РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ЖОМА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В СУШИЛКЕ БАРАБАННОГО ТИПА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622/УБТи.2022.18.4.010 УДК 664.123.6

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СУШКИ ЖОМА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ В СУШИЛКЕ БАРАБАННОГО ТИПА

И.А. Болдырев, А.В. Любимов

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: история развития промышленных регуляторов неразрывно связана с развитием техники и технологий. Изначально регуляторы создавались как исключительно механические системы. Реализация механических регуляторов была ограничена возможностями механики того времени. В качестве примера можно привести регулятор Уат-та, который стал символом второй промышленной революции. Уравнения Вышнеградского, описывающие работу регулятора Уатта, по праву считаются фундаментом такой науки, как теория автоматического управления. Изобретение электронных ламп позволило создавать первые регуляторы на электронной платформе. Затем последовали транзисторные регуляторы, а за ними регуляторы на операционных усилителях. Все приведенные выше платформы аппаратной реализации регуляторов подразумевают, что логика принятых ими решений заложена в них на стадии их проектирования и в последующем возможна лишь подстроечная регулировка. Современные регуляторы реализованы на цифровой платформе, которая даёт безграничную возможность реализации алгоритмов управления без изменения схемотехнических решений аппаратной платформы, т.к. реализация алгоритмов закладывается на уровне кода программы. На сегодняшний день реализация программных алгоритмов управления очень часто попадает в руки специалистов, которых можно отнести, скорее, к программистам, чем к специалистам в теории управления. В связи с этим реализация программных алгоритмов ограничена комбинациями из П.И.Д. звеньев с учетом весовых коэффициентов, играющих роль подстроечных параметров. Таким образом, безграничные возможности реализации алгоритмов управления на современной программно-аппаратной платформе ограничены лишь квалификацией специалистов. Приведен синтез регулятора для управления влагосодержанием в технологическом процессе сушки жома сахарной свеклы на основе метода Q-параметризации. Код для реализации данного регулятора в контроллере представлен на языке БТ в среде разработки CoDeSys 2.3. Данную работу можно считать примером использования последних достижений ТАУ при реализации алгоритмов управления для промышленных объектов управления на базе современных программно-аппаратных комплексов

Ключевые слова: САУ-система автоматического управления жомосушилкой, Q-параметризация, упредитель Смита

Введение

В сушилках сахарной промышленности осуществляются сложные, ответственные технологические процессы, связанные с сушением жома отработанной сахарной свеклы.

Значительное число отечественных предприятий испытывают острую необходимость в модернизации систем контроля и управления сушильного технологического оборудования.

Описание технологического процесса сушки жома

Рассмотрим общую схему технологического процесса сушки жома. Во вращающийся барабан дозатором из бункера подается влажный материал, где он постепенно перемещается вдоль по уклону барабана. В том же направлении в барабан поступает сушильный агент -горячий воздух, нагреваемый в топке за счет сжигания топливного газа [2]. Материал

© Болдырев И.А., Любимов А.В., 2022

нагревается и содержащаяся в нем влага испаряется. Выделяющиеся водяные пары удаляются из сушилки вместе с отработанным газом. Высушенный материал разгружается в конце барабана в бункер.

Рис. 1. Технологический процесс сушки жома

Общая схема автоматизации процесса сушки жома

Рассмотрим каскадную схему управления жомосушкой. Регулятор влагосодержания выходящего из жомосушилки жома достигает требуемого содержания влаги путем корректировки температуры газа на входе жомосушил-ки и занимает в каскадной схеме наивысшую позицию. Регулятор температуры газа на входе жомосушилки по расходу воздуха на горелку является следующим подчинённым уровнем управления жомосушкой. И самым нижним уровнем управления технологическим режимом сушки жома является регулятор расхода воздуха на горелку и ведомый по датчику расхода воздуха, с учётом коэффициента соотношения, регулятор расхода газа на горелку [1].

Влагосодержание измеряется косвенным путем через разность температур на входе и выходе жомосушилки.

