SU1392170A1 - Способ автоматического управлени процессом размола бумажной массы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике автоматического управлени  технологическими процессами в целлюлозно-бумажной промышленности и может быгь также использовано в промышленности строительных материалов и химической промышленности. Цель изобретени  - повышение точности управлени , обеспечение заданных качественных показателей бумаги и минимизаци  удельного расхода энергии на размол. Способ осуш,ествл ют путем измерени  усилий размола, давлени  массы на входе мельницы и регулировани  управл юшего воздействи  по величине рассогласовани  между измеренным и заданным значени ми усили  размола. При этом дополнительно измер ют концентрацию массы на входе мельницы, определ ют заданные значени  усили  размола и концентрации массы по заданным качественным показател м бумаги, конструктивным параметрам мельницы и измеренному значению давлени  массы, сравнивают определенное значение концентрации с измеренным и в зависимости от полученного рассогласовани  периодически корректируют заданные значени  усили  раз.мола и концентрации массы. 1 ил. i (Л

Description

со со ю

Изобретение относитс  к автоматическому управлению технологическими процессами и оборудованием целлюлозно-бумажных производств, а именно к способам автоматического управлени  процессом размола волокнистой суспензии, может быть также использовано в промышленности строительных материалов и химической промышленности .

Цель изобретени  - повышение точности управлени , обеспечение заданных качественных показателей бумаги и минимизации показателей удельного расхода энергии на размол.

На чертеже схематично представлена система автоматического управлени  процессом размола бумажной массы, преимущественно в валковой мельнице.

Объект автоматического управлени  - валкова  мельница состоит из гладкого вала 1 большого диаметра с подшипниками 2, формируюшего устройства 3 с входным улиткообразным патрубком 4, малых размалывающих валков 5, прижимных пневмо- цилиндров 6.

Система автоматического управлени  включает датчик 7 усили , действующего на подшипник вала 1, магнитоупругий типа МУД, датчик 8 концентрации волокнистой массы на входе в мельницу типа «PuIp--EL, датчик 9 давлени  волокнистой массы во входном патрубке типа МС- Э2, ручные задатчики 10-12 типа РЗД, миллиамперметры 13 и 14 типа Ml830, блоки 15 и 16 кондуктивного разделени , блок 17 вычислительных операций типа БВО, вычислительные устройства 18, 19, 20 на базе микропроцессоров типа К587, регулирующий блок 21 типа РБА, электропневматический преобразователь 22 типа ЭПП,

Способ осуществл етс  следующим образом .

Вычислительное устройство блока 20 работает в двух режимах: до начала процесса размола (первый режим) и в процессе размола бумажной массы (BTOpoJi режим).

В первом режиме в зависимости от вида размалываемой бу.мажной массы и требований , предъ вл емых к прочностным показател м получаемой из нее бумаги, на вычислительное устройство 20 подают с помощью задатчиков 10-12 сигналы, пропорциональные требуемым значени м прироста прочностных показателей бумаги, а именно Y|Tp. - требуемый прирост разрушающего усили  (Н), 2гр. - требуемый прирост удлинени  бумаги (%), . - требуемый прирост сопротивлени  раздиранию (сН).

В этом режиме блок 20 рещает задачу по определению оптимальных значений массы М бумажного полотна Xi (г/м), напр жени  сжати  полотна Х2 (МПа), относительно скорости Хз (%) вращени  малых размалывающих валов 5 и скорости Х4 (м/мин) движени  полотна, сформованного

устройством 3, с целью минимизации удельного расхода электроэнергии на размол 4 (МДж/т.в.с.в.). При этом, поиск условного минимума 4 производитс  так, чтобы рассчи- танные в процессе рещени  задачи значени  YI, Y2, YS были бы не меньше, чем введенные в блок 20 с помощью задатчиков 10- 12, т.е. должны выполн тьс  услови  YI Y|Tp.; Y2 Y2Tp; YS Ysrp, а удельный расход электроэнергии Y4 должен быть минимальным .

