СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧЬЮ

Жученко А. И.¹, Цапар В. С.²

¹Доктор технических наук,

²старший преподаватель,

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»

СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТЕКЛОВАРЕННОЙ ПЕЧЬЮ

Аннотация

В статье предложена система управления процессом стекловарения, представляющая собой иерархическую структуру, которая позволяет устранить недостатки существующих подходов в управлении процессом стекловарения. Предложенная иерархическая структура системы управления предусматривает многоуровневое управление процессом и условно делится на три уровня: нижний уровень (ПИД-регулятор), средний уровень (нечеткий регулятор) и верхний уровень (экспертная система).

Ключевые слова: стекловаренная печь, система управления, ПИД-регулятор.

Zhuchenko A. I.¹, Tsapar V. S.²

¹PhD in Technical Sciences,

²senior Lecturer,

National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute"

CONTROL SYSTEM STRUCTURE OF GLASS FURNACE

Abstract

In the article the glassmaking process control system, which is a hierarchical structure that eliminates the disadvantages of existing approaches in the management of glassmaking. The proposed hierarchical control system provides multi-level governance and the process is divided into three levels: the lower level (PID controller), batting average (fuzzy controller) and upper level (expert system).

Keywords: glass furnace, control system, PID controller.

Стекольная промышленность является одной из базовых отраслей экономики Украины и играет важную роль в формировании макроэкономических показателей отдельных регионов и государства в целом.

Одним из самых распространенных стеклянных изделий является стеклянная тара. На фоне растущей тенденции использования экологических материалов, стеклянная тара приобретает все большую популярность, что обуславливает положительную тенденцию увеличения объема ее производства и потребления в Украине и мире.

Основным технологическим аппаратом в производстве любой стеклянной продукции и стеклотары является стекловарная печь, в которой получают стекломассу путем плавления смеси шихты и стеклобоя. Благодаря своим технико-экономическим характеристикам наиболее распространенными являются ванные регенеративные стекловаренные печи непрерывного действия с подковообразным направлением пламени. Применение стеклянной продукции ставит высокие требования к качественным показателям этой продукции. В свою очередь, качественные показатели готовой продукции напрямую зависят от температурного режима стекловаренной печи [1]. Именно поэтому, основной путь получения качественных стеклянных изделий – поддержание заданного технологического температурного регламента стекловаренной печи.

Для поддержания технологических параметров на заданном уровне используются системы  управления. К сожалению, существующие системы управления не обеспечивают требуемого качества стеклянной продукции. Следовательно, для обеспечения высокого качества стеклянных изделий необходимо разработать более эффективную систему управления.

Существуют различные подходы к построению систем управления стекловаренной печью. В работе [2] описана автоматическая система управления температурным режимом стекловаренной печи, которая обеспечивает поддержание температуры в определенных точках и базируется на применении ПИД-регулятора. ПИД-регулирование предназначено только для систем с одним входом и одним выходом. К сожалению, в стекольной промышленности наиболее важными технологическими параметрами являются такие, которые имеют тесную связь друг с другом. Применение ПИД-регуляторов вызывает трудности, при использовании их с объектами управления с большим показателем запаздывания. Обычно высокое время запаздывания может быть учтено с помощью заниженных настроек параметров ПИД-регулятора, однако это приводит к невысокой производительности управления. Чаще всего эта проблема преодолевается путем контроля не исследуемыми переменными процесса, такими как температура стекломассы, а контролированием вторичных переменных, таких как температура газо-воздушной среды. Это в свою очередь приводит к возникновению значительных температурных градиентов в самой стекломассе и увеличению брака готовой продукции. Работа [3] описывает систему управления температурным режимом, построенную на базе регулятора нечеткой логики. Нечеткие регуляторы имеют ряд недостатков. Среди них можно выделить невозможность математического анализа нечетких систем существующими методами, а также экспоненциальное увеличение сложности вычислений при увеличении входных переменных. Устранение данных недостатков возможно при использовании нечеткого регулятора параллельно традиционному ПИД-регулятору. В этом случае нечеткая логика используется для замены традиционных алгоритмов управления и совместно с ними. В работе [4] исследовано подход к автоматизации стекловаренных печей с использованием экспертных систем. На современном этапе своего развития экспертные системы имеют ряд недостатков, которые затрудняют их использование в качестве единственного средства принятия решения в системе управления. Очень сложной задачей является передача экспертной системе полного набора знаний о предметной области. Экспертные системы выдают решения базирующееся на последовательности шагов, предпринятых в процессе поиска решения, не обосновывая свой выбор, как это делает человек-эксперт. Все выше приведенные работы посвящены системам автоматизации, построенным на одном из вышеупомянутых принципов управления.

 Оптимизация управления реальным процессом в зависимости от конкретных условий также производится оператором вручную. Однако, учитывая, что процесс производства стекла является очень сложным, нелинейным и многомерным, эта задача для человека является чрезвычайно сложной для решения.

Таким образом, целью данной работы является разработка системы управления показателями качества стекломассы в процессе стекловарения с учетом возмущений различной природы.

Структура системы управления

При построении системы управления необходимо учесть два основных обстоятельства:

– Как показали выполненные исследования, для стекловаренной печи Гостомельского завода определяющими температурами являются температуры в своде печи и в точке квельпункта [1].

– Рассчитать заранее задания для названных выше температур невозможно в связи с наличием постоянно действующих возмущений, таких как состав шихты, количество и качество стеклобоя, и тому подобное. Сформировать задания для конкретных температур фактически возможно только на основе экспертных оценок.

В связи с приведенными обстоятельствами предлагается приведенная на рисунке 1 структура системы управления показателями качества стекломассы.

