Совершенствование процесса сушки бумаги на бумагоделательной машине с использованием имитационного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.03, кандидат технических наук Гринченко, Илья Александрович

• Гринченко, Илья Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гринченко, Илья Александрович

Введение.

1 Анализ работы сушильной части бумагоделательной машины.

1.1 Характеристика производства бумаги.

1.2 Автоматизация процесса сушки бумажного полотна.

1.3 Системы управления качеством бумажного полотна.

1.3.1 Основные характеристики систем управления показателями качества бумажного полотна.

1.3.2 Системы управления средней влажностью и массой 1 м бумажного полотна.

1.3.3 Системы управления влажностью по ширине бумажного полотна.

1.4 Анализ работы систем управления процессом сушки.

1.5 Математические модели процесса сушки бумаги.

1.6 Методы приближенного моделирования систем с распределенными параметрами.

1.7 Постановка задачи исследования.

2 Математические модели процесса сушки бумаги как объекта управления.

2.1 Математическая модель паровой сушильной группы.

2.2 Математическая модель сушильного цилиндра.

2.2.1 Методика приближенного моделирования процесса тепло-передачи на сушильном цилиндре.

2.2.2 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния давления пара.

2.2.3 Определение модели сушильного цилиндра по каналу влияния состояния окружающей среды.

2.2.4 Проверка адекватности модели канала влияния давления пара.

2.2.5 Проверка адекватности модели канала влияния состояния полотна.

2.3 Математическая модель удаления влаги из полотна.

3 Разработка имитационной модели процесса сушки бумаги.

3.1 Характеристика объекта моделирования.

3.2 Методика разработки имитационной модели.

3.3 Характеристика программы моделирования.

3.4 Проверка адекватности имитационной модели.

4 Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги.

4.1 Принципы построения системы автоматического управления процессом сушки.

4.2 Управление процессом сушки в режиме холостого хода.

4.2.1 Разработка алгоритмов управления.

4.2.2 Методика имитационного моделирования.

4.2.3 Результаты имитационного моделирования.

4.2.4 Адаптация систем регулирования влажности бумаги.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование процесса сушки бумаги на бумагоделательной машине с использованием имитационного моделирования»

Производство бумаги на бумагоделательной машине (БДМ) состоит из нескольких технологических стадий, наиболее важным из которых является процесс сушки полотна. Режим сушки бумажного полотна определяет один из основных параметров качества готовой продукции - влажность бумаги, и, кроме того, процесс сушки является наиболее энергоемкой стадией производства бумаги.

Производство бумаги характеризуется высоким уровнем автоматизации. Регулирование параметров технологического режима и качества готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации осуществляется автоматически, а при обрывах полотна - оперативным персоналом (сушильщиком) в режиме ручного управления процессом сушки.

Требования к эффективности работы БДМ, а также к качеству продукции непрерывно возрастают. Наиболее эффективными в настоящее время оказались решения по автоматическому управлению качеством готовой бумаги в режиме нормальной эксплуатации. Значительно меньший прогресс достигнут в создании систем автоматического управления качеством в переходных режимах: при смене производительности, вида продукции, обрывах бумажного полотна.

Решения, предложенные фирмами по автоматическому управлению процессом при обрывах, оказались неработоспособны. Результат: значительные отклонения влажности бумаги за границы технологического регламента, и соответственно высокий процент брака готовой продукции, длительное восстановление режима нормального процесса сушки бумаги, повышенные затраты на теплоноситель.

Поэтому необходимо разработать новые пути к решению данной задачи.

Целью диссертационной работы является алгоритмизация процессов управления сушкой бумаги в нестандартных режимах, обеспечивающих повышение качества готовой продукции и минимизацию (экономию) теплоносителя, а также создание имитационной модели сушки, используемой для отладки режимов Б ДМ.

При выполнении диссертационной работы были использованы такие методы исследования как системный анализ, математический анализ и статистика, теории информации, вычислительная математика, современные системы компьютерной математики и имитационного математического моделирования на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны принципы имитационного моделирования сушильной части БДМ как объекта управления процессом сушки полотна;

- разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами;

- разработаны аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна;

- разработана имитационная модель сушильной части БДМ как объекта регулирования влажности готовой бумаги;

- разработаны алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги.

