CC BY
70
УДК 519.715
С.В. Куранов, В.А. Иващенко
ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ НЕЧЕТКОГО ВЫВОДА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ВАРКИ СТЕКЛА
Предложен подход к управлению технологическим процессом варки стекла, в основу которого положена система нечеткого вывода, обеспечивающая повышение качественных показателей листового стекла.
Технологический процесс, варка стекла, автоматизированное управление, система нечеткого вывода, продукционная база правил
S.V. Kuranov, V.A. Ivashchenko BUILDING A SYSTEM OF FUZZY INFERENCE TO CONTROL THE GLASS MELTING PROCESS
The authors propose an approach to control the melting glass process based on the fuzzy inference system which helps upgrading qualitative variables of the sheet glass.
Process, cooking glass, automatic control, fuzzy inference system, product rule base
Введение
Повышение качества листового стекла позволяет получить существенную экономию для стекольных предприятий [1]. Производство листового стекла является непрерывным, включающим: варку стекла в стекловаренной печи (стекловарение), формование стекла на расплаве металла, отжиг стекла в печи отжига и концевые операции - раскрой на форматы, нанесение прокладочных материалов, упаковку и отгрузку.
Качество листового стекла во многом определяется процессом его варки, который зависит от множества факторов: скорости съема стекломассы, ее температуры в квельпункте и в точке съема, распределения температурного поля в печи, давления в варочной печи, обусловленного регламентом технологического процесса (ТП), и скорости работы загрузчиков. Поэтому существенное повышение качества невозможно без автоматизации процесса варки стекла на основе использования математических методов и современных аппаратно-программных средств [2].
1. Описание процесса варки стекла
Технологический процесс варки стекла включает 5 стадий: силикатообразование, стеклообра-зование, осветление (дегазация), гомогенизация (усреднение) и студка [1].
Особенностями ТП являются:
1. Одновременное совмещение всех стадий варки стекла в пленке расплава на поверхности куч шихты. Продолжение не завершившихся процессов в варочной пене без четкого выделения зон печи с какой-либо одной конкретной стадией процесса варки стекла.
144
2. Сосредоточение всех процессов варки в поверхностных слоях расплава.
3. Течение процесса стекловарения в условиях непрерывно повышающейся температуры вследствие перемещения куч шихты и варочной пены в глубь печи к зоне максимальных температур.
4. Значительное влияние габаритов и высоты куч шихты на скорость их плавления.
5. Влияние условий прогрева куч шихты на скорость их плавления, имеющее существенное влияние на этапе варки стекла. При этом большое значение в теплообменных процессах между факелом и стекломассой играет протяженность зоны варки, являющейся тепловым экраном. Удлинение зоны варки приводит к снижению количества тепла, воспринятого стекломассой. Тогда при неизменных производительности печи и расходе топлива в пламенном пространстве печи будет избыток тепла, приводящий к росту его температуры. Точно так же при сокращении зоны варки через открытое зеркало стекломассой будет воспринято большее количество тепла, что при прочих равных условиях приведет к снижению температуры пламенного пространства. Иными словами, в работе стекловаренной печи могут возникать такие условия, когда температуры газового пространства будут изменяться в противоположных направлениях. Даже в отдельные периоды, когда они изменяются в одном направлении, пропорциональность между ними, как правило, не соблюдается. Это приводит к тому, что контроль температур пламенного пространства не позволяет получить достаточно полной картины условий нагревания стекломассы.
Вышеизложенное обусловливает сложность формализации ТП ввиду того, что не все переменные состояния и управляющие воздействия могут быть четко определены и между ними невозможно установить точные количественные соотношения.
В связи с этим предложен подход к управлению ТП варки стекла, в основу которого положена система нечеткого вывода (СНВ).
2. Построение системы нечеткого вывода
Построение данной модели сводится к следующим этапам:
Этап 1. На данном этапе осуществляется выбор минимально возможного числа входных и выходных нечетких переменных, необходимых для адекватного описания ТП. В качестве входных нечетких переменных выступают: расход газа, давление в зоне студки, давление в зоне варки, съем стекла, соотношение шихта/бой, влажность шихты (термы: «ниже номинального», «номинальное», «выше номинального»). За номинальные значения принимаются переменные, соответствующие технологическому регламенту.