Четыре уравнени  регрессии дл  YI, Y2, YS, Y4 получают методом факторного планировани  эксперимента.

На основании предварительных экспери- ментов по размолу различных видов бумажных масс на валковой мельнице был выбран план второго пор дка Бокса-Хантера, который обеспечивал необходимую точность описани  процесса.

Данный план второго пор дка Бокса- Хантера позвол ет аппроксимировать поверхность отклика полиномами вида

Y, -f| a7l-f.| ,x,-xy+ ,2 a - xf, (1)

t i

где X:(, 2, 3, 4) - значение факторов в ко- ординированном виде (,2);

ао, а/, a,-j, а,-,- - коэффициенты уравнени  регрессии;

К -пор дковый номер

уравнени  регрессии . (функции отклика), , 2, 3, 4.

Значени  коэффициентов получают расчетом , использу  данные эксперимента по следующим формулам

  1 у Y -  У у Y

ао - 3; - г- 2j Xiuifiu,

40

l -+l4ll - --Alr- (2)

i -

Затем был произведен дисперсионный анализ уравнений регрессии, который показал , что все четыре уравнени  дл  YI, Y2, YS, Y4 адекватно описывают поверхность отклика (критерии адекватности соответственно равны 0,749; 0,716; 3,14; 2,05 и все они меньше соответствующего критери  Фи- шера Та (10,6) 4,06).

Уравнени  регрессии, в. которых переменные факторы вход т в кодированном безразмерном виде (-2 X; 2) удобны дл  анализа и нахождени  экстремумов функций % , Yj , YS , Y , поэтому в таком виде они используютс  в 1-ом режиме работы блока 20. Дл  проведени  расчетов и управлени  процессом размола удобнее пользоватьс  уравнени ми, в которых переменные факторь даны в фактическом (размерном ) виде, т.е. xi, Х2, хз, Х4.

Св зь между х,- и х/ определ етс  по формуле

х,-х,°

1/

./

где X,- - основной уровень факторов; Я/- шаг варьировани .

Например, xi

Х|-250.

50

Х2

V - хз-62. Х4-180 3г 60

(4)

Y4 хранитс  в пам ти ВУ. Первоначальное значение Y принимаетс  равным.

Подставл   выражени  (4) в формулу 5 например, 10 Такое значение Y4 недости- (1) и провед  р д преобразований, полу-жимо при любом сочетании величин xi, хз.

.хз, Х4 (1).

ним выражение (О) дл  1ь, в котором.з, Л4 i). сде..1с1ни дли ruiu, i

вместо коэффициентов ао а будутвеличина Y4, рассчитанна  впервые,

соответствующие коэффициенты Ьп b;f,залась бы меньше и был; f/ и переменные (размерные) факторы х/.

Xi.

Это сделано дл  того, чтобы

окала бы

введена в пам ть ВУ. В результате это- 20 го 4 становитс  равной Y4«n«. В дальнейшем , при анализе следующих узлов величина Yi - всегда сама  наименьша  из всех значений Y4, рассчитанных ранее.

. Если выполн етс  условие Y4 ; Y4, то ВУ запоминает Y4, принимает Y Y4, заitPrroS T arb ZTjH -eTbZo соо™е.с.в,™„е з„з«н„  .„ ,.., устройства блока 20 и он приступает к ре- щению задачи поиска условного экстремума

ffe) 4 (К)S ц CxJ4 (Kl .

Y bo + .2 b,x,+ E 2b,- X;Xj+ 2b,-/x, (-f i-2i-i

(5)

Значени  всех коэффициентов (a , b

функции Y4, определ   при этом соответствующие безразмерные значени  xi, Х2, хз, Х4 а следовательно, и значени  размерных ве- 30

личин хь Х2, хз, Х4, использу  формулу (3), производитс  анализ следующего узла по выражениюн- -.) .

