ПРОПЛЕМИ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ
ВОЕВРАТНОГО ШЛАМА ИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ОТХОДОВ ПРОИЕВОДСТВА ГАЕОБЕТОНА
УДК 681.513.7
КУЛИНИЧ Эдуард Михайлович
старший преподаватель Запорожского национального технического университета.
Научные интересы: системы управления технологическими процессами
e-mail: kulinich@zntu.edu.ua
ВВЕДЕНИЕ
При производстве газобетонных изделий образу-ется до 12% технологических отходов. Для повышения эффективности технологической линии производства газобетона эти отходы необходимо максимально ути-лизировать и повторно использовать в виде возвратно-го шлама.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для оптимального управления технологическим процессом (ТП) утилизации необходимо разработать его математическую модель потоков компонентов газобетонной смеси и режимов исполнительных меха-низмов (ИМ), а также информационных датчиков. Она позволяет повысить эффективность функционирования управления относительно заданного директивно, а также может использоваться при проектировании новых линий и реконструкции действующих [1, 2]. Для отладки управления математическую модель удобно реализовать в среде Simulink/Matlab.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ
Структурно-логическая схема математической моделимногокомпонентного дозирования ТП утилиза-ции технологических отходов показана на рис. 1. Ос-новными элементами этой модели являются узлы электропневмопривода заслонок дозаторов-смесителей, конвейера и технологических емкостей,
структурно-логическая модель ПЛК и, непосредственно, многокомпонентные дозаторы-смесители технологиче-ской линии приготовления газобетона.
Математическая модель ТП основана на том, что поток i компонента Fi(t), используемого в
приго-товлении возвратного шлама описывается вектором параметров
}, ), ( ), , ( { )
(t F t q t t
Fi i i (1)
где Fi(t,q) – параметр потока
соответствующе-го компонента, характеризующийся i(t)– плотностью
дозируемого компонента, flo(t)– скоростью его
исте-чения/прохождения (зависит от вязкости компонента и трения) и t – температурой компонента, q– пара-метр, характеризующий особенности системы управле-ния, использующихся управляющих устройств и ИМ. В общем виде параметр потока соответствующего жид-кого компонента F1(t,q),F2(t,q),F4(t,q)и F5(t,q)
из его расходной емкости в зависимости от состояния сигнала управления заслонкой Q(t) равен:
), ( ) ( ) , , ( ) ,
(t q S t q t Q t
F flo (2)
где S(t,q, )– площадь открытия заслонки,
оп-ределяющая ее пропускную способность
Параметр потока F3(t) отходов порезки зависит
от их поступления с конвейера линии порезки
q t
F (, ) и ограничивается текущей пропускной
ши-бера S3(t,q,) к площади открытого шибера S3_
и состоянию сигнала управления этого шибера Q3(t): 3
3 3
3 _ 3
3 3 _
3 3 _
( , , )
( , ) ( ) ( , ),
( )
( , ), ( , , ) .
( , , ) ;
S t q
F t q Q t F t q
S F t
F t q S t q S
S t q S
a
a a
ìïï = ⋅ ⋅
ïï
= íïï =
ïïî <
(3)
В блоке «Дозатор-смеситель» суммируются сигна-лы потоков поступающих компонентов с получением суммарного потока набираемых компонентов F(t)
затем интегрируем его и поток выгружаемой смеси
) (t
Fout . В результате получаем объем набираемых
компонентов Vin(t) и объем выгружаемой смеси
) (t
Vout . Отсюда получаем текущий объем компонентов
в дозаторе-смесителе
). ( ) ( )
( )
( ) (
2
1 2
1
t V t V dt t F dt t F t
V in out
t
t out t
t
(4)Вес дозатора-смесителя с компонентами смеси равен
( )
( ( ) ).
G t G G
m g m g g m V t rS
= + =
= ⋅ + ⋅ = ⋅ + ⋅ (5)
Рисунок 1 – чтруктурно-логическая схема математической модели процесса утилизации технологических отходов
По усилию P, которое пропорционально весу дозатора с компонентами газобетонной смеси G(t), определяется масса набираемого компонента mi. Под воздействием этого усилия в системе тензометрических датчиков, генерируется сигнал об-ратной связи по весу U i(m). По геометрическим
деляется динамически уровень заполнения дозатора-смесителя h(t) f(V,t).Сигнал обратной связи по уровню вычисляется по формуле, описывающей работу ультразвукового датчика уровня :
, ) ( )
( span
i
h t h U h
ПРОПЛЕМИ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
пряжения датчика при заданном при параметризации диапазоне изменения уровня hspan. Для датчика
уров-ня дозатора-смесителя Uspan 10В при hspan 1,6 .
