на правах рукописи

СОБОЛЕВА Елена Геннадьевна

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ ПОЛУЧЕНИЯ СТИРОЛ-АКРИЛОВОЙ ДИСПЕРСИИ

Специальность 05.13.06. – "Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (промышленность)"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дзержинск – 2013 г.

2

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация и информационные системы»

(АИС) Дзержинского политехнического института (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е. Алексеева» (ДПИ НГТУ).

Научный руководитель: САЖИН Сергей Григорьевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры АИС ДПИ НГТУ, г. Дзержинск Нижегородской области.

Официальные оппоненты: КОРОСТЕЛЁВ Владимир Фёдорович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Владимир.

ЦАРАПКИН Александр Владимирович, кандидат технических наук, старший инженер отдела «Автоматизация и электротехника»

ООО «Уде», г. Дзержинск Нижегородской области.

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Научноисследовательский институт интроскопии МНПО «СПЕКТР», г. Москва.

Защита диссертации состоится «20» ноября 2013 года в 15 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Владимир, ул. Горького, д. 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат разослан «18» октября 2013 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, д. 87, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета, Н.Н. Давыдов д.т.н., доцент

I.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования Актуальной задачей современной теории и практики автоматического управления является создание и совершенствование новых подходов к решению задач управления сложными технологическими процессами. Однако условия работы реальных систем управления часто таковы, что характеристики входных сигналов и помех либо известны неточно, либо существенно изменяются во времени, возникает проблема повышения точности систем автоматического управления непосредственно в процессе её работы. Также не всегда возможно измерить все необходимые параметры из-за отсутствия технических средств измерения показателей качества. В этом случае основным инструментом исследования процесса и его параметров является математическое моделирование.

Использование математических моделей технологических процессов при создании систем автоматического управления позволяет определять параметры протекания процесса, которые невозможно измерить, показатели качества производимой продукции, а также решать задачи управления технологическим процессом в условия изменяющихся входных параметров с целью достижения требуемых выходных характеристик готовой продукции.

Примером подобных процессов является процесс получения стиролакриловой дисперсии (САД), основанный на радикальной сополимеризации. САД имеет широкую область применения и используется при производстве клеев, мастик, красок, лаков, в качестве пропиток нетканых материалов и т.п. Наиболее важным показателем качества САД является количество остаточных мономеров. Они придают композициям, приготовленным на их основе, неприятный запах и, являясь токсичными веществами, наносят вред здоровью человека. Качество готовой продукции оценивается по завершению основной стадии процесса синтеза САД. Это приводит к необходимости корректировки качества производимого продукта, проведению дополнительных операций, что является негативным фактором.

Исследованиями в области автоматизации химико-технологических процессов занимались такие ученые, как Балакирев В.С., Цирлин А.М., Шински Ф., Лебедовский М.С., Федотов А.И., Липатов Л.Н., Бояринов А.И., Кафаров В.В. и другие.

Проблемы проведения процесса полимеризации, в частности полимеризации акриловых мономеров и стирола, исследовались и изучались Розенбергом М.Е., Бухоновым Б.П., Семчиковым Ю.Д., Битюковым В.К., Тихомировым С.Г., Грачева Л.Н., Ма Тун. Значительно повлияли на развитие концепции создания интегрированных систем управления предприятием, в состав которых входят системы автоматизированного управления, труды Коростелева В.Ф., Макарова Р.И., Кострова А.В., Хорошевой Е.Р., Белобородова В.В. и Белова А.А.

Однако вопросы управления процессом полимеризации САД, особенно в России, изучены недостаточно. Получение САД с заданными свойствами требует сложных многоуровневых систем управления. Составной частью таких систем являются алгоритмы функционирования на основе математических описаний технологического процесса полимеризации в реальном времени. Таким образом, разработка математической модели и алгоритмов работы системы управления процессом получения стирол-акриловой дисперсии является актуальной проблемой.

Объектом исследований является полунепрерывный технологический процесс получения САД на стадии синтеза.

Предметом исследований являются математические модели объекта управления, методы и алгоритмы решения задач управления температурой реакционной смеси, качеством готовой продукции и скоростью процесса полимеризации применительно к динамическому объекту с отрицательным самовыравниванием, а также закономерности их функционирования.