Выходной нечеткой переменной является количество листового стекла в процентах, соответствующего установленным требованиям (термы: «неудовлетворительное», «удовлетворительное», «хорошее»).
Этап 2. На основании экспертных оценок (опроса технологического персонала) определяются нечеткие переменные путем задания функций принадлежности. Вид функций принадлежности выбирается, исходя из простоты их представления и вычисления при условии обеспечения адекватности соответствующей лингвистической переменной, характеризующей ТП (рис. 1).
Ниже Выше
Х1 х2 Х3 Значения параметров
нечетких переменных
Рис. 1. Функция принадлежности нечетких переменных
Численные значения параметров нечетких переменных стекловаренной печи ЛТФ-1 предприятия ОАО «Саратовстройстекло» приведены в таблице.
Численные значения параметров нечетких переменных стекловаренной печи ЛТФ-1 предприятия ОАО «Саратовстройстекло»
Нечеткие переменные Х1 Х2 хз
Расход газа (общ.), т 49880 49910 49920
Давление в зоне студки, кгс/ м2 0,25 0,34 0,40
Давление в зоне варки, кгс/ м2 0,05 0,22 0,40
Съем стекла, т/день 245 255 265
Соотношение шихта/бой 88/12 85/15 82/18
Влажность шихты, % 4,0 4,5 5,0
Количество листового стекла М1, % 65 95 70
Этап 3. На основе опроса технологического персонала предприятия формируется база нечетких
правил:
Правило 1. Если «Расход газа ниже номинального» ТО «Количество листового стекла неудовлетворительное».
Правило 2. Если «Давление в зоне студки ниже номинального» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» ТО «Количество листового неудовлетворительное».
Правило 3. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты выше номинальной» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 4. Если «Расход газа номинальный» И «Давление в зоне студки ниже номинального» И «Давление в зоне варки ниже номинального» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 5. Если «Расход газа выше номинального» И «Влажность шихты выше номинальной» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 6. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты выше номинальной» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки номинальное» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 7. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки номинальное» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 8. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового удовлетворительное».
Правило 9. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки выше номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 10. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки ниже номинального» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 11. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки выше номинального» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 12. Если «Расход газа номинальный» И «Влажность шихты выше номинальной» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне
студки номинальное» И «Съем стекла номинальный» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 13. Если «Расход газа средний» И «Съем стекла ниже номинального» И «Влажность шихты выше номинальной» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки номинальное» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 14. Если «Расход газа номинальный» И «Съем стекла ниже номинального» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки выше номинального» И «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 15. Если «Расход газа средний» И «Съем стекла ниже номинального» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение ши хта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 16. Если «Расход газа средний» И «Съем стекла выше номинального» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки выше номинального» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 17. Если «Расход газа номинальный» И «Съем стекла ниже номинального» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки номинальное» И «Давление в зоне студки ниже номинального» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 18. Если «Расход газа выше номинального» И «Съем стекла выше номинального» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой выше номинального» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» ТО «Количество листового стекла удовлетворительное».
Правило 19. Если «Расход газа выше номинального» И «Съем стекла номинальный» И «Влажность шихты номинальная» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» ТО «Количество листового стекла хорошее».
Правило 20. Если «Расход газа выше номинального» И «Съем стекла номинальный» И «Влажность шихты ниже номинальной» И «Соотношение шихта/бой номинальное» И «Давление в зоне варки ниже номинального» И «Давление в зоне студки номинальное» ТО «Количество листового стекла хорошее».
Полученные правила проверяются на полноту, избыточность и непротиворечивость. Значащим в конфликтной ситуации принимается правило, приоритет которого выше.
Этап 4. Поиск последовательности управляющих воздействий, обеспечивающих получение оптимального состояния объекта управления для каждой технологической ситуации, на основе нечеткого вывода. Функциональная схема нечеткого вывода представлена на рис. 2.
Для решения поставленной задачи используется алгоритм вывода Цукамото [3].
Рис. 2. Схема нечеткого вывода
3. Результаты применения системы нечеткого вывода
Интерфейс реализован в среде визуальной разработки приложений Бог1апё БеІрЬі 7. Интерфейс программы позволяет оператору предсказать наиболее вероятный вариант разбраковки готового стекла по классам (в процентах) (рис. 3). Разбраковка осуществляется по количеству стекла соответ-
147
ствующих марок (МП, М1, МЮ, М4), характеризуемых максимальным количеством дефектов на лист стекла.
