CC BY
99
УДК 681.511
УПРАВЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ СУШКИ БАРДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЧЕТКОГО РЕГУЛЯТОРА
И.С. Макаш, А.В. Бурковский
В статье рассмотрена реализация системы управления с использованием нечеткого регулятора в процессах управления потенциально опасным технологическим процессом сушки барды
Ключевые слова: управление, регулятор, процесс сушки
Одним из технологических процессов спиртовой отрасли, характеризующихся потенциальной опасностью и обладающих рядом неопределенностей, является процесс сушки основного отхода производства (барды). Этот процесс характеризуется сложностью поддержания технологических параметров и малых рабочих диапазонов ведения процесса, высоким энергопотреблением и рядом неопределенностей. Поддержание заданных параметров процесса сушки барды напрямую влияет на объем производства сухой барды, качественные характеристики и, как следствие, экономическую эффективность спиртового производства в целом.
В настоящее время установлен запрет на производство спирта без переработки или утилизации барды на очистных сооружениях. В настоящее время распространена технология сушки барды в соответствии с ГОСТ 318092012 Барда кормовая. Сухую кормовую барду получают путем переработки и высушивания послеспиртовой барды. Ее используют в производстве комбикормов, а также в качестве высокобелковой добавки в рацион сельскохозяйственных животных и птиц [1].
Качественные характеристики сухой барды напрямую связаны с точностью поддержания технологических параметров процесса, оперативного реагирования на возмущения, регулирования. Традиционно поддержание параметров осуществляется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП), также на АСУ ТП возлагается функция противоаварийной защиты (ПАЗ). Система управления охватывает весь производственный цикл сушки барды.
Макаш Игнат Станиславович - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]
Бурковский Александр Викторович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]
Традиционно АСУ ТП делится на два уровня - «нижний» и «верхний». В основе «нижнего» уровня подсистемы находится программируемый логический контроллер (ПЛК). ПЛК осуществляет функцию обработки входных сигналов, их регистрацию, а также выдачу управляющих воздействий на исполнительные механизмы в соответствии с заложенными в ПЛК процедурами исполнения. Также ПЛК осуществляет функцию обработки команд, поступающих с «верхнего» уровня, передачу параметров технологического процесса на «верхней» уровень, где осуществляются обработка и отображение поступившей с ПЛК информации в виде трендов, текстовых сообщений и т.д. В подсистеме АСУ ТП «верхнего» уровня используют так называемые 8САБА-системы на персональных компьютерах или терминалах, на видеокадрах которых отображен процесс производства.
Процессы регулирования основаны на дискретных (позиционные, релейные, импульсные устройства) и непрерывных действиях (пропорциональные, П-;
интегральные, И-; пропорционально интегральные, ПИ-; пропорционально-интегрально-дифференциальные ПИД-
регуляторы). Структура ПИД-регулятора приведена на (рис. 1).
Е ^ > ПИД-регупятор Объект управления Y
г-
Рис. 1. Структура ПИД-регулятора
Коэффициенты усиления (настройки значений регулятора) устанавливаются при наладке системы управления. При этом принимаются во внимание экспертные знания процесса, рекомендации изготовителей оборудования, часть значений регуляторов устанавливается опытным путем в процессе производства. Системы управления, основанные на ПИД-регуляторах, в условиях
незначительных колебаний технологического процесса успешно справляются с задачей регулирования и поддержания параметров [2].
В системе управления процессом сушки барды можно выделить факторы, характеризующие его как объект управления (рис. 2). На рисунке показано, как изменение одного входного параметра ведет к изменению двух-трех выходных параметров.
Рис. 2. Процесс сушки барды как объект управления
Подобные изменения некорректно обрабатываются ПИД-регуляторами, так как в процесс вносятся значительные возмущения, а инертность системы управления приводит к временному смещению рабочих диапазонов, что негативно отражается на качестве и объеме готовой продукции, а также повышает риск аварийной ситуации.
На практике уменьшение объема барды, подаваемой на сушилку, приводит к росту температуры внутри сушилки из-за частичной разгрузки продукта сушки при сохранении режимов подачи теплоносителя (пара). При этом регулирование подачи пара по заранее выставленным коэффициентам ПИД-регулятора на начальном этапе незначительно, а впоследствии избыточно (рис. 3).
1^00 12:30 13 00 13 30 14:00 14 30 15:00 15 30 16:00
Рис. 3. Изменение процесса под управлением ПИД-регулятора
При этом косвенные параметры технологического процесса превышают предельно допустимые диапазоны
регулирования. Таким образом, при данном подходе в регулировании процесса сушки
барды требуется своевременная корректировка параметров лицом, принимающим решение (ЛПР). Круглосуточный контроль со стороны ЛПР увеличивает нагрузку на оператора, что повышает риск аварийной ситуации в случае принятия неверного решения или несвоевременной реакции на возмущение, возникшее в процессе производства.