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов работы системы управления процессом получения САД, обеспечивающей достижение заданного качества производимой продукции.

Поставленная в работе цель достигнута за счёт решения следующих задач:

1. Построение математической модели объекта управления, отражающей процессы, которые протекают в реакторе синтеза, для её дальнейшего использования в разрабатываемой системе управления процессом синтеза САД.

2. Разработка алгоритма регулирования температуры реакционной массы в реакторе синтеза с учетом его особенностей как объекта управления.

3. Разработка алгоритма управления скоростью протекания процесса синтеза САД на основной стадии полимеризации с целью стабилизации условий проведения процесса.

4. Разработка алгоритма управления содержанием мономеров в реакционной смеси на завершающей стадии полимеризации стирол-акриловой дисперсии с целью достижения требуемого качества САД по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.

Научная новизна 1. Разработана теоретическая математическая модель, с учетом особенностей протекания каждой стадии процесса синтеза САД, которая позволила синтезировать систему управления процессом с переменной структурой для достижения требуемого качества готовой продукции. Использованные в математической модели процесса уравнения тепловые балансы позволяют определить фактическую величину скорости реакции полимеризации, а уравнения материальных балансов – качественный состав реакционной смеси.

2. Предложен алгоритм уточнения параметров математической модели процесса полимеризации САД на предварительной стадии полимеризации, с целью адаптации разработанной математической модели к изменяющимся условиям.

3. Разработан алгоритм управления температурой реакционной смеси для объекта управления с отрицательным самовыравниванием. Проведено исследование и найдены оптимальные настройки ПИД-регулятора.

4. Разработан алгоритм работы системы управления, использующий фиксированные значения управляющих воздействий, для стабилизации скорости химической реакции полимеризации САД на основной стадии полимеризации, что позволило снизить влияние на процесс неконтролируемых возмущающих воздействий, а, следовательно, повысило управляемость процесса.

5. Разработан алгоритм комбинированного управления на завершающей стадии полимеризации, это позволило получить требуемое качество готовой продукции по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.

Теоретическая и практическая значимость работы В диссертационной работе разработана система управления процессом получения САД, решающая следующие задачи:

– уточнения параметров математической модели объекта управления на предварительной стадии полимеризации;

– управления температурой реакционной смеси для объекта управления с отрицательным самовыравниванием;

– стабилизации скорости протекания химической реакции на основной стадии полимеризации САД, с использованием алгоритма с фиксированными значениями управляющих воздействий;

– достижения требуемого качества готового продукта по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте за счёт использования комбинированного управления на завершающей стадией процесса полимеризации.

Разработано программное обеспечение на базе предложенных в диссертационной работе алгоритмов Теоретические и практические результаты диссертационной работы переданы в ООО «Компания Хома» (г. Дзержинск Нижегородская область) для внедрения задач в систему управления технологическим процессом в производстве САД.

Материалы диссертационной работы реализованы в учебном процессе ДПИ НГТУ в рамках дисциплин «Автоматизация технологических процессов и производств», «Интегрированные системы проектирования и управления», «Проектирование автоматизированных систем», «Программное обеспечение систем управления» по направлению 220700 «Автоматизация технологическими процессами и производствами».

Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы использовались: теория автоматического управления, комбинированного управления; методы математического моделирования процессов управления, оценка параметров математических моделей путём изучения материального и теплового балансов работы промышленного реактора синтеза САД.

Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ процесса полимеризации стирол-акриловой дисперсии как объекта управления.

2. Математическая модель объекта управления с переменной структурой, которая лежит в основе разработанной системы управления процессом получения САД.

3. Алгоритм уточнения параметров математической модели процесса полимеризации стирол-акриловой дисперсии на предварительной стадии полимеризации, позволяющий адаптировать разработанную математическую модель к изменяющейся активности исходных компонентов.

4. Алгоритм работы системы управления процессом полимеризации САД на основной стадии, заключающийся в стабилизации скорости химической реакции полимеризации САД и регулировании температуры реакционной смеси в реакторе синтеза.