Хз, Х4 YI, YS, Y3 и переходит к анализу следующего узла сетки, т.е. к пункту 5.

Если это условие не выполн етс , т.е. Y4 Y, то ВУ не запоминает значени  Х|, Х2, Хз, Х4, YI, Y2, Y3, Y4, а переходит

,.

(6)

Алгоритм решени  такой задачи можно представить, например в таком виде:

Хзмакс Х4иакс +2, ПрИЧеМ ДОЛЖНО

4

.2 ) разбиваетс  четырехмерной простсетки по описанной методике, начина  с пункта 2. Расчеты заканчиваютс , когда будут проанализированы все узлы четырех ,нсА,са«и,ь, n uHHMCH в liiKUM ьидс: . пространственной сетки,- т.е. когда . Область допустимых решении (дл  пла- 35 х х х х х. 2

на Бокса-Хантера ,+2, т. е-. х,м„„ Таким образом вУ блока 20 в конце пер Х2мин хзмик х4«ин --2 , а Х1макс х2макс режима работы выдает значени  X,,

быть у у л рассчитанные по формуле (6) на основании значений xi, Х2, хз, Х4, обеспе- 40 чивающих миниму.м удельного расхода энергии на размол Y4 дл  получени  требуемых прочностных показателей бумаги YI,,,,,, ,

Y3;,i,).

В качестве примера рассмотрим следующие результаты.

1. Пусть Y|,,,p 16Н; Y2,,,,, 0,7%; Y3,,,p 20 сН. В результате расчетов по описанной методике получим: ,9; ,2j ,6; ,75.

ранственнои сеткой с заданными интервалами дл  каждого фактора (было прин то в расчетах ,05, что, как показали расчеты, обеспечивает достаточную точность).

2. Вычислительное устройство (ВУ) бло- ка 20 последовательно в цикле варьирует величины Х|, Х2, хз, Х4 от минимального

(х,-мин -2) до максимального (Хмакс :

2). На каждом шаге провер етс  усСоответственно , по формуле (6)

Х, 295 Г/М-; МПа; ,2%;

ловие .Sxi 4, выполнение которого гаран- м/мин. тируетГ что расчеты ведутс  в области паииг, -./Q

допустимых решений. Если это условие на каком-либо шаге не выполн етс , что ВУ переходит к следующему узлу сетки.

3. Если это условие выполн етс , то ВУ блока 20 рассчитывает по формуле (1) значени  функций YI, Y2, Y3, в данном узле сетки и последовательно сравнивает их с соответ55

В данном узле сетки значени  функций

равны:

Yi 16,58 Н; Y. 0,708%; ,054 сН;

,22 МДж/т.

2. Пусть Y,,,.,,, 16H; Y2,,,,,0,7%; Y3,,,,, 44 сН , тогда ,6; ,6; ,25; ,6; Xi 330r/M-; Х9 18МПа; м/мин; Y, 16,8 Н; ,7%; ,04 сН; ,21 МДж/r.

ствующими значени ми Yi.,,,,,, 2тр, Ysmp, введенными с помощью задатчиков 10, 11,12.

Если выполн ютс  все услови  YI YI,,,,,; Y2 Y2,,ip; з Ya,,,,,; то ВУ переходит к пункту 4.

Если хот  бы одно из этих условий не выполн етс  , то ВУ переходит к пункту 5.

4. ВУ рассчитывает в данном узле сетки величину удельного расхода электроэнергии iO Y и сравнивает ее с самым минимальным значением Y из всех, которые были получены при анализе предыдущих узлов..

Y4 хранитс  в пам ти ВУ. Первоначальное значение Y принимаетс  равным.

5 например, 10 Такое значение Y4 недости- жимо при любом сочетании величин xi, хз.

например, жимо при

.хз, Х4 (1).

.з, Л4 i).