В сравнении с контуром управления вла-госодержания жома по температуре на входе жомосушки, процесс управления расходом газа и воздуха можно считать безынерционными. Процесс управления температурой на входе жомосушилки по расходу воздуха на горелку занимает 3-4 секунды и поэтому считается малоинерционным, тогда как инерционность сушки жома в жомосушилке измеряется величиной в 10 минут, а транспортное запаздывание в 30 минут. С учетом вышесказанного, разработка регулятора влагосодержа-ния жома по температуре на входе жомосу-шилки является наиболее существенной, т.к использование стандартных регуляторов, состоящих из ПИД звеньев и их комбинаций, весьма эффективно для безынерционных и инерционных процессов при сравнительно малом запаздывании или полном его отсутствии, но при наличии канала управления, где процесс запаздывания существенно превосходит инерционность, стандартные комбинации ПИД звеньев не дают нужного результата, а также при наличии существенного запаздывания, измеряемого в десятки минут, не позволит произвести в приемлемые сроки наладку стандартного регулятора путем настройки его коэффициентов на объекте управления, в связи с чем требуется применение методики структурно-параметрического синтеза регулятора, которая бы позволила получить алгоритм управления для объекта с существенным транспортным запаздыванием и аналитически рассчитать параметры регулятора по парамет-

рам объекта управления, без необходимости настройки регулятора непосредственно на объекте [6].

Рис. 2. Схема автоматизации

Применение метода Q-параметризации

для синтеза алгоритма управления влагосодержанием жома в барабанной жомосушилке

Рассмотрим структурно-параметрический метод синтеза системы автоматического управления, называемый методом Q-параметризации.

Основная идея этого метода заключается в том, чтобы, используя информацию о канале управления, заданную в виде передаточной функции G 0( ^), и информацию о желаемом

поведении синтезируемой системы управления, заданную в виде передаточной функции F (5), получить закон управления, связывающий регулируемую величину Y(s) с задающим

воздействием R(s), который будет иметь следующий вид [3, 4]:

7 (5) = [ F ДОГ (5)^(5) ] ад. (1)

А

при

выполнении

условия

G0"v (5) = С01(5) выражение (1) вырождается в наилучший идеализированный случай:

7 ( 5 ) = [ F ( 5 ) ] R ( 5 ).

(2)

Q (5) = F ( 5 ) С? 0"' (5 ) . (3)

Жомосушилка, как объект управления по каналу «влагосодержание жома на выходе жо-мосушилки - температура газообразного теплоносителя на входе жомосушилки», представляет собой в динамическом смысле инерционное звено с транспортным запаздыванием [5]:

5) = ¿0(5) = ехр(-Т5). (4)

Т05 + 1

Рис. 3. Структурное представление метода Q-параметризации: Я^) - сигнал задания; Щз) - управляющий сигнал; У^) - выход объекта управления (регулируемая величина); Е^) - ошибка управления; G0 (5) - эталонная модель объекта

управления; G 0 (5) - номинальная модель объекта

управления; Q(5) - функция, определяющая вид параметризации

В соответствии с (4) и представленным на рис. 3 методом Q-параметризации, структура системы автоматического управления жомосу-шилкой, по упомянутому выше каналу, примет вид, изображенный на рис. 4, где при условии,

что F(5) = —1— с учетом (3) и в соответ-

А5 + 1

ствии с (4)

6(5) = F (5) =

1

Т05 + 1

А5 + 1 К

1 Т05 + 1 (5)

К0 А5 + 1

где F(5) =

1

А5 + 1

0

Т 5 +1

(5) = 00"' (5) = -

К

Рис. 4. Структура системы автоматического управления жомосушилкой по каналу «влагосодержание жома на выходе жомосушилки - температура газообразного теплоносителя на входе жомосушилки» в терминах

интерфейса Simulink системы МайаЬ

Суть метода Q-параметризации, изображенного на рис. 3, лучше всего понять, осуществив серию упрощающих эквивалентах преобразований над его частным случаем, изображенным на рис. 4.

Вначале обратим внимание на то, что общая отрицательная обратная связь «запаралле-лена» внутренней по отношению к регулятору положительной обратной связью.

В этом случае при наличии идеализации

00 (5) = 00 (5), которая означает, что эталонная и номинальная модели объекта управления друг другу эквивалентны, положительная и отрицательная обратные связи друг друга взаимоуничтожают. И система, изображенная на рис. 4, упрощается до вида, изображенного на рис. 5.