5. Алгоритм комбинированного управления завершающей стадией полимеризации САД, позволяющий получить требуемое качество готовой продукции по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте.

6. Комплекс технического и программного обеспечения системы управления процессом получения САД.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и отдельные её разделы докладывались и обсуждались на IV городской молодежно-практической конференции «Молодежь города – город молодежи: Инновации в науке, образовании, промышленности региона» (г. Дзержинск, 2009 г.), на VIII – XII Международных молодёжных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» (Н. Новгород, 2009 – 2013 г.), на XVII – XIX Международных научно-технических конференциях «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2011 – 2013 г.), на XIX Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Самара, 2011г.), на XXV – XXVI Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологии»

(2012 – 2013 г.), на XVIII Нижегородской сессии молодых учёных (Н. Новгород, 2013 г.).

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 научные статьи в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Соискателю выдано 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616113 «Программный комплекс расчёта оптимального управления периодическим процессом синтеза САД» от 26 июня 2013 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и приложения. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит рисунка и 3 таблицы.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и основные задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, обоснована их достоверность, приведены научные конференции, на которых докладывались и обсуждались результаты работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние в области управления процессом производства стирол-акриловой дисперсии» выполнен анализ методов проведения процесса полимеризации САД, выявлены факторы, влияющие на качество готовой продукции, а именно температура проведения процесса, концентрация мономеров и инициатора персульфата аммония (ПСА) в реакторе синтеза, скорость процесса полимеризации. Проведён анализ стадии синтеза САД как объекта управления. Анализ показал необходимость улучшения системы управления данным технологическим процессом, а именно использование в ней новых подходов к управлению.

На рисунке 1 представлена технологическая схема стадии синтеза стиролакриловой дисперсии.

САД – стирол-акриловая дисперсия; ПЭМ – предварительная эмульсия мономеров;

В ходе работы выявлены особенности протекания процесса полимеризации стирол-акриловой дисперсии:

– на предварительной стадии полимеризации фактором неопределенности является различный состав исходной ПЭМ из-за различных рецептур, что требует уточнения параметров математической модели объекта управления, таких как константа инициирования, константа скорости;

– на основной стадии полимеризации САД при управлении температурой реакционной смеси следует учитывать, что объект управления является объектом с отрицательным самовыравниванием, кроме того происходит изменение степени заполнения реактора синтеза, а также необходимо стабилизировать скорость протекания процесса полимеризации, чтобы снизить влияния на процесс неконтролируемых возмущающих воздействий;

– на завершающей стадии требуется введения адаптивного управления для определения количества инициатора процесса ПСА, которое необходимо дополнительно загрузить в реактор синтеза для достижения заданного качества САД по показателю содержания остаточных мономеров в готовом продукте, который должен быть менее 0,1 масс. %.

Результат анализа стадии синтеза САД как объекта управления представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Параметры объекта управления реактора синтеза САД:

Fпэм,– расход предварительной эмульсии мономеров; Fпса – расход инициатора персульфат аммония; F – расход оборотной воды; Ср.м. – теплоёмкость реакционной массы в реакторе синтеза;

Спэм – теплоёмкость предварительной эмульсии мономеров; Спса – теплоёмкость инициатора персульфат аммония; Св – теплоёмкость воды; Tпэм – температура предварительной эмульсии мономеров; Tпса – температура инициатора персульфат аммония соответственно; Труб — температура в рубашке реакторе синтеза;

реактора синтеза; вых – температура оборотной воды на выходе из рубашки реактора синтеза; Т – температура в реакторе синтеза; – плотность реакционной массы в реакторе синтеза; пэм – плотность предварительной эмульсии мономеров; пса – плотность инициатора персульфат аммония; в – плотность оборотной воды; Kи – константа инициирования; f – параметр эффективности инициирования (0,5 – 1); M – концентрация мономера; J – концентрация инициатора; R – концентрация радикалов; К — коэффициент передачи теплоты; S — площадь передачи теплоты; G – тепловой эффект реакции; Vруб – объем рубашки реактора синтеза; V – объём реакционной массы.

Всё это свидетельствует о необходимости использования в системе управления процессом получения САД моделей и алгоритмов, которые будут обеспечивать стабильное протекание процесса синтеза САД с соблюдением регламентных ограничений и позволят на выходе получить готовый продукт требуемого качества.