величина Y

(5)

соо™е.с.в,™„е з„з«н„  .„ ,..,

Хз, Х4 YI, YS, Y3 и переходит к анализу следующего узла сетки, т.е. к пункту 5.

Если это условие не выполн етс , т.е. Y4 Y, то ВУ не запоминает значени  Х|, Х2, Хз, Х4, YI, Y2, Y3, Y4, а переходит

м/мин. паииг, -./Q

55

В данном узле сетки значени  функций

равны:

Yi 16,58 Н; Y. 0,708%; ,054 сН;

,22 МДж/т.

2. Пусть Y,,,.,,, 16H; Y2,,,,,0,7%; Y3,,,,, 44 сН , тогда ,6; ,6; ,25; ,6; Xi 330r/M-; Х9 18МПа; м/мин; Y, 16,8 Н; ,7%; ,04 сН; ,21 МДж/r.

Из сравнени  этих двух Ешриантов видно, что стремление получить во втором вариан те высокое значение з (прирост сопротивлени  раздиранию) при сохранении одинаковых значений и Y2mp, привело почти к двухкратному увеличению необходимого удельного расхода энергии 4.

Так как при размоле сульфатной небеленой целлюлозы дл  получени  мешочной бумаги достаточно, чтобы Ysmp 20 сН. то

Р - давление массы на входе в формующее устройство. Па;

а - коэффициент поверхностного нат жени  воды, 0,07 Н/м; р, РО - плотности соответственно воды и

волокна,

р 10Чг/м po 1,5 10 кг/м . Сзд. определ етс  из уравнени  (8), кото рое решаетс  одним из численных методов, например методом Ньютона, обеспечиваю- отсюда следует важность процесса оптими- 10 ш,им быструю сходимость, зации дл  получени  минимума удельногоПроиллюстрируем этот метод примером.

расхода энергии. В дальнейшем в качест-Пусть диаметр d формующего устройве примера будет поэтому рассматривать- ства 3 равен 0,5 м, а скорость Х по- с  первый вариант данных.лотна, рассчитанна  ранее в блоке 20, равна

По величинам Х. и Х показанным вто- 225 м/мин. Учитыва , что длина зоны фильт- ричными приборами 13 и 14, оператор уста- 15 рации составл ет обычно половину длины ок- навливает соответственно относительную ско- ружности устройства 3, то врем  фильтра- рость вращени  малых валов 5 и скорость движени  полотна.

Электрические сигналы, пропорциональные вычисленным оптимальным значени м Xi и Х2, поступают соответственно на вычислительное устойство 18 и блок вычислительных операций 17.

Заданное значение Азд. (Н) усили  прижима валиков 5 к валу 1 рассчитываетс  в блоке 17ло формуле

Азд КА Ха(7)

где КА - коэффициент пропорциональности,„г,„„vfi 4Я

определ емый экспериментально Г(Сзд(1) 0,0157- - г-+ In ,2031

20

ции будет

9f-d-60 3,14-0,5.60 ,. „.,„

U, -.2. П 7()Q р

2 Х,2-225U,ZU:;-C

Пусть давление массы на входе в форму

ющее устройство равно 30 кПа, а масса м

полотна г/м (Xi получено из

25 блока 20). Примем первое приближение

&д.(.1) 2,5%, тогда

дл  каждого вида размалываемой

бумажной массы, ---1. Па

30

(30000.0,07) ° . (-L5j 102-l 63-7-J°-

Сигналы, пропорциональные текущему измеренному значению усили  прижима с датчика 7 и заданному значению Азд с блока 17, поступают в блок 16, где вычисл етс  их разность , т.е. сигнал рассогласовани , который поступает в регулирующий блок 21 Управл ющий сигнал с блока 21 через преобразователь 22 управл ет исполнительными пневмоцилиндрами 6, мен   усилие размола

Вычислительное устройство блока 18 на- чинает работать, когда начинаетс  процесс размола, т.е. в формующее устройство под давлением поступает бумажна  масса и датчик давлени  9 подает соответствующий сигнал ,в блок 18. В этом блоке из уравнени  (8) вычисл етс  величина заданной концентрации массы Сэл в зависимости от величины измеренного давлени  и от оптимального значени  массы м полотна Х, полученного из блока 20.