Учитывая вышеуказанные недостатки традиционной системы ПИД-регулирования при ведении процесса сушки барды, предлагается реализация системы управления с использованием методов нечеткой логики с формированием корректирующих поправок в работе ПИД-регулятора (рис. 4), где Ъ -задание, Е - ошибка; Кп, Ти, Кд - параметры ПИД-регулятора, N - возмущение, У -выходное значение.
В предлагаемом ПИД-регуляторе с методами нечеткого управления настройки не будут статическими, их коэффициенты планируется изменять в зависимости от состояния системы в текущий момент времени. Такая система управления будет представлять собой нелинейную систему.
Это позволит качественно изменить процесс управления, не прибегая к сложным описаниям математической модели процесса сушки барды и неявных зависимостей параметров системы, а также сделать процесс управления более адаптивным.
Рис. 4. Регулятор с методами нечеткой логики
Регулятор с методами нечеткого управления в основе традиционного регулятора будет осуществлять корректировку
коэффициентов в настройках ПИД-регулятора зависимости от текущего значения параметра регулирования. В основе алгоритма работы нечеткого регулятора будет набор правил, которые формируются в блоке базы знаний в соответствии с экспертными знаниями процесса (рис. 5).
База правил нечеткого регулятора с двумя входными (х1, х2), имеющими четыре терма (Б1-04), и тремя выходными (у1, у2, у2),
имеющими семь термов со следующими значениями: (NB) negative big - отклонение отрицательное большое, (NM) negative medium - отклонение отрицательное среднее, (NS) negative small - отклонение отрицательное малое, (ZE) zero - отклонение нулевое, (PS) positive small - отклонение положительное малое, (PM) positive medium - отклонение положительное среднее, (РВ) positive big -отклонение положительное большое [3.
Рис. 5. База правил нечеткого регулятора
К входным параметрам относится текущее значение коэффициентов в настройках регулятора, к выходным параметрам относятся корректирующие значения параметров регулятора, оптимизированные в соответствии с экспертными знаниями.
Для лингвистических переменных ъ, Дz определяются нечеткие множества с соответствующими идентификаторами для функций принадлежности ц(ъ), ц(Дъ) и формируются две функции принадлежности. В одном случае аргументом является параметр ъ и Дъ (рис. 6).
Рис. 6. Входные функции принадлежности
С помощью функции принадлежности (рис. 7) задается требуемая поправка в настройке регулятора ц(к). Значения коэффициентов в настройках ПИД-регулятора адаптированы под текущие параметры сушки, а изменения в количественных и качественных показателях будут сглажены за счет изменения этих коэффициентов.
Реализовать систему нечеткой логики методов нечеткого управления в промышленных системах управления на базе комплексов SIMATIC (Siemens, Германия), возможно в прикладном пакете FuzzyControl++.
Данный пакет является встроенным решением, включает в свой состав инструментальные средства конфигурирования регулятора, готовые к применению функциональные блоки, не требует дополнительного времени на разработку и написание дополнительных процедур исполняемых ПЛК, что существенно снижает трудовые затраты при разработке систем управления.
Следует отметить, что использование FuzzyControl++ не исключает обратного перехода системы на работу с ПИД-регуляторами по команде оператора, что позволяет осуществлять оптимальное регулирование на основе использования преимуществ обеих систем.
Рис. 7. Выходные функции принадлежности
В результате внедрения нечеткого регулятора формирующего поправки в коэффициенты настроек ПИД-регулятора изменение параметра подачи барды не приводит к существенным отклонениям в работе и находится в допустимом диапазоне регулирования и поддержания заданных параметров сушки барды (рис. 8) [4].
Рис. 8. Изменение процесса под управлением нечеткого регулятора
Таким образом, использование методов нечеткой логики в работе регуляторов систем
управления позволяет получить качественный переходный процесс без использования вычислительных процедур, характерных для классического метода регулирования.
Литература
1. Макаш, И.С. Структура системы управления технологическим процессом сушки основного отхода производства в спиртовой отрасли [Текст] / И.С. Макаш, В.Л. Бурковский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. -Т. 8, № 11. - С. 152-154.
2. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования [Текст] : справочное пособие / под ред. А.С. Клюева. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. Михайленко, В.С. Методы настройки нечеткого адаптивного ПИД-регулятора [Текст] / В.С. Михайленко, В.Ф. Ложечников // ААЭКС. - 2009. - №2 (24).
4. Макаш, И.С. Нечеткое управление технологическим процессом сушки барды в условиях неконтролируемых источников возмущения [Текст] / И.С. Макаш, В.Л. Бурковский // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2014. - № 1. - С. 3842.
5. Барабанов, В.Ф. Многовариантное моделирование динамических систем эволюционного типа для управления в экстремальных ситуациях [Текст] / В.Ф. Барабанов, С.Л. Подвальный, О.С. Плахотнюк. -Воронеж. 2007.
Воронежский государственный технический университет
MANAGEMENT OF POTENTIALLY HAZARDOUS PRODUCTION DRYING STILLAGE
USING FUZZY CONTROLLER
I.S. Makash, A.V. Burkovsky
The article deals with the implementation of the control system using fuzzy controller in the management processes potentially dangerous process of drying stillage
Key words: management, regulator, drying process