Во второй главе «Математическая модель объекта управления процесса получения тирол-акриловой дисперсии» подробно рассматривается процесс синтеза САД. Стирол-акриловую дисперсию получают при радикальной сополимеризации стирола, бутилакрилата, метакриловой кислоты и акриламида. Также стоит отметить, что процесс синтеза САД является экзотермическим.

Весь процесс синтеза САД можно разделить на 3 стадии:

1. Предварительная стадия полимеризации (стадия I). В реактор синтеза загружены первые порции предварительной эмульсии мономеров и инициатора персульфата аммония.

2. Основная стадия полимеризации (стадия II). Инициатор и предварительная эмульсия мономеров непрерывно загружаются в реактор синтеза. Происходит регулирование температуры (78 – 82 °C) подачей оборотной воды в рубашку реактора синтеза.

3. Завершающая стадия полимеризации (стадия III). Дозируется только инициатор процесса. Температура реакционной смеси в реакторе синтеза поддерживается на уровне 78 – 82 °C.

Данные факты учитывались при разработке математической модели процесса синтеза САД. Поскольку процесс синтеза САД достаточно сложный и на каждой стадии имеются свои особенности его проведения, в разрабатываемой математической модели процесса эти особенности необходимо учесть.

При создании математических моделей объектов достаточно сложно описать реальный процесс, поэтому при разработке теоретических математических моделей принимают ряд допущений, что значительно упрощает расчеты и процесс моделирования на компьютере:

1) полимеризация состоит из трех элементарных реакций – инициирования, роста мономерной цепи и обрыва мономерной цепи;

2) реакционная способность радикалов не зависит от длины растущих цепей.

То есть константы элементарных стадий считаются независимыми от длины цепи.

3) скорость роста принята одинаковой для сополимеров с различными концевыми группами.

4) средняя длина полимерной цепи велика и поэтому мономер расходуется только в реакции роста цепи; расходом мономера в реакции инициирования можно пренебречь;

5) имеет место «стационарное состояние», когда скорость образования радикалов равна скорости их исчезновения;

6) рассматривается процесс с сосредоточенными параметрами; реактор синтеза рассматривается как реактор идеального смешения; теплообмен с окружающей средой не учитывается;

7) рубашка у реактора синтеза считается объектом идеального вытеснения.

С учётом указанных элементарных реакций процесса материальные балансы составляются по трём компонентам: по инициатору, радикалам и мономерам. Кинетические уравнения описывают процессы, протекающие на каждой элементарной стадии. Для составления теплового баланса рассматриваются тепловые процессы, протекающие в единице объема реактора синтеза и рубашки реактора, а именно:

- для стадии I: происходит выделение тепла в процессе реакции полимеризации и соответственно рост температуры реакционной смеси;

- для стадии II: выделение тепла в процессе реакции полимеризации; расход тепла на нагрев поступающих компонентов (предварительной эмульсии мономеров и персульфата аммония); передача тепла через стенку оборотной воде в рубашке реактора синтеза реакционной массе; нагрев оборотной воды через стенки реактора синтеза; забор тепла из рубашки при подаче оборотной воды.

- для стадии III: выделение тепла в процессе реакции полимеризации; расход тепла на нагрев поступающего в реактор синтеза инициатора процесса ПСА; передача тепла через стенку оборотной воде в рубашке реактора синтеза реакционной массе; нагрев оборотной воды через стенки реактора синтеза; забор тепла из рубашки при подаче оборотной воды.

Математическая модель процесса синтеза стирол-акриловой дисперсии в соответствии с вышесказанным будет:

Блок материальных балансов Блок кинетических уравнений Блок тепловых балансов для рубашки Начальные условия J0(t0), R0(t0), M0(t0), T0(t0).