Сигналы U i(m) и U i(h) поступают на вход блока аналогового ввода ПЛК, где квантуются по времении цикла ПЛК с получением 16-ти разрядных цифровых значений DGin(nT) и Dhin(nT). После цифровой обработки сигналов: фильтрации и нормализации получают параметры веса DG(nT) и уровня Dh(nT) компонентов смеси в
дозаторах-смесителях. На основании этих параметров, текущего состояния техпроцесса , задания плотности n и набора компонентов mi , а также совокупности сигналов состояния ИМ ( ,t) формируются соответствующие сигналы управления
( , ) ( , ( , ), ( , ), ) ( , ( ), ( ), ( , ), ).
x t u x q x t t t
u x G t h t t t
z r
r
= =
= (7)
Применительно к рассматриваемому ТП, для трёхкомпонентного дозирования, уравнение (7) примет следующий вид: я ш ш ы ы j я ш ы ы я i x x t t t h t G x u t t t h t G x u x x t t t h t G x u x x t t t h t G x u x x j t t t h t G x u t t t h t G x u x x t t t h t G x u x x t t t h t G x u x x i t t t h t G x u t t t h t G x u ), ), , ( ), ( ), ( , ( ) ), , ( ), ( ), ( , ( ), ), , ( ), ( ), ( , ( ), ), , ( ), ( ), ( , ( , 5 , 4 ), ), , ( ), ( ), ( , ( ) ), , ( ), ( ), ( , ( ), ), , ( ), ( ), ( , ( ), ), , ( ), ( ), ( , ( , 2 , 1 ), ), , ( ), ( ), ( , ( ) ), , ( ), ( ), ( , ( 3 2 2 2 1 1 1 (8)
Уравнение (8) представляет собой совокупность выходных цифровых сигналов Q (nT),
вырабаты-ваемых ПЛК. Они используются для управления заслон-ками набора компонент смеси в дозатор и шибера переключателя потока отходов порезки, а также при выгрузке возвратного шлама и управлении мешалка-ми.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Симуляцию в работы технологического оборудо-вания, ИМ и информационных датчиков выполнена в пакете Simulink/Matlab. Для этого разработана компью-терная модель в соответствии со структурно-логической схемой математической модели ТП пред-ставленной на рис. 1. Структурно-логическая схема компьютерной модели процесса утилизации техноло-гических отходов показана на рис. 2.
Для комплексного исследования режимов работы
многопараметрической АСУ ТП на этой стадии исполь-зуем эмуляцию режимов управляющего контроллера, устройств визуализации, а также симуляцию техноло-гического оборудования, ИМ и информационных дат-чиков. В соответствии с методикой, описанной [3], для реализации ОпУ приготовления возвратного шлама была создана программа управления, реализующая алгоритмы управления установкой, работа которой была эмулирована в среде разработки Step-7 совместно с пакетом PLCSim.
Результаты моделирования параметров ТП приго-товления возвратного шлама при помощи многопара-метрической АСУ для одного цикла дозатора - смесите-ля приведены на рис. 3, где непрерывными кривыми обозначены смоделированные данные, а
Рисунок 2 – чтруктурно-логическая схема компьютерной модели процесса утилизации технологических от-ходов
t,c ,кг
ρ,кг/м3
Рисунок 3 – Зависимости изменения массы компонентов и плотности смеси , полученные моделированием ТП
приготовления возвратного шлама для одного цикла дозатора–смесителя
На этом рисунке приняты следующие обозначе-ния: ρ – плотность получаемой смеси , mc – масса
контролирова-ПРОПЛЕМИ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
нения в течении технологического цикла приготовле-ния возвратного шлама от загрузки до выгрузки в условиях реальной работы установки практически совпадает с полученными на математической модели. Следует отметить некоторые отклонения соответст-вующих показателей между смоделированными и измеренными результатами, однако общая законо-мерность сохраняется. Отклонения в показаниях носят вероятностный характер, что и предполагалось в по-становочной части. Они вызваны стохастичностью подачи технологических отходов, а также динамикой реального процесса дозирования (падение материала с высоты в ёмкость дозатора-смесителя и т.д.), влиянием вибраций и работы миксера на измеряемый вес в мо-менты запуска и останова, температурными градиен-тами, влияющими на показания ультразвукового дат-чика уровня и т.д. По мере установления плотности эти
погрешности уменьшаются, а на конечной стадии ре-зультаты моделирования и эксперимента практически совпадают.
ВЫВОДЫ
Разработанная математическая модель, реализо-ванная в пакете Simulink/Matlab, позволяет моделиро-вать процесс утилизации технологических отходов с достаточной для инженерных расчетов точностью (по-грешность не более 5%) и пригодна для использования в алгоритме оптимального управления данными ста-диями технологического процесса. В работе приведены структурно-логическая схема математической и ком-пьютерной моделей, а также результаты сравнительно-го анализа моделирования и измерений на реальной технологической линии.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Зиновкин, В.В. Моделирование процесса утилизации отходов в технологии производства газобетона /В.В. Зиновкин, Э.М. Кулинич //Стратегія якості у промисловості і освіті: міжнар. конф., 6-13 червня 2009р.: тези доп. – Варна, Болгарія, 2009. – Т.2. – С.176-179. 2. Кулинич Э.М. Моделирование оптимального управления многопараметрическим технологическим процессом приготовления
газо-бетона /Э.М. Кулинич, В.О. Мирный, Ю.Н. Умеров, руковод. В.В. Зиновкин //«Компьютерные технологии и информационные системы в электротехнике»: Всероссийский конкурс научных работ студентов, магистрантов и аспирантов (Тольятти, 29 ноября 2011 г.) : сбо-рник материалов. – Тольятти: ТГУ, 2011. – С.37-46.