Рис. 1 – Иерархическая структура системы управления процессом стекловарения

Иерархическая структура системы управления предусматривает многоуровневое управление процессом и условно делится на три уровня:

1. Нижний уровень (ПИД-регулятор) – устройство в контуре управления с обратной связью. На данном уровне реализуется управление конкретными переменными, в наибольшей степени влияющими на качество стекломассы. В стекловаренной печи такими переменными являются температуры в определенных точках. Поддержание температуры на заданном уровне ведется путем влияния на расход топлива, которое подается в печь. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал с целью получения необходимой точности и качества переходного процесса. В данной системе управления, исходя из проведенного исследования, задачей ПИД-регулятора является поддержание на заданном уровне температуры в точке квельпункта и температуры в своде начала печи, что дает возможность получать продукцию требуемого качества [1].
2. Средний уровень (нечеткий регулятор) – формирует задание для нижнего уровня.

Нечеткий регулятор в автоматической системе управления температурным режимом стекловаренной печи используется для компенсации недостаточных знаний об объекте управления. Структурная схема нечеткого регулятора формирующего задание для ПИД-регулятора представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Структурная схема нечеткого регулятора

На рисунке 6 представлена структура нечеткого регулятора. Входные переменные количество пузырьков Nb и количество свилей Ns в блоке фаззификации превращаются в лингвистические переменные. База правил содержит нечеткие правила следующего вида:

где  (i=1,2,…L) – і-тое нечеткое правило; L – количество правил в базе;    – термы лингвистических переменных;  – выходные переменные;   – ее численное значение.

Значение выходной переменной согласно методу Такаги – Сугено рассчитывается как средневзвешенное. На выходе нечеткого регулятора формируется задание по температуре в точках свода начала печи и квельпункте  – соответственно. База правил нечеткой системы формируется путем опроса технологов и экспертов данной отрасли. Поскольку значительная часть производственного процесса стекла до сих пор регулируется вручную на основе опыта человека-оператора, правила, встроенные в предлагаемых нечетких контроллерах пытаются имитировать поведение оператора. Такой подход способен преодолеть высокие значения запаздывания в регулировании, изменение динамики процесса, возмущения и неопределенности в модели.

3. Высший уровень (экспертная система) – среда экспертных знаний.

Экспертная система обобщает и анализирует в режиме реального времени данные, операционные наблюдения и лабораторные анализы, чтобы делать выводы и давать рекомендации для оптимального регулирования процессом изготовления стекла. Экспертная система может использоваться в режиме онлайн или в автономном режиме. В режиме онлайн она дает диспетчеру рекомендации, которые определяют наилучшую стратегию управления, которую следует выполнять в обусловленных ситуациях. В автономном режиме экспертная система может быть использована для подготовки новых или неопытных диспетчеров.

Полученная в результате система управления позволяет объединить все лучшие стороны ее составляющих, тем самым нивелируя недостатки оных.

Выводы

В данной работе предложена структура автоматической системы управления процессом стекловарения, которая позволяет устранить недостатки существующих систем управления, основанных на локальных регуляторах, путем объединения их в одну систему. Данная система состоит из ПИД-регулятора, который реализует непосредственное управление температурами в точке квельпункта и своде печи над зоной загрузки шихты; нечеткого регулятора, который формирует значение температур, служащие заданием для ПИД-регулятора; экспертной системы, основное задание которой, принятие решений по управлению температурным режимом стекловаренной печи, основываясь на базе экспертных знаний.

 Сочетание классических подходов типа ПИД-регулятора и современных экспертных систем, позволяет решить многомерную задачу поддержания заданного температурного режима стекловаренной печи, которая на данном этапе требует вмешательства человека-эксперта, современными программными средствами. Также, входящая в систему управления экспертная система может быть использована как тренажер для подготовки неопытных технологов. В дальнейшем планируется проведения расчетов настроек соответствующих регуляторов и создание баз правил, а также исследования эффективности полученной системы управления.

Литература

1. Жученко А. І. Дослідження впливу температурного поля скловарної печі на показники якості скловиробів / А. І. Жученко, Цапар В. С. // Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження. – 2014. - № 1. – С. 3-7.
2. Backx A. C. P. M. Model-based glass melter control // Mathematical simulation in glass technology, Springer, 2002. – р. 137-155.
3. Суликова В. А. Алгоритм нечеткого управления процессом варки стекла / В. А. Суликова. // Вестник ОГУ. – 2014. - № 3. – С. 173-179.
4. Chmelar J. Supervisory advanced control of glass melters and forehearths by expert system / J. Chmelar, R. Bodi, E. Muysenberg. // Proc. Int. Congr. Glass. – 2001. - №1. – р. 247-254.

References

1. Zhuchenko A. I. Doslidzhennja vplyvu temperaturnogo polja sklovarnoi' pechi na pokaznyky jakosti sklovyrobiv / A.I. Zhuchenko, V.S. Capar. // Himichna inzhenerija, ekologija ta resursozberezhennja. – 2014. - №1. – S. 3-7.
2. Backx A. C. P. M. Model-based glass melter control // Mathematical simulation in glass technology, Springer, 2002. – р. 137-155.
3. Sulikova V. A. Algoritm nechetkogo upravlenija processom varki stekla / V. A. Sulikova. // Vestnik OGU. – 2014. - №3. – S. 173-179.
4. Chmelar J. Supervisory advanced control of glass melters and forehearths by expert system / J. Chmelar, R. Bodi, E. Muysenberg. // Proc. Int. Congr. Glass. – 2001. - №1. – р. 247-254.