Автоматизированный контроль тепловых нагрузок высокотемпературных производственных процессов

В современных условиях быстро растущего производства особое внимание уделяют активно развивающимся методам и средствам контроля производственных процессов.

Наиболее актуальными являются решения задач управления технологическими процессами, происходящими в тяжелых промышленных условиях. К таким производствам следует отнести: радиационно опасные производства, химически опасные производства, производства применяющие опасные транспортные средства и опасные технически сооружения, производства при высоких и сверхвысоких температурах [1, 2]. К последним относятся практически все направления в металлургии, производственные процессы, использующие обжиговые технологии (производства кирпича и керамических изделий), процессы производства пластмасс и полиэтилена высокого давления и др. [3,4].

В данном случае температура производственного процесса и ее распределение по технологической полости является одним из основных факторов, влияющих на получения конечных изделий. Например, в полости обжиговой печи, пресс-формы, ванне электролизера и т. д. Необходимо получить трехмерное распределение температуры в означенном объеме, которое служит основанием для контроля температурного поля данного процесса.

Вопросам решения задачи распределения температурных полей посвящены работы Быкова В. И., Шайдурова Г. Я., Громыко А. И., Шокина Ю. И., Добронца Б. С., Злобина B.C., Lovell M.R., Dutta S., Morehouse J. H., Zhaowen Wang, Guanghua Chen, Wenju Tao и др. Тем не менее, известные работы не содержат готовых методик аппаратного восстановления температурного поля при высоких и сверхвысоких температурах в тяжелых промышленных условиях, позволяющих выполнить построение трехмерной модели температурного поля, на основании которой осуществляется контроль распределения температуры по технологической полости.

Результатом решения данной задачи является в первую очередь повышение качества изделий и сплавов, уменьшение процента брака, увеличение срока службы и отказоустойчивости оборудования, а так же возможность перехода на качественно новый уровень производства. Например, получение алюминия высокой чистоты, выплавка новых сплавов, разработка новых технологий обжига, что ведет к расширению ассортимента и повышению качества выпускаемой продукции.

Перечисленные факторы определяют актуальность разработки, как методов, так и новых средств (вычислительных систем) контроля высокотемпературных производственных процессов, основанных на моделировании трехмерного распределения температурных полей в рабочей зоне. Решение данной задачи в области высоких температур не является единственным приложением и может применяться в более низком температурном диапазоне.

Целью данной работы является разработка метода и аппаратно-программного комплекса (АПК) контроля тепловых нагрузок, при высокотемпературных производственных процессах, с целью повышения качества выпускаемой продукции, увеличения срока службы и отказоустойчивости оборудования в широком спектре применений.

Объект исследования — приборы и методы контроля температурных характеристик технологического оборудования, используемого для получения изделий и материалов при высоких и сверхвысоких температурах, в сложных промышленных условиях.

Предмет исследования — точностные характеристики приборов и методов контроля температурных полей технологического оборудования высокотемпературных производственных процессов.

Задачи исследования:

1. Выполнить анализ технических особенностей аппаратуры, современных методов и способов автоматизированного контроля температурных полей и факторов влияющих на повышение качества выпускаемой продукции, надежность и эффективность технологического оборудования.

2. Разработать метод восстановления температурного поля в трехмерной системе координат, зависимый по времени, увеличивающий точность и оперативность получаемой информации о состоянии распределения температуры в замкнутом пространстве технологической полости.

3. Разработать алгоритмы программной фильтрации и обработки информативных сигналов, а так же программы представления трехмерной визуализированной модели температурного поля на основании предложенного метода.

4. Разработать АПК для получения данных о температуре в заданных точках объекта, их обработки и анализа, построения визуализированной трехмерной модели температурного поля, провести его испытание в лабораторных и промышленных условиях, а так же выполнить экспериментальное внедрение АПК на производство.

Методы исследования. Поставленные задачи решены современными методами вычислительной математики с использованием методов аппроксимации функций, теории тепловых полей, математической статистики, методов электротехники и теплотехники. При разработке программного обеспечения и прикладных библиотек использовались средства САПР и языки Lab VIEW, С# и AVR Assembler.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Аппаратно-программный комплекс сбора данных, моделирования и контроля температурных полей.

2. Алгоритмы и программы обработки информативных сигналов, позволяющие выполнить программную фильтрацию исходных данных и построить изображение температурного поля для контроля распределения температуры в технологической полости.