где dJ/dt – скорость изменения концентрации инициатора; dM/dt – скорость изменения концентрации мономеров в реакционной массе; dR/dt – скорость изменения концентрации радикалов в реакционной смеси; dT/dt – изменение температуры в реакторе синтеза; WJ – скорость инициирования; WO – скорость обрыва мономерной цепи; WР – скорость роста мономерной цепи (скорость реакции полимеризации); Kо – константа обрыва мономерной цепи; Kр – константа роста мономерной цепи; J0(t0) – значение концентрации инициатора в реакционной смеси на начальный момент времени; R0(t0)– значение концентрации радикалов в реакционной смеси на начальный момент времени; M0(t0) – значение концентрации мономеров в реакционной смеси на начальный момент времени; T0(t0) – значение температуры в реакторе синтеза на начальный момент времени; t – время, t0 – начальное время.

Изменяющимися параметрами процесса синтеза САД будут: константы скорости и инициирования (они должны уточняться на предварительной стадии полимеризации); объём реакционной смеси в реакторе синтеза на основной стадии полимеризации; объём реакционной смеси и количество мономеров в реакторе синтеза на начало завершающей стадии полимеризации.

Полученная теоретическая математическая модель объекта управления, лежит в основе разработанной системе управления. Для этого на каждой из стадий протекания процесса полимеризации САД в системе управления используются соответствующие уравнения математической модели объекта управления.

В третьей главе «Синтез системы управления процессом получения стиролакриловой дисперсии» приведены результаты разработки системы управления на всех стадиях синтеза САД. В процессе получения САД выделены три стадии, поэтому и разработанная система управления включает три блока, работающих последовательно.

В главе описаны: алгоритм уточнения параметров математической модели объекта управления на предварительной стадии полимеризации; алгоритмы стабилизации скорости реакции с использованием фиксированных управляющих воздействий и управления температурой реакционной смеси для объекта с отрицательным самовыравниванием на второй стадии полимеризации; алгоритм комбинированного управления процессом синтеза САД для достижения требуемого качества готового продукта на завершающей стадии. Обобщённая схема системы управления процессом синтеза САД представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Обобщенная схема системы управления процессом На стадии предварительной загрузки перед системой управления стоит задача уточнения параметров кинетики протекания процесса полимеризации САД с использованием соответствующих уравнений математической модели объекта управления. Порядок расчёта следующий:

- опрашивается датчик температуры, в результате получают ряд значений температуры реакционной смеси T(i);

- из теплового баланса реактора по текущим значениям температуры реакционной смеси определяется скорость протекания процесса полимеризации САД в соответствующие моменты времени:

- концентрация мономеров определяется путём численного интегрирования уравнения материального баланса для мономера:

- константа инициирования определяется из соотношения начальной концентрации инициатора и конечной величины, определённой лабораторным методом по завершении стадии предварительной загрузки инициатора;

- концентрации инициатора и радикалов определяется из уравнений материального баланса по инициатору и уравнения кинетики для инициатора путём численного интегрирования с использованием принципа стационарности;

- по полученным данным из уравнения кинетики производится уточнение константы скорости Kp протекания процесса полимеризации по следующей формуле:

Работа системы управления на основной стадии полимеризации САД заключается в следующем.

По разработанной математической модели теплового баланса объекта управления для стадии II были определены два управляющих воздействия: расход инициатора ПСА Fпса и температура реакционной смеси Т, но изменения данных параметров возможно проводить только на малую величину, которая не будет нарушать технологического регламента. Также рассматриваемый процесс полимеризации САД на основной стадии полимеризации является объектом с отрицательным самовыравниванием.

В ходе работы над диссертацией была разработана структурная схема системы управления процессом синтеза САД на основной стадии полимеризации (рисунок 4), включающая контур регулирования скорости реакции полимеризации алгоритм с фиксированными значениями управляющих воздействий и контур регулирования температуры реакционной смеси.

Рисунок 4 – Структурная схема системы управления процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии на основной стадии полимеризации:

ХН – оборотная вода, ОУ – объект управления, ММ – математическая модель, S – интегратор, ФУВ – фиксированные управляющие воздействия; M*к, J*к – значения концентраций мономеров и инициатора в реакционной смеси по завершению основной стадии полимеризации Алгоритм формирования управляющих воздействий для стабилизации скорости протекания процесса полимеризации САД, представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Блок-схема алгоритма формирования управляющих воздействий для стабилизации скорости протекания процесса синтеза САД При работе системы управления производится опрос датчиков температуры реакционной массы, оборотной воды на входе в рубашку реактора и выходе из него, расхода ПЭМ, ПСА и оборотной воды. При этом по модели теплового баланса объекта управления определяется фактическая скорость протекания процесса, а по материальным балансам компонентов – расчётное значение скорости. Усреднённое значение скорости процесса сравнивается с заданной скоростью и, в зависимости от отклонения в соответствии с предложенным алгоритмом выбирается величина управляющего воздействия. Данные управляющие воздействия формируют задания на регуляторы температуры реакционной массы и регулятор расхода ПСА.