Рис. 5. Упрощенный вид системы, изображенной на рис. 4, после исключения из нее положительной и отрицательной

обратных связей

В ходе дальнейших эквивалентных преобразований система, изображенная на рис. 5, примет окончательный упрощенный вид, изображенный на рис. 6, который соответствует (1):

Рис. 6. Окончательный упрощенный вид системы, изображенной на рис. 4

На рис. 6 мы видим инерционное звено

F (5) = —1— и звено транспортного запазды-As +1

вания ехр(-Т5) , которое, в соответствии с (1), было получено как результат произведения

К

T s + 1 G Г (s )G 0( s) =

T0 s + 1

exp(-г s)I=

= ехр(-т5)

и стало результатом неидеальности G0"v (5) по отношению к Gl-1(5) , что привело к появлению звена транспортного запаздывания в структуре, изображенной на рис. 6.

Следует заметить, что для полной компенсации транспортного запаздывания G|"v (5) должно было бы содержать в себе нереализуемое звено-предсказатель.

Инерционное звено F (s) =

1

опреде-

As +1

ляет желаемый закон поведения регулируемой величины Y(s) в зависимости от задающего воздействия R(s), тогда как транспортное запаздывание exp(-rs) является нежелательной добавкой в случае решения задачи построения следящей задачи следящей системы, тогда как в случае программного управления величина запаздывания г достаточно просто учитывается и упреждается, а в случае решения задачи стабилизации вообще не представляет никакой проблемы.

Далее, систему, изображенную на рис. 4, а точнее, ту часть, которая представляет собой регулятор, выразим через элементарные блоки, к которым относятся усилители (Gain), сумматоры (Sum), интегрирующие звенья (Integrator) и звено транспортного запаздывания (Transport Delay).

Рис. 7. Система автоматического управления, изображенная на рис. 4 с регулятором, представленным в виде элементарных блоков

В соответствии с математическими операциями, осуществляемыми элементарными блоками, изображенными на рис. 7, и с соблюдением последовательности этих операций был численно реализован на языке БТ алгоритм управления жомосушилкой по каналу

«влагосодержание жома на выходе жомосу-шилки - температура газообразного теплоносителя на входе жомосушилки». Текст данного алгоритма представлен ниже.

Реализация алгоритма управления влагосодержанием жома в барабанной жомосушилке на языке ST в среде разработки ПО ПЛК CoDeSys 2.3

Перенесем предыдущий код в CoDeSys, он будет иметь следующий вид:

PROGRAM PLC_PRG

R1:=Sp-Y;

R2:=R1+R14;

R3:=R2*To/(A*Ko);

R4:=R3-R9;

R5:=R4;

IF (R4>Umax) THEN R5:=Umax; (* Ограничитель*)

END_IF;

IF (R4<Umin) THEN R5:=Umin; (*Ограничитель*)

END_IF;

R6:=R5*(To-A)/A;

R7:=R6-R9;

R8:=R7/To;

R9:=R9+R8*ddt;

i:=i+1; (*Счетчик*)

R10:=TD[i]; (*Блок запаздывания*)

TD[i]:=R5;

IF (i=N) THEN i:=1;

END_IF;

R11:=R10*Ko;

R12:=R11-R14;

R13:=R12/To; R14:=R14+R13*ddt

Выводы

Подход, изложенный в данной статье, позволяет осуществить структурно параметрический синтез и численную реализацию алгоритма управления с применением математической модели канала управления и с учетом желаемого закона зависимости регулируемой величины от задающего воздействия.

Изложенный в работе теоретический материал был использован для практического решения задачи синтеза и реализации на языке ST алгоритма управления жомосушилкой по каналу «влагосодержание жома на выходе жомосушилки - температура газообразного теплоносителя на входе жомосушилки».

Решение подобной практической задачи с применением изложенной в работе методики позволяет значительно сократить время разработки и наладки систем автоматического управления для объекта со значительным транспортным запаздыванием, что, несомненно, подтверждает практическую значимость изложенного в работе теоретического материала.

Литература

1. Волошин 3.С., Макаренко Л.Л., Янковский П.В. Автоматизация сахарного производства. 2-е изд., пере-раб. и доп. М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.

2. Сапронов А.Р. Технология сахарного производства. 2-е изд., исправл. и доп. М.: Колос, 1999. 495 с.

3. Гудвин Г.К., Гребе С.Ф., Сальгадо М.Э. Проектирование систем управления. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. 911 с.

4. Суриков В.Н., Буйлов Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств: учеб. пособие. СПб. : СПбГУПТД, 2011. 77 с.