225 м/мин. рации соста ружности у

ции будет

20

9f-d-60 3,14-0,5.60 ,. „.,„

U, -.2. П 7()Q р

2 Х,2-225U,ZU:;-C

„г,„„vfi 4Я

Пусть давление массы на входе в форму

ющее устройство равно 30 кПа, а масса м

полотна г/м (Xi получено из

25 блока 20). Примем первое приближение

&д.(.1) 2,5%, тогда

(30000.0,07) ° . (-L5j 102-l 63-7-J°-

Ц.1П3100г2 5

,5-10 5Ь

2,5

0,251702

Производна  f (Сзд.) i ( 0,0157 + 0,6 р.

+ рЧОО-Сэд

Cj

(9)

Q

100

/nni-.-zi- 0.6-1.5-10 (0,01574- у

f (СздО)) V u.i - io j 5-10 100-2,5

0,493217

По формуле

0,0157 2i t-:-Io° .

(8)

., 176.48 . /в г/ 5°-РЧ - л

йп1----Тф (р.) (-гглое :

Сз

где тф - врем  фильтрации С, завис щее55 Д налогично от вида размалываемой бумажной

массы, скорости движени  полотнаf( 1,98967) -0,047389; f (1,98967)

Х4 И диаметра вала 1. 0,70016;

50 Сзд,,, Сз,,,),5-0:2 1М f (Сзд(,))0,493217

1,98967%.

Од(з) 1,98967 2,057353%

f(2,057353) -1,2289-10- ; f (2,057353) 0,665867;

1 OOSQ-l П З

ад(4) 2,057353 + o fifi «fi7 2,0592%

0,665867

f (2,0592) 0,663645

-3,13556 10 f (2,0592)

Сздсз 2,0592 + 4,7247-10 2,0592% Примем величину допустимой погрешности 8 .

Так как е Сздсб)-Сэд„) 4,7247. lO-eo/o 10, то на этом расчеты Сзд заканчиватс .

Сигналы, пропорциональные Сзд и текущему измеренному Сизм значени м концентрации бумажной массы с блоков 18 и 8, поступают на блок 15, в котором вычисл етс  сигнал рассогласовани 

ЛС Сизм - Сзд(10)

На вход вычислительного устройства 19 поступают сигналы, пропорциональные давлению бумажной массы с датчика 9 и рассогласованию ДС с блока 15. В блоке 19 решаетс  уравнение (11) дл  определени  текущего значени  Xi - массы (м) полотна.

. 76,48(Р.б)-Чр o,8( х

() X «40.0157 19гй±...лс1-10о (,,)

wjj + UL;

Пусть измеренное значение концентрации Сизм. 1,9%, тогда ЛС Сизм-Сзд 1,9- -2,059 -0,159%. ,48(2100)Н2-(0,209) / X

X (LSJO;:fv

4o4l,5.

Х (0,0157 1-90- OQ) 263,615 г/м 1,90

Сигнал, пропорциональный Xi, поступает в блок 20, который начинает работать во втором режиме, рассчитыва  новое значение напр жени  сжати  полотна Х2 из-за изменившегос  значени  Xj. Расчет Х2 ведетс  по уравнени м (5), в которые подставл ютс  следующие значени : Xi - из блока 19; Хз и Х4 - найденные в блоке 20 при работе его в первом режиме; Y. - введенные в блок 20 с помощью задатчиков 10, 11, 12.