Величины шагов управления Fпса и k выбираются по условию обеспечения устойчивости управления с фиксированными значениями управляющих воздействий.

В каскадной системе управления скоростью реакции Wр участвуют два регулятора нижнего уровня: регулятор расхода инициатора и регулятор температуры реакционной массы. Настройка регулятора расхода инициатора – сравнительно простая задача, поскольку этот регулятор управляет выходным параметром усилительного звена, практически не имеющего запаздывания и инерционности.

где Хпса – степень открытия клапана на трубопроводе ПСА.

Что же касается регулятора температуры, то его настройка – достаточно сложная задача, поскольку по параметру температуры реактор синтеза представляет собой неустойчивый объект с отрицательным самовыравниванием. При определении задания регулятору температуры реакционной смеси также учитывается изменение массы реакционной смеси в реакторе синтеза. Поэтому регулирование температуры будет протекать в следующем порядке: пока температура реакционной массы не соответствует заданию (78 – 82 °C) используется ПИД-закона регулирования. Как только температура будет входить в заданный регламентом диапазон, система управления будет находить управляющее воздействие по обеспечению условия dT/d = 0, т.е. осуществляется фиксация температуры на заданном значении.

Для анализа качества работы системы управления использовался интегральноквадратичный критерий. Система проверялась на устойчивость при изменении задания регулятору скорости реакции. Для признания работы системы управления процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии в стационарном режиме полимеризации устойчивой: проводилась оценка соблюдение технологического регламента, рассчитывался оптимальный шаг управления (основным управляющим воздействием является расход инициатора, дополнительным – температура реакционной смеси).

Результат моделирования для начального значения Wp = 0,5 кг(М)/(м3 мин) и задании скорости процесса: Wр = 0,52 кг(М)/(м3 мин) представлен на рисунке 6.

Из расчёта минимального значения интегрального квадратичного критерия были найдены оптимальные настройки:

– ПИД-регулятора температуры объектом с отрицательным самовыравниванием:

Кп_рег = 0,012 – коэффициент пропорциональности; Ки_рег = 0,0003 – коэффициент интегрирования; Кд_рег = 1,7 – коэффициент дифференциирования.

– регулятора с фиксированными управляющими воздействиями: шаг управления Fпса, при котором система работает устойчиво, равен 0,05, и коэффициент k = 0,1.

Рисунок 6 – Динамика изменения управляющих воздействий (расхода ПСА (а) и температуры реакционной смеси (б)) и управляемого параметра (скорости реакции полимеризации (в)) По результатам моделирования было выявлено, что при работе системы управления оба управляющих воздействия, расход инициатора ПСА (рис. 6, а) и температура реакционной смеси (рис. 6, б), остаются в границах технологического регламента, время же установления заданного значения скорости реакционной смеси (рис. 6, в) не превышает 20 – 25 минут. с фиксированными значениями управляющих воздействий Таким образом, предлагаемый алгоритм работы система управления процессом синтеза на основной стадии полимеризации обеспечивает качественную стабилизацию режима работы реактора получения САД по скорости протекания процесса.

Стадия синтеза стирол-акриловой дисперсии завершается после загрузки в реактор всей порции предварительной эмульсии мономеров и закрытия отсечного клапана её подачи.

На завершающей стадии процесса, после прекращения подачи в реактор синтеза предварительной эмульсии мономеров, выполняется превращение оставшихся в реакторе мономеров в стирол-акриловую дисперсию, пока содержание мономеров в реакционной смеси не достигнет 0,1 масс. %. Содержание мономеров в готовом продукте является основным показателем качества готовой стирол-акриловой дисперсии. Для получения продукции требуемого качества в реактор синтеза после прекращения подачи предварительной эмульсии мономеров продолжают дозировать инициатор.

