CC BY
0
УДК 65.012.122
https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2022.2.3
СТВОРЕННЯ СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧНО1 СХЕМИ ОБ'еКТУ КЕРУВАННЯ
У сmаmmi, створення структурно-параметричноХ схеми об'екту керування, авторiв Ситнiкова О.В. та Грчука Б.1., наведено задача створення структурно-параметричноХ схеми, скловарноХ печi, як об'екту керування в скловарному виробництвi. Процес виготовлення скла являе собою дуже енергоемну галузь народного господар-ства. Цти на природний газ, що виступае в ролi пального, зростають згiдно тенденцiям ринку та прогнозам експертiв, таким чином необхiдно максимально економiчно використовувати пальне, при цьому не змтювати яюсть вихiдного продукту. Шдтримання значення вихiдних параметрiв процесу такими, що вiдповiдають вимо-гам технологтного регламенту та економiя паливно-енергетичних ресурав завжди користуеться попитом. Створення системи керування тепловим режимом тд час експлуатаци скловарноХ печi, стае першочерговою задачею. Стадiя скловарiння представляе собою найбшьш вiдповiдальну ланку в технологiчнiй лiнii виробни-цтва скла внаслiдок того, що вiд якостi виробленоХ скломаси залежить яюсть отриманого юнцевого продукту. Неможливо ставити дослiди процесу виробництва скломаси, зупиняючи або призупиняючи виробничий процес, таким чином актуальною е задача створення математичноХ моделi печi, яка буде враховувати ва техноло-гiчнi особливостi процесу виготовлення скломаси, вхiднi та вихiднi параметри та збурення. Врахування вах вище зазначених параметрiв та взаемодiя мiж ними можливо при створенi структурно-параметричноХ схеми об'екту керування. В до^дженнях, що наведенi вроботi, естворення каналiв керування, виявлення основних вхiдних та вихiдних параметрiв. В результатi зi структурно-параметричноХ схеми визначено основний канал керування, а отриманi результати будуть використат при розробцi математичноХмоделi об'екту керування, створеннi та синтезi системи керування тепловим режимом скловарноХ печi.
Ключовi слова: скловарна пiч, параметрична схема, витрата, температура скломаси.
CREATION OF A STRUCTURAL AND PARAMETRIC SCHEME OF THE CONTROL OBJECT
In the article, creation of a structural and parametric scheme of the control object, authored by Sytnikov O.V. and Hrechuk B.I., the task of creating a structural-parametric diagram of a glass-making furnace as a control object in glass-making production is given. Purpose. The task of creating a mathematical model of the furnace, based on a structural parametric scheme, which will take into account all the technological features of the glass production process, input and output parameters and disturbances. Methodology. The process of making glass is a very energy-intensive industry of the national economy. Prices for natural gas, which acts as a fuel, increase according to market trends and expert forecasts, so it is necessary to use fuel as economically as possible, while not changing the quality of the original product. Maintaining the value of the initial parameters of the process in accordance with the requirements of the technological regulations and saving fuel and energy resources is always in demand. The creation of a system for controlling the thermal regime during the operation of the glass furnace becomes a primary task. Originality. The glass making stage is the most responsible link in the technological line of glass production due to the fact that the quality of the final product depends on the quality of the produced glass mass. It is impossible to experiment with the glass mass production process by stopping or suspending the production process. Taking into account all the above-mentioned parameters and the interaction between them is possible when the structural-parametric scheme of the control object is created. Results. In the studies presented in the work, there is the creation of control channels, the identification of the main input and output parameters. As a result, the main control channel is determined from the structural-parametric scheme. Practical value. The obtained results will be used in the development of a mathematical model of the control object, creation and synthesis of the control system for the thermal regime of the glass furnace.
Key words: glass furnace, parametric scheme, consumption, temperature of the glass mass.
Постановка проблеми
Економiчний ефект виробництва значною мiрою залежить ввд оргашзаци теплових режимiв роботи скловарно! печi. Процес варшня скломаси вiдбуваeться за високих температур, практично на рiвнi граничних, штен-сифiкацiя варiння скла стае можливою при рацiональному використаннi теплово! енерги у варильнiй зонi печь Для визначення оптимального теплового режиму роботи печi необхвдно дослiдити теплофiзичнi характеристик роботи печi, що ввдповщають заданим умовам енергоефективностi [1-3]. Створення системи керування, що тд-тримуе заданий тепловий режим роботи печ^ можливо на основi результатiв математичного моделювання вну-трiшнього теплообмiну. Однак, почати дослвдження, необхвдно iз розроблення структурно-параметрично! схеми регенеративно! скловарно! печi ванного типу з поперечним напрямом полум'я для врахуванням всiх входiв, вихо-дiв та збурень [4-6].