3. Способ расположения температурных датчиков, основанный на решении комплекса предложенных уравнений, позволяющий повысить точность получаемой информации о распределении температурного поля.

4. Метод контроля температурного поля, основанный на предложенных базисных функциях, позволяющий, с высокой точностью, определить значение температуры в любой точке исследуемого пространства.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложен алгоритм обработки информативных сигналов, позволяющий снизить уровень помех в исходных данных и в результате получить более точную и достоверную информацию о распределении температурного поля.

2. Предложен набор базисных функций метода наименьших квадратов для восстановления температурного поля, основанный на использовании как полиномиальных, так и экспоненциальных зависимостей, позволяющий определить количество и способ расположения температурных датчиков в технологической полости с целью повышения точности и оперативности получаемой информации о распределении температурного поля.

3. Предложен метод контроля тепловых нагрузок, основанный на предложенных алгоритмах фильтрации сигнала и способе расположения датчиков в исследуемом пространстве позволяющий осуществить мониторинг распределения температуры в технологической полости.

Значения для теории. Исследован метод восстановления температурного поля, учитывающий распределение температуры в трехмерном пространстве и зависимый по времени. Оценена погрешность данного метода.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработана аппаратура комплекса сбора данных, моделирования и контроля температурных полей для использования в тяжелых промышленных условиях при высоких и сверхвысоких температурах.

2. Разработан программный комплекс «Программа автоматизированного контроля тепловых нагрузок высокотемпературных производственных процессов».

3. Разработано программное обеспечение и библиотеки низкого уровня для микропроцессорной аппаратуры управления комплексом.

4. Разработан и внедрен в учебный процесс ИКИТ СФУ учебный комплекс дисциплины «Проектирование систем автоматизации технологических процессов» в том числе учебные пособия, лекционный и практический материал, а так же новое лабораторное оборудование, используемые студентами, аспирантами и специалистами в области температурного анализа.

Достоверность полученных результатов, защищенная приоритетом авторских публикаций, подтверждается удовлетворительным совпадением результатов, полученных с помощью разработанного АПК, с данными, полученными при использовании промышленного калиброванного сертифицированного термометра, при лабораторных и промышленных испытаниях АПК с различными материалами и способами нагрева.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. III Всероссийская научно-техническая конференция «Молодежь и наука: начало XXI века», (г. Красноярск, 2007 г.).

2. XXVII Российская школа, (г. Екатеринбург, 2007 г.).

3. VI Международная научно-техническая конференция «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», (г. Курск, 2008 г.).

4. XII Международная научно-практическая конференция «Современные технологии в машиностроении», (г. Пенза, 2008 г.).

5. VII Всероссийская научно-практическая конференция «Молодежь и современные информационные технологии», (г.Томск, 2009 г.).

Использование результатов работы. Результаты исследований диссертационной работы используются для получения данных о состоянии распределения температурного поля в алюминиевых слитках, полученных методом непрерывного литья на металлургическом производстве ООО «Красноярский Металлургический Завод».

Результаты работы использовались при моделировании и измерении параметров обжига, пуска и послепускового периода алюминиевого электролизера для разработки схемы установки термопар в футеровке катодного устройства электролизера и измерения его температурного поля на ОАО «РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод».

Результаты работы используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный Университет» для обучения студентов специальности 230 100 «Вычислительная техника» и используются при чтении лекций, проведении практических занятий, выполнении курсовых работ и дипломных проектов. Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Публикации. По результатам проведенных исследований и выполненных работ опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 работы из списка изданий, рекомендованных ВАК. Материалы диссертационной работы использовались при подготовке 3-х опубликованных учебных пособий.

Осуществлена регистрация программного обеспечения АПК в реестре программ для ЭВМ Российской федерации (свидетельство о регистрации № 2 009 617 139 от 24.12.2009).

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, выполнена на 150 страницах, содержит 81 рисунок, 12 таблиц, список используемых источников из 75 наименований и приложений.

7. Результаты работы использовались при моделировании и измерении параметров периода обжига и пуска алюминиевого электролизера ЗАО «Красноярский алюминиевый завод».

8. Результаты проведенных научных исследований и разработок внедрены и активно применяются в учебном процессе ИКИТ СФУ.

Полученные результаты подтверждают правильность выбранных направлений научных исследований, адекватность разработанного метода контроля температурных полей и алгоритмов обработки информативных сигналов, полную работоспособность и промышленную пригодность разработанной аппаратуры. Таким образом, можно с уверенностью констатировать факт о достижении поставленной цели данной работы.