Разработана комбинированная система управления технологическим процессом на завершающей стадии (рисунок 7), данный алгоритм включает управление по возмущению и отклонению.

Рисунок 7 – Структурная схема системы управления процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии на завершающей стадии полимеризации Возмущающим воздействием на завершающей стадии полимеризации САД является случайное значение концентрации предварительной эмульсии мономеров M*к в реакционной смеси, достигнутое к началу этой стадии. Так как на данной стадии ПЭМ не загружается в реактор синтеза, то материальный баланс по мономеру будет иметь вид:

Поэтому расчёт количества инициатора ПСА, которое дополнительно должен быть загружен в реактор синтеза, будет вестись по следующему уравнению:

где mпса – масса инициатора;

и время дозирования доз требуемой порции инициатора при постоянном расходе:

Управление концентрацией мономеров в реакционной смеси только по возмущению не является достаточно точным и может привести к ситуации слишком быстрого снижения концентрации инициатора, результатом чего будет снижение скорости реакции превращения мономеров в целевой продукт и прекращение снижения концентрации мономеров, т.е. затруднение в обеспечении качества готового продукта по содержанию мономера (не выше 0,1 %). Для гарантированного достижения требуемого качества готового продукта наряду с управлением по возмущению выполняется также управление по отклонению путём широтно-импульсного регулирования концентрации мономера в реакционной смеси при нулевом задании концентрации мономеров регулятору и управляющем воздействии по расходу инициатора в реактор.

Расчёт величины коэффициента скважности D для данного регулятора будет вестись следующим образом:

Результат моделирования работы комбинированной системы управления представлен на рисунке 8 (при исходных значениях: Fпса = 3 кг/мин; J = 2,7 кг/м3;

M = 29,5 кг/м3; k = 0,21; V = 2 м3, Т = 1 мин и при рассчитанных значениях mПСА = 6,4 кг, доз = 2,13 мин).

Рисунок 8 – Динамика изменения концентрации мономеров в реакционной смеси (а) и концентрации инициатора ПСА в реакционной смеси (б) В ходе работы такой системы происходит снижение концентрации мономеров в реакционной смеси до 0,1 масс. % за 60 – 70 минут (рис. 8, а). К этому же времени расходуется и весь инициатор (рис. 8, б). Это свидетельствует о способности предложенной комбинированной системы управления обеспечить заданное качество готового продукта (количества остаточных мономеров менее 0,1 масс. %) на завершающей стадии полимеризации.

Таким образом, в данной главе были разработаны и исследованы алгоритмы работы системы управления процессом синтеза САД на всех стадиях процесса полимеризации, использование которых позволило получить САД требуемого качества.

В четвертой главе «Технологическое и программное обеспечение процессом получения стирол-акриловой дисперсии на стадии синтеза» описан выбор технических средств системы управления процессом получения САД, создан программнотехнический комплекс на базе микропроцессорного контроллера Simatic SM-400, разработано программное обеспечение системы управления на базе математического пакета моделирования Matlab, реализующее следующие алгоритмы:

1. Алгоритм регулирования температуры реакционной смеси при управлении объектом с отрицательным самовыравниванием;

2. Алгоритм управления с фиксированным значением управляющих воздействий скоростью протекания процесса полимеризации, использующий два управляющих воздействия;

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Построена математическая модель объекта управления с переменной структурой, учитывающая особенности проведения процесса полимеризации САД на всех стадиях.

2. Разработан алгоритм уточнения параметров математической модели объекта управления для адаптации предложенной математической модели применительно к управлению процессом получения стирол-акриловой дисперсии по заданной рецептуре.

3. Разработаны алгоритмы управления технологическими параметрами на основной и завершающей стадиях полимеризации, позволившие получить САД требуемого качества по показателю содержания мономеров в реакционной смеси.

4. Результаты работы переданы на кафедру АИС ДПИ НГТУ для использования в учебном процессе. Теоретические и практические результаты переданы в ООО «Компания ХОМА» (г. Дзержинск) для внедрения.