Aналiз основних дослiджень i публшацш
Аналiз скловарних печей, як об'еклв керування, розглянуто в роботах [2, 3, 5, 6], максимальна увага придь ляеться тепло-енергетичним процесам, що вщбуваються в скломасi та газовому простора Запропоновано розгля-дати температуру скломаси, на виходi з печ^ як основний параметр керування [3]. Принципу керування температурою газового простору присвячена робота [5, 6].
Питання збурення та його вплив на яшсть вихвдно! продукцп представлено в дослщженнях [3, 6].
Однак, в приведених дослiдженнях вiдсутня узагальнююча структурно параметрична схема, що врахуе всi вхiднi, вихiднi величини та збурення.
Формулювання мети дослiдження
Метою роботи виступае створення та дослщження структурно-параметрично! схеми скловарно! печi та визна-чення основного каналу керування.
Викладення основного матерiалу дослщження
Побудова структурно-параметрично! схеми скловарно! печi починаеться з видiлення вхвдних, вихвдних пара-метрiв та вказання збурення.
Вхвдш параметри для об'екту керування [2, 3, 7]:
• витрата палива (газу) (^газ);
• витрата повггря на процес горшня (^пов);
• витрата вихвдних газiв (на^вання повiтря) (^вих.газ);
• витрата шихти (^ших);
• витрата повiтря на барботаж (^пов.барб);
Вихiдними регульованими параметрами для об'екту керування [2, 3, 7-9]:
• рiвень скломаси в печi (¿ск);
• тиск розрщження в печi (Рроз);
• температура скломаси на виходi з апарату (Тск);
• температура газоповiтряно! сум^ в зонi освiтлення (Таз-пов);
• вмют кисню у вихiдних газах печi (ввдроблених) (0кис).
В скловарнш печi, мають мiсце збурюючi до, що подiляються на двi групи в залежностi вiд можливостi керування [7-9]
Кероваш:
• фiзичнi параметри газу на входi (тиск, температура, волопсть)(Ргаз, Тгаз, _/Таз);
• фiзичнi параметри повiтря на входi (тиск, температура, волопсть) (Рпов, Тпов, ./Лов);
Некероваш:
• склад сировини (шихти) (бших);
• швидк1сть завантаження шихти в ходi процесу варки (Кск).
• фiзичнi параметри навколишньго середовища (тиск, температура, вологiсть) (Рнс., Тнс., /н.с.);
Таким чином структурно-параметрична схема об'екту кервання,
з врахуванням каналiв звязку м1ж параметрами, матиме наступний вигляд
Рис. 1. Структурно-параметрична схема скловарно'1 ne4i
Структурно-параметрична схема (рис.1) сввдчить про те, що скловарна ni4 являе собою складний об'ект, скла-даеться i3 основних та допом1жних лiнiй зв'язку. Виходячи 3i схеми, вмiст кисню у вихвдних газах ne4i напряму залежить ввд витрати повiтря на барботаж, рiвень скломаси - вщ витрати шихти, розрiдження - ввд витрати вихвд-них газiв [5, 7, 9, 10], що подаються на названия вхвдного повiтря. Регулюються одноконтурними системами керування [3, 11], в подальшому приймаються сталими та практично не впливають на яшсть вихщно! якостi скломаси. Фiзичнi параметри навколишньго середовища (тиск, температура, волопсть - Рнс., T^., _/н.с) не можуть чинити суттевий вплив на переб^ процесу, внаслвдок того, що дiапазон змiни !х значень меньше, шж значення параметрiв технологiчного регламенту [2, 3]. Значеннями даних параметрiв нехтують, структорно-параметрична схема, набуватиме вигляду
Рис. 2. Приведена структурно-параметрична схема скловарноТ печi
Одиним з найважливших параметрiв печi виступае температура в зонi освiтлення газоповиряно! сумiшi (Тгаз-пов), внаслвдок того,що напряму впливае на якiсть скломаси [2, 6]. Регулювання температури газо-повиряно! сумiшi в зонi освiтлення скловарно! печi реалiзовано одноконтурною замкненою системою керування з одним вхвдним сигналом (Рпов), сигналом керування (^газ) i керованим збуренням (Тпов). В свою чергу пiдiгрiвання повiтря на входi здшснюеться використанням вихвдних (вiдроблених) газiв [4]. Кероване збурення Тпов можна розглядати в окремому контурi керування ^вих.газ-Тпов. Тиск газу та повiтря впливае на надшну i безпечну роботу апарату, без-посередньо вплив на температуру скломаси не чинить, тдтримано автономними системами контролю та настро-енi на вiдповiдне значення тиску [2, 12].