Практическая ценность исследования:

- предложенная структура системы управления процессом сушки бумаги может быть использована при проектировании систем автоматического управления БДМ;

- разработана конструкция сушильного цилиндра, интенсифицирующая теплообмен и снижающая энергетические затраты, новизна которой подтверждена полученным патентом;

- разработанные модели процесса сушки могут использоваться при отладке программного обеспечения автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП) производства бумаги и в учебном процессе.

Данные, полученные при моделировании систем управления сушкой при обрыве полотна, переданы на производство ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» и используются при оперативном управлении картоноделательной машиной (КДМ). По результатам данного мероприятия имеется акт внедрения.

Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки бумаги внедрена в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров (СПб ГТУ РП) на факультете АСУТП как тренажер моделирования систем.

Получен патент на конструкцию, интенсифицирующую процессы теплообмена в сушильном цилиндре.

Положения, выносимые на защиту:

1) Методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ как объекта с распределенными параметрами.

2) Аналитические модели сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры и процесса сушки полотна как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

3) Алгоритмы управления процессом сушки в режиме холостого хода машины.

4) Программа имитационного моделирования систем управления процессом сушки.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, научно-практических и научно-методических конференциях: «Ресурсо- и энергосбережение в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве», Санкт-Петербург, СПб ГТУ РП, 27-28 октября, 2005 г.; «Молодые учёные университета - ЛПК России», СПб ГТУ РП, 11 апреля, 2006 г.; «Энергетика в ЦБП», СПб ГТУ РП, 2-4 июля 2008 г.

Заключение диссертации по теме «Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины», Гринченко, Илья Александрович

Основные результаты работы:

1) Проведен анализ качества существующих систем управления процессом сушки бумаги на действующих БДМ. Данные промышленной эксплуатации систем позволили выявить причины и оценить величину отклонений влажности готовой бумаги от регламента.

2) Разработана методика приближенного моделирования процесса теплопередачи на сушильном цилиндре БДМ. Она базируется на заданных априори структуре модели и вида передаточных функциях звеньев. Параметры последних находятся из условия равенства моментов исходной и приближающей весовых функций объекта.

3) На основе предложенной методики разработаны:

- аналитическая модель сушильного цилиндра как объекта регулирования температуры;

- аналитическая модель процесса сушки как объекта регулирования влажности готовой бумаги.

Модель описывает влияние на указанные параметры изменений давления пара в группе, веса 1 м2 бумаги, скорости машины и обрыва полотна.

4) Для действующей бумагоделательной машины разработана имитационная модель процесса сушки как объекта регулирования влажности готовой бумаги. Экспериментальными данными подтверждена адекватность этой модели.

5) Изучено влияние количества конденсата в цилиндре на динамические характеристики канала управления давлением пара в паровой группе. Это позволило разработать методику адаптации систем автоматического регулирования процесса сушки в зависимости от времени холостого хода.

6) Предложена структура системы управления процессом сушки на БДМ. Разработаны и внедрены на производстве ОАО «Санкт-Петербургский картонополиграфический комбинат» алгоритмы управления процессом в режиме холостого хода машины, повышающие качество производимой бумаги. По результатам данного мероприятия имеется заключение (Приложение В).

7) Разработано программное обеспечение для имитационного моделирования систем управления процессом сушки на БДМ. Это позволило подтвердить эффективность предлагаемых алгоритмов управления.

8) На основе имитационной программы разработан и внедрен в учебный процесс тренажер моделирования систем управления процессом сушки, что подтверждено актом внедрения (Приложение В) [62].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гринченко, Илья Александрович, 2009 год

1. Иванов С.Н. Технология бумаги. 2-е изд. перераб. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 696 с.

2. Кондрашкова Г.А., Леонтьев В.Н., Шапоров О.М. Автоматизация технологических процессов производства бумаги. М.: Лесная промышленность, 1989.- 150 с.

3. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. Т. 3. Автоматизация, стандартизация, экономика и охрана окружающей среды в ЦБП. Ч. 1. Автоматизация, стандартизация и экономика в ЦБП. СПб.: Политехника, 2008. - 621 с.

4. Вальтер Бест и др. Одежда для сушильной части современных бумажных машин // "International Paperwork!". 2004. - № 11. - С. 15.

5. Клаус Майер Фойт. Технологические решения // "Twogether". 2004. -№ 17.-С. 52.

6. Малков В.Г. Модернизация бумаго-, картоноделательных и сушильных машин // "Целлюлоза, бумага, картон". 2005. - № 6. - С. 52.

7. Mark Hodson Print Tech PR // "Twogether". 2006. - №22. - P. 40.

8. Газовые инфракрасные излучатели для сушки бумаги // "Целлюлоза, бумага, картон". 2006. - № 5. - С. 34.

9. Gerrit van Engeland Dresden Papier // "Twogether". 2006. - № 22.1. P. 65.

10. Эрих Вилл ер. Новая концепция пароконденсатной системы // "Twogether". 2008. - № 26. - С. 40.

11. П.Виктор Даниленко. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 1 // "Современные технологии автоматизации". 2006. - № 4. - С. 66.

12. Виктор Даниленко. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации. Ч. 2 // "Современные технологии автоматизации". 2007. - № 1. -С. 78.

13. Solutions for Superior Results. Проспект фирмы Honeywell. 2002.2 c.

14. Querprofil-Regelungen. Simply the Best. Проспект фирмы Honeywell. -2003.-4 с.

15. Interfacing Papermakers With The Future. Проспект фирмы DevronHercules. 1995. - 6 с.

16. New wave Paper IQ. Проспект фирмы Valmet Automation. 2001.3 c.

17. Томас Гинделе. Анализ профиля поперечной влажности бумажного полотна // "Twogether". 2003. - № 16. - С. 61.

18. Christoph Muller Perfect Fit Rebuild Projects // "Twogether". 2006. -№ 10. - P. 4.

19. Bernd Stibi Process olutions // "Twogether". 2006. - № 110. - P. 103.

20. Харичев C.H. "Ноу-хау" приборов Metso Autumation для современных систем контроля и управления качеством бумаги и картона // междунар. науч.-практ. конф. "Современные системы контроля и управления качеством бумаги": Сб. тр. СПб., 2007. - С. 30.

21. Изерман.Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1984. - 300 с.

22. Владимир Демидов. Решения задач оперативного управления производством // "Современные технологии автоматизации". 2006. - № 1. -С. 14.

23. Виктор Перехобченко и др. Автоматизированная система управления стендом вертикальной сушки // "Современные технологии автоматизации". -2006. -№3.- С. 32.

24. Ицкович Э.Л. Рациональная последовательность модернизации существующих систем автоматизации производства // Промышленные АСУ и контроллеры. 2005. - № 1. - С. 11.

25. Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы в целлюлозно-бумажной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1981. - 197 с.

26. Преображенский Л.Н., Александр В.А., Лихтер А.Д. Специальные приборы и регуляторы целлюлозно-бумажного производства. М.: Лесная промышленность, 1972. - 376 с.

27. Жукова Ю.С. Управление качественными показателями бумаги на бумагоделательных машинах: Учеб. пособие / ЛТА. Л., 1984. - 37 с.

28. Ссовременные решения автоматизации / Проспект фирмы Metso Automation. 2003. - 8 с.

29. Суриков В.Н., Соминин М.А. Повышение точности управления качественными показателями бумажного полотна // междунар. науч.-практ. конф. "Современные системы контроля и управления качеством бумаги": Сб. тр. СПб., 2007. - С. 30.

30. Жучков П.А. Тепловые процессы в целлюлозно-бумажном производстве. М.: Лесная промышленность, 1978. - 267 с.

31. Блюм A.C. Решения в области автоматизации ТП целлюлозно-бумажной промышленности // Автоматизация в промышленности. 2004. -№ 10. - С. 28.