После активации программы оператором вводятся реальные значения данных в поля, помеченные надписью «Реальные значения входных параметров» (расход газа вводится в тоннах, давление в зонах варки и студки в кгс/м2, съем стекла в тоннах в сутки, соотношение шихта/стеклобой в процентах, влажность в процентах).
Реальные значения входнмых параметров
Расход газа Давление ст. Давление вар. Съем Шихта/бой Влажность
49920 0,34 0,22 265 88 4
1 1
Произвести нечеткий вывод Нечеткие значения входных параметров
Расход газа Давление ст. Давление вар. Съем Шихта/бой Влажность
Н М М н 1_ 1_
1 1
Предполагаемая разбраковка
ми М1 М1С М4
17 47 13 23 степень соответствия результатов СНВ
4 ► реальным значениям
|86%
Импортировать реальные значения
Реальные значения разбраковки
ми М1 М1С М4
15 52 9 24
4 ►
Рис. 3. Результат работы программы
Если информация о реальной разбраковке стекла известна, то ее можно ввести вручную в соответствующие поля, помеченные как «Реальные значения разбраковки», или загрузить из внешнего 1х1>файла с помощью соответствующей кнопки (значения разбраковки в файле должны быть отделены пробелами).
Затем после нажатия оператором клавиши «произвести нечеткий вывод» программа выдает наиболее подходящие нечеткие значения входных переменных в полях, помеченных надписью «Нечеткие значения входных переменных». При этом обозначение Н соответствует нечеткому значению «выше номинального», обозначение М - значению «номинальное», а обозначение Ь - значению «ниже номинального».
Одновременно поля, помеченные как «Предполагаемая разбраковка», заполняются прогнозируемыми значениями.
Если были введены реальные значения разбраковки, то выводится степень соответствия данных, полученных с помощью СНВ, реальным значениям, вычисленная как сумма ошибок по каждому сорту стекла (в процентах).
Тестирование программы на данных ОАО «Саратовстройстекло» показало соответствие результатов, выдаваемых СНВ, реальным данным от 85 до 98 процентов. При соблюдении наборов параметров нечетких переменных СНВ, соответствующих значению выходной переменной «Количество листового стекла хорошее», количество стекла марок М1 и МП выше среднего на 6-9%.
Заключение
Система управления технологическим процессом варки стекла на основе системы нечеткого вывода обеспечивает повышение качества листового стекла в условиях нечеткой информации за счет использования опыта технологического персонала, аккумулированного в базе знаний.
Система обеспечивает прогнозирование качества стекла в режиме реального времени, что существенно при управлении объектами с запаздыванием, к которым относится процесс варки стекла.
Данную систему можно использовать также в качестве тренажера для обучения операторов-технологов стекольных производств.
Система апробирована на тестовых данных, полученных с ОАО «Саратовстройстекло».
1. Макаров Р.И. Управление качеством листового стекла (флоат-способ) / Р.И. Макаров,
B.В. Тарбеев, Е.Р. Хорошева. М.: Изд-во АСВ, 2002. 192 с.
2. Барышникова Е.С. Система ситуационного управления производством листового стекла / Е.С. Барышникова, В.А. Иващенко // Вестник СГТУ. 2009. № 2 ( 38 ). Вып. 1. С. 91-96.
3. Куранов С.В. Нечеткое моделирование в проектировании АСУ ТП варки стекла /
C.В. Куранов, Д.Ю. Петров, В.А. Иващенко // Математические методы в технике и технологиях -ММТТ-22: сб. тр. XXII Междунар. науч. конф.: в 11 т. Т.11.: Летняя Школа молодых ученых / под общ. ред. д.т.н., проф. В.С. Балакирева. Иваново: Изд-во Иванов. гос. хим.-технол. ун-та, 2009.
ЛИТЕРАТУРА
С. 272-275.
Иващенко Владимир Андреевич -
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов
Vladimir A. Ivaschenko -
Dr. Sc., Leading Research Fellow Institute of Fine Mechanics and Control of the Russian Academy of Sciences, Saratov
Куранов Сергей Владимирович -
аспирант кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Sergei V. Kuranov -Postgraduate
Department of Systems Engineering Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила вредакцию10.02.12 , принята к опубликованию 04.06.12