Основним вихвдним параметром скловарно! печ1, як теплового об'екту керування виступае температура скломаси (Тск) в точках встановлення термопар, залежить в1д витрати газу (^газ), витрати повиря (^пов), температури газу на вход1 (ГГ!В), складу шихти (бших), швидкосп руху скломаси в ход1 процесу варки (Кск). Приведенаструк-турна-параметрична схема (рис.2), розкладаеться на дв1 тдсхеми. В першш виходом буде виступати температура скломаси (Тск), а в другш - температура в зош освгглення газоповиряно! сумш1 (Тгаз-пов)
Рис. 3. Стуктурно-параметричноТ схеми скловарно'1 ne4i з вихвдним параметром «температура скломаси»
Рис. 4. Стуктурно-параметричноТ схеми скловарно'1 печi з вихщним параметром «температура газоповiтряноï сумiшi в зонi осв^лення»
Bхiднi параметри однаков^ а збурення pi3Hi (рис. 3 i 4). На значения Ггаз-пов суттевий вплив мае кероване збурення Тпов. Температура газо-повггряно1' cyMrni впливае на температуру скломаси i система, в якш вих1дним параметром е Тгаз-пов, входить до складу системи керування подачi пального до пальнишв печi, як один з конту-рiв. Biдповiдно вихвдним параметром загальноï системи виступае температура скломаси. Склад шихти (бших) та швидшсть руху завантаження (Кск), являють собою некероваш збурення [7, 13] i основною задачею при сиш^ системи керування е мiнiмiзyвати 1'х вплив на температурний режим cкловарноï печ^ що у свою чергу впливае на яшсть вихiдноï продyкцiï. Склад шихти визначаеться технологом виробництва, правильно пщбрат cкладовi (у вiдповiдних пропорщях), виключае його як збурення. Перед представленням остаточного каналу керування постае задача по виявленню впливу швидкосп руху скломаси. Налаштована система керування завантаженням шихти невшюе вплив данно1' дiï як збурення.
Параметр fn та Ргаз (фiзичнi параметри газу на вход^ тиск i волопсть) впливають тiлькi на як1сть та безпечну роботу газових пальникiв [8]. Щдтримувати усталений тепловий режим пальника, який не вщповщае робочим нормам, не можливо, тому таку ситуацш можна ввднести до аварiйноïi, яка не вщноситься до матерiалiв данних дослвджень. Виходячи з вище вказаного, основний канал керування буде представлени на наcтyпнiй cхемi.
Рис. 5. Основний канал керування скловарно'1 M4Ï
Для оптимально теплового режиму роботи необхвдно провести ряд дослщв, економ1чно недоцшьно проводит дослщи безпосередньо на об'екп керування. Данна задача вир1шуеться за допомогою математичного та 1м1тац1йного моделювання скловарно! печ1, що складаеться 3i скломаси, кладки, газового простору [2, 5]. Кож-нш 3i складових створюеться окрема модель, загальна модель розробляеться за модульним принципом та буде об'еднувати вище перерахованi складовi елементи. Bсi розглянутi входи, виходи та збурення будуть використову-ватися при моделюванш згвдно розроблено! структурно-параметрично! схеми скловарно! печ (рис. 2-4).
Висновки
В результатi проведених дослщжень зi структурно-параметричною схемою скловарно! œ4i було визначено основний канал керування: витрата газоповиряно! сумiшi (Fr!B) - температура скломаси (Тк) та температура газу (Тгаз). Результати будуть використаш при розробленнi математично! моделi об'екту керування, створенш моделi нагрiвання скломаси в скловарнш печi, що буде побудована за модульним принципом, та синл^ адаптивно! сис-теми керування тепловим режимом скловарно! печг
Список використано!' лiтератури
1. Левченко Б.А. Тепло- и массообменные аппараты и установки промышленных предприятий: Учебное пособие в 2томах (ч. 2) / Левченко Б.А., Братута Э.Г., Ефимов А.В., Кошельник В.М., Соловей В.В., Тарасенко Н.А., Филипьев О.В., Шевелев А.А. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2000. - 333 с.
2. Ящишин Й.М. Технолопя скла. Фiзика i хiмiя скла: Шдручник для вищих навчальних закладiв (ч. 1) / Ящишин Й.М. - Львiв: НУ «Львiвська полгтехшка», 2001. - 188 с.
3. Дзюзер В.Я. Проэктирование энергоэффективных стекловаренных печей / Дзюзер В.Я. - Москва: «Теплотехника», 2009. - 339 с.