32. Красников В.В. Кондуктивная сушка. М.: Энергия, 1978. - 276 с.

33. Бумагоделательные и картоноделательные машины /под ред. В.С.Курова, H.H. Кокушина. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2008. - 585 с.

34. Понизовский В.З. Математическое описание динамики процесса сушки бумаги на сушильном цилиндре. ВНИИБ. Труды института. Вып. 54. -М.: Лесная промышленность, 1969. -45 с.

35. Жукова Ю.С., Понизовский В.З. Способы повышения качества регулирования влажности бумажного полотна. Труды 2-ой Международной конференции ИФАК, по автоматизации бумажной, резиновой и пластмассовой промышленности. Брюссель, 1971. - 57 с.

36. Девятов Б.Н. Теория переходных процессов в технологических аппаратах с точки зрения задач управления. Новосибирск: Сиб. Отделение АН СССР, 1964.-89 с.

37. Шевяков A.A., Яковлева Р.В. Инженерные методы расчета динамики теплообменных аппаратов. М.: Машиностроение, 1968. - 189 с.

38. Маковский В.А. Динамика металлургических объектов с распределенными параметрами. М.: Металлургия, 1971. - 306 с.

39. Рапопорт Э.Я. Структурное моделирование объектов и систем управления с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 2003. -154 с.

40. Тарасов B.C., Веренинов И.А., Ерунов В.Я. Моделирование теплотехнических процессов с распределенными параметрами. JL: ЛПИ, 1978. - 167 с.

41. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Теория и методы анализа управляемых распределенных процессов. Новосибирск: Наука, 1983. - 374 с.

42. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников. М.: Наука, 1978. - 421 с.

43. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981.-208 с.

44. Девятов Б.Н., Демиденко Н.Д. Теория и методы анализа управляемых распределенных процессов. Новосибирск: Наука, 1983. - 254 с.

45. Эйкхофф П. Основы идентификации систем управления. Оценивание параметров и состояния. М.: Мир, 1975. - 683 с.

46. Жукова Ю.С., Понизовский В.З. Чувствительность динамических характеристик сушильного цилиндра к изменению параметров процесса теплопередачи. ВНИИБ. Труды института. Вып.57. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 86 с.

47. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.: Фазис. 1998.- 131 с.

48. Сигалов Г.Г., Мадоский М.С. Основы теории дискретных систем управления. Минск: Вэшэйш. школа, 1973. - 334 с.

49. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985. - 281 с.

50. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир, 1986. - 190 с.

51. Олсон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский Диалект, 2001. - 245 с.

52. Селянинова JI.H. Автоматизированная система имитационного моделирования систем управления. Часть 1: учебно-методическое пособие / ГОУВПО СПбГТУРП. СПб., 2007. - 111 с.

53. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. СПб.: Профессия, 2004. - 134 с.

54. Жучков П.А., Саунин В.И. Тепловой и гидравлический режимы бумагоделательных и картоноделательных машин. М.: Лесная промышленность, 1972. - 285 с.

55. Вельский А.П., Лакомкин В.Ю. Теплотехнический расчет многоцилиндровой сушильной части бумагоделательной машины: Методические указания; ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. СПб., 2006. - 230 с.

56. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1973. - 607 с.

57. Пиргач Н.С., Пиргач B.C. Автоматическое регулирование и регуляторы в целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленности. М.: Лесная промышленность, 1975. - 269 с.

58. Технология целлюлозно-бумажного производства. В 3 т. Т. 3. Автоматизация, стандартизация, экономика и охрана окружающей среды в ЦБП. 4.1. Автоматизация, стандартизация и экономика в ЦБП. СПб.: Политехника, 2008. - 621 с.

59. ГОУ ВПО СПб ГТУ РП. СПб., 2006. - ЧII.- С. 60-61.i

60. Гринченко, И.А. Совершенствование систем управления процессом сушки бумаги / И.А. Гринченко, В.В. Пожитков, Ю.С. Жукова // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2009. -№ 01- С. 80-81.