5. Формирование каналов управления процессом комбинированной сушки свекловичного жома / А.В. Дранников, А.А. Шевцов, А.В. Квасов, А.Р. Бубнов // Автоматизация. Современные технологии. 2019. № 2. С. 69 - 73.

6. Hepbasli A. Exergoeconomic analysis of plum drying in a heat pump conveyor dryer // Drying Technology. 2010. Vol. 28. № 4. P. 1385-1395.

Поступила 26.05.2022; принята к публикации 16.08.2022 Информация об авторах

Болдырев Игорь Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: [email protected], тел. 8(473)243-77-20

Любимов Андрей Владимирович - студент 4 курса факультета энергетики и систем управления, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. 8(920)443-51-70

DEVELOPMENT OF AN AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR THE DRYING PROCESS OF SUGAR BEET PULP IN A DRUM-TYPE DRYER

I.A. Boldyrev, A.V. Lyubimov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the history of the development of industrial regulators is inextricably linked with the development of technology. Initially, regulators were created as exclusively mechanical systems. The implementation of mechanical regulators was limited by the possibilities of mechanics of that time. The Vyshnegradsky equations describing the operation of the Watt regulator are rightfully considered the foundation of such a science as the theory of automatic control. The invention of electronic lamps made it possible to create the first regulators on an electronic platform. This was followed by transistor regulators, and then regulators on operational amplifiers. All the above platforms for the hardware implementation of regulators imply that the logic of their decisions is embedded in them at the stage of their design and in the future only adjustment is possible. Modern regulators are implemented on a digital platform, which gives an unlimited opportunity to implement control algorithms without changing the circuit solutions of the hardware platform, since the implementation of algorithms is laid at the level of the program code. Such a democratic approach to the implementation of control algorithms has undoubted advantages, but also disadvantages, because previously created exclusively hardware regulators were designed by the corresponding research institutes and design bureaus, which included specialists of various profiles. To date, the implementation of software control algorithms very often falls into the hands of specialists who can be attributed more to programmers than to specialists in control theory. In this regard, the implementation of software algorithms is limited to combinations of P.I.D. links, taking into account the weight coefficients that play the role of tuning parameters. Thus, the limitless possibilities of implementing control algorithms on a modern hardware and software platform are limited only by the qualifications of specialists implementing regulators at control facilities. This paper presents the synthesis of a regulator for controlling moisture content in the technological process of drying sugar beet pulp based on the Q-parametrization method. The code for implementing this controller in the controller is presented in the ST language in the CoDeSys 2.3 development environment. This work can be considered an example of using the latest achievements of TAU in the implementation of control algorithms for industrial control facilities based on modern software and hardware complexes

Key words: ACS-automatic control system of the dryer beet pulp, Q-parameterization, Smith founder

References

1. Voloshin Z.S., Makarenko L.L., Yankovskiy P.V. "Automation of sugar production. 2nd ed., reprint. and additional" ("Avtomatizatsiya sakharnogo proizvodstva"), Moscow: Agropromizdat, 1990, 271 p.

2. Sapronov A.R. "Technology of sugar production" ("Tekhnologiya sakharnogo proizvodstva"), Moscow: Kolos, 1999, 495 p.

3. Goodwin G.K., Grebe S.F., Salgado M.E. "Design of control systems", Moscow: BINOM, 2004, 911 p.

4. Surikov V.N., Buylov G.P. "Automation of technological processes and productions" ("Avtomatizatsiya tekh-nologicheskikh protsessov i proizvodstv"), textbook, St. Petersburg: SPbGUPTD, 2011, 77 p.

5. Drannikov A.V., Shevtsov A.A., Kvasov A.V., Bubnov A.R. "Formation of control channels for the process of combined drying of beet pulp", Automation. Modern technologies (Avtomatizatsiya. Sovremennye tekhnologii), 2019, no. 2, pp. 69-73.

6. Hepbasli A. "Exergoeconomical analysis of plum drying in a heat pump conveyor dryer", Drying Technology, 2010, vol. 28, no. 4, pp. 1385-1395

Submitted 26.05.2022; revised 16.08.2022 Information about the authors

Igor' A. Boldyrev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 324006, Russia), e-mail: [email protected], tel.: +7(473)243-77-20

Andrey V. Lyubimov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 324006, Russia), tel.: +7(920)443-51-70, e-mail: [email protected]