4. Кошельник в.М. Математическая модель регенератора стекловаренной печи с неподвижной огнеупорной насадкой. Труды международной науч.-техн. конференции „Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье"/Кошельник В.М., Левченко Б.О., Кошельник А.В. - Х., 1997. - С. 108-111.
5. Захариков H.A. Теплообменные процессы в стекловаренных печах / Захариков H.A. - Киев: «Гостехиздат», 1962. - 246 с.
6. Гулоян Ю.А. Технология стеклотары и сортовой посуды / Гулоян Ю.А. - Москва: «Легпромбытиздат», 1986. - 262 с.
7. Волгина Ю.М. Теплотехническое оборудование стекловарных заводов / Волгина Ю.М. - Москва: «Стройиз-дат», 1982. - 276 с.
8. Винтовкин А.А. Горелочные устройства промышленных печей и топок / Винтовкин А.А., Ладыгичев М.Г. -Москва: «Интермет Инжинирин», 1999. - 560 с.
9. Кошельник А.В. Методика оценки влияния регенеративного подогрева воздуха горения на работу ванной стекловаренной печи. Труды ОПУ № 2(28)/ Кошельник А.В., Кошельник В.М., Долженко Е.Ю. - О., 2007. - С. 1-6.
10. Судзински Я.В. О разработке математических моделей течения стеклянной массы в ванных стекловаренных печах (теоретический анализ и численные алгоритмы) / Судзински Я.В. - Москва: «Ступень», 1994. - 112 с.
11. Сорокина А.Е. Анализ возможностей управления процессом стекловарения Автоматизация технологических процессов в производстве стекла. Сборник научных трудов. / Сорокина А.Е. - М., 1985. - С. 62-69.
12. Зубанов В.А. Механическое оборудование стекольных и ситалловых заводов. / Зубанов В.А., Чугунов Е.А., Юдин И.А. - Москва: «Машиностроение», 1975. - 408 с.
13. Рощин А.В. Оценка температурного поля стекломассы в условиях интенсивных помех. Автоматизированные системы управления в производстве строительного стекла. Сборник научных трудов / Рощин А.В., Уралов Д.Н. -М., 1982. С. 78-83.
References
1. Levchenko B.A., Bratuta E.G.., Efimova A.B., Koshelnik V.M., Solovey V.V, Tarasenko N.A., Philipev A.V, Sheveleva A.A. (2000) Heat-exchange and mass-exchange apparatuses and installations of industrial enterprises: Textbook in 2 volumes (p.2). Kharkiv: NTU «KPI».
2. Yaschishin I.M. Glass technology. Physics and chemistry of glass: Textbook for higher educational institutions (2001). Lviv: NU «Lviv Polytechnic».
3. Dzuzer V.Y. (2009) Design of energy efficient glass melting furnaces. Moscow: "Heatengineering".
4. Koshelnik VM., Levchenko B.A., Koshelnik A.V (1997). Mathematical model of a glass melting furnace regenerator with a fixed refractory packing. Proceedings of the international scientific and technical. conference „Information technologies: science, engineering, technology, education, health" Kharkiv. p.2. P. 108 -111.
5. Zakharicov N.A. (1962) Heat transfer processes in glass melting furnaces. Kyiv: "Gostekhizdat"
6. Gyloyan U.A. (1968) Technology of glass containers and high-quality tableware. Moscow: "Legprombytizdat"
7. Volgina U.M. (1982) Thermotechnical equipment of glassworks. Moscow: "Stroyizdat'
8. Vintovkin A.A., Ladigichev M.G. (1999) Burner devices for industrial furnaces. Moscow: "Internet Engineering"
9. Koshelnik VM., Koshelnik A.V, Doljenko E.U. (2007) Methodology for assessing the effect of regenerative heating of combustion air on the operation of a glass melting tank. Proceedings of the OPU. Odessa. № 2(28). P. 1-6.
10. Sudzinckiy Y.O. (1994) On the development of mathematical models for the flow of glass mass in glass furnaces (theoretical analysis and numerical algorithms) Moscow: "Stupen".
11. Sorokina A.E. (1985) Analysis of the possibilities of glass-making process control. Automation of technological processes in glass production. Collection of scientific papers. Moscow. P. 62-69.
12. Zubanov VA., Chugunov E.A., Ydin S.A. (1975) Mechanical equipment of glass and glass-ceramic plants. Moscow: "Mechanical engineering".
13. Roschin A.V., Uralov D.N. (1982) Estimation of the temperature field of glass melt under conditions of intense interference. Automated control systems in the production of building glass. Collection of scientific papers. Moscow. P. 78-83.
