тепло-массообменных процессов.

Экспериментальные исследования подтвердили повышение качества продукции, эффективность квазиоптимальной АСУ процессом сушки и конкурентоспособность разработанных тепловых приемников излучения. Результаты экспериментов по исследованию квазиоптимальной системы управления сушкой свидетельствуют о повышении качества продукции при незначительном увеличении срока сушки и расхода электроэнергии. Подтверждается правильность выбора критерия оптимальности при построении системы управления. Оптимизированные режимы сушки, полученные при экспериментах на модели периодической сушильной установки, можно использовать также при сушке в непрерывных установках. Срок сушки и энергопотребление при квазиоптимальной сушке можно сократить при подаче сушильного агента с максимальной температурой по сухому термометру, повышенной по сравнению с сушкой без оптимизации. На основе оценочного исследования устойчивости, качества, точности и надежности сделан вывод о достаточно высокой эффективноети системы квазиоптимального автоматического управления сушкой. Результаты экспериментов по исследованию характеристик тепловых приемников излучения дают основания рекомендовать их к применению для измерения температуры при достаточных значениях их чувствительности и инерционности, при простоте, дешевизне, долговечности и удобстве при эксплуатации.

Разработанная АСУ является, во-первых, квазиоптимальной системой в смысле максимального приближения значений температур поверхности материала и сушильного агента по мокрому термометру, во-вторых, системой, имеющей признаки адаптации к изменениям значений входных параметров и возмущений, при этом законы изменения во времени обеих температур заранее не заданы, температура поверхности материала измеряется непрерывно прямым методом, средняя температура сушильного агента по мокрому термометру рассчитывается по результатам косвенных измерений. Предлагаемый способ квазиоптимального управления позволяет избежать сильной зависимости качества управления от сложных предварительных лабораторных исследований теплофизических свойств материалов и от колебаний значений входных параметров и возмущающих воздействий.

Реализация результатов исследований достигнута через внедрение оптимизированного режима сушки кирпича в производственный процесс на Оренбургском кирпичном заводе АО «Оренбургзаводст-рой», разработанных приемников для измерений параметров лазерного излучения — в НПО «ВНИИФТРИ» (г. Москва). Результаты исследований рекомендуются к использованию в химической, лесной, пищевой и других отраслях промышленности, в строительной индустрии и сельском хозяйстве при автоматизации процессов, связанных с тепломассообменом.