IV. СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ

ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Соболева, Е.Г. Промышленные анализаторы и задачи повышения эффективности технологических процессов [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин, Б.В. Артемьев // Журнал «Контроль. Диагностика», – 2013 г. № 2 (176). – С. 23 – 27. (Соискатель – 30 %).

2. Соболева, Е.Г. Управление процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии с использованием алгоритма с нечёткой логикой [Текст] / Е.Г. Соболева, Э.М. Мончарж // Журнал «Фундаментальные исследования», – 2013 г. № 10, часть 6. – С. 1219 – 1226. (Соискатель – 50 %).

В других изданиях:

3. Соболева, Е.Г. Автоматизация стадии синтеза процесса получения стиролакриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, Э.М. Мончарж // Сборник докладов VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2009 г. – С. 324 – 325. (Соискатель – 60 %).

4. Соболева, Е.Г. Оптимизация стадии синтеза процесса получения стиролакриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева // Сборник докладов IV городской молодежно-практической конференции «Молодежь города – город молодежи: Инновации в науке, образовании, промышленности региона». Дзержинск, – ноябрь, 2009 г. – С. 80 – 81.

5. Соболева, Е.Г. Оптимальное управление процессом получения стиролакриловой дисперсии на стадии синтеза [Текст] / Е.Г. Соболева, Э.М. Мончарж // Сборник докладов IX Международной молодежной научнотехнической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2010 г. – С. 358. (Соискатель – 60 %).

6. Соболева, Е.Г. Информационное обеспечение системы управления процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин // Сборник докладов XVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы технологии». Н.Новгород, – апрель, 2011 г. – С. 216. (Соискатель – 50 %).

7. Соболева, Е.Г. Постановка задач оптимизации производства стирол-акриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин // Сборник докладов X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2011 г. – С. 312. (Соискатель – 50 %).

8. Соболева, Е.Г. Разработка системы управления процессом синтеза стиролакриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин // Сборник докладов X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2011 г. – С. 313. (Соискатель – 60 %).

9. Соболева, Е.Г. Историко-научные и философско-методологические аспекты феномена "искусственный интеллект" [Текст] / Е.Г. Соболева // Сборник докладов X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2011 г. – С. 368.

10.Соболева, Е.Г. Анализ системы управления процессом синтеза стиролакриловой дисперсии с диагностикой технологических параметров [Текст] / Е.Г. Соболева // Сборник докладов XIX Всероссийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика». Самара, – сентябрь, 2011 г. – С. 85.

11.Соболева, Е.Г. Система управления процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии на основе программно-технического комплекса SIMATIC [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин, Н.А. Бахметова // Сборник докладов XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Н.Новгород, – апрель, 2012 г. – С. 199. (Соискатель – 40 %).

12. Соболева, Е.Г. Создание системы управления процессом синтеза стиролакриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин // Сборник докладов XI Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2012 г. – С. 326. (Соискатель – 60 %).

13.Соболева, Е.Г. Система управления процессом получения стирол-акриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин // Сборник трудов XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии – ММТТ-25». Т. 4. Саратов, – 2012 г. – С. 195 – 197. (Соискатель – 14.Соболева, Е.Г. Использование алгоритма с нечёткой логикой при управлении процессом синтеза стирол-акриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, Э.М. Мончарж // Сборник докладов XIX Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии». Н.Новгород, – апрель, 2013 г. – С. 211. (личное участие 60 %).

15. Соболева, Е.Г. Управление качеством стирол-акриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, Э.М. Мончарж // Сборник трудов XXVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологии – ММТТСаратов, Н.Новгород, – 2013 г. С. 165 – 167. (Соискатель – 60 %).

16.Соболева, Е.Г. Управление температурным режимом процесса синтеза стиролакриловой дисперсии [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин, Э.М. Мончарж // Сборник докладов XII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, – май, 2013 г. – С. 326.

(Соискатель – 40 %).

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ:

17.Программный комплекс расчёта оптимального управления периодическим процессом синтеза САД [Текст] / Е.Г. Соболева, С.Г. Сажин. – № 2013616113, – зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 26.06.2013. (Соискатель –