Преобразуем уравнени  (5) к следующему , виду fK)«)м1К.}

4- (b,2X, + + Ь74Х4 + Ь2)Х2 + + (Ьо + X, -f + + , X

X Хз + b i XiX4+b 1X3X4 + b,№f +

+ + b 4 X5 -- ,n,p) 0(12)

Эти уравнени   вл ютс  квадратными

относительно Х2, так как значени  Xi, Хз,

Х4 к моменту их решени  уже известны

Обозначим в уравнении 12

а; .bi2X| -й- Ь2зХз -rh b24X4 J- b2 b; + b,xf+ Ь7Хз + + ь1зХ,Хз +

+br4 x.X4+b 5 4X3X4-fb ,txf+b 3lx3-fi$tx: krnp

Тогда алгоритм вычислени  X2 будет следующим

15

2(,2)-Ь ± V Ь- - 4а.с 2а

0

Подставл   в выражение (12) соответствующие коэффициенты, получим следующие квадратные уравнени :

Хг-36,71577X2 + 319,37379 0 (13) Х| - 27,23958 Хо + 157,6387 О (14) XI - 47,58244 Х2 + 519,98247 0(15} Проанализируем эти уравнени 

1.По физическому смыслу корни этих уравнений не могут быть отрицательными

5 (так как Х2 всегда 0). Это подтверждаетс  и тем, что все коэффициенты при Х2 в уравнени х (13-15) - отрицательны.

2.Корни этих уравнений также не могут быть мнимыми по физическому смыслу. Если , конечно, реальный процесс размола ве0 детс  в том диапазоне изменени  значений Хь Х2, Хз, Х4 дл  которого были получены уравнени  регрессии (5).

Если например, корни уравнени  (13) получились бы мнимыми сопр женными, то это бы означало, что при данных значени х

5 Х|, Хз, Х4 величина YI Yi,,,p.

3.Таким образом, если работа валковой мельницы ведетс  в пределах заданного диапазона значений X,, Х, Х,, Х, то корни уравнений (13,14,15) положительные.

0 ВУ блока 20 во втором режиме своей работы решает эти квадратные уравнени  и проводит анализ корней. Покажем на частном примере, как это происходит:,

1.Из (13) Х9(цЦ 18,358 ± 4,1998; ) 14,158;,„

( X2(2 22,558.,,)

2.Из (14) Х1(,,2) 13,6198 ± 5,0526; Х,(,) 8,567;(2)

Х20 18.672 3. Из (15) Х|,2) 23,791 ± 6,7849;

,; 17,006; 2%) 30,576.

5

0

Дл  выполнени  услови  YI im,, из

п. 1 следует, что Х2 может быть в диапазоне

от 14,158 МПа до 22,558 МПа. Дл  одновременного выполнени  двух условий YI

Yimp и Y2 2тр ХОТЯ бЫ ОДИН ИЗ

корней уравнени  (14) должен лежать в этом же диапазоне изменени  Х2. Этому условию удовлетвор ет корень Х(2) 18,672 МПа.

Поэтому диапазон Х2 суживаетс  и будет |эавен от 14,158 МПа до 18,672 МПа.

Дл  одновременного выполнени  трех

условий YI Уыр; Y2 imp и з

з„

необходимо, чтобы хот  бы один из корней Уравнени  (15) лежал бы в этом диапазоне. Зтому условию удовлетвор ет корень ) t 17,006 МПа. Следовательно, выполнение всех трех условий дл  YI; Yg; YS будет соблюдатьс , если Х2 будет находитьс  в диа- jia30He от 17,006 МПа до 18,672 МПа. I 5. Если все три неравенства выполн - ртс  (как в данном случае), то ВУ блока 20 }ложет найти такое значение Х2 из- данного Диапазона, при котором Y4 будет минимальным .

Если Y4 имеет в найденном диапазоне Х2 минимум, то подсчитываетс  соответствующее значение Х2. Если функци  Y4 ike имеет в этом диапазоне изменени  Хз, Минимума, то выбираетс  то крайнее значение Х2, при котором Y.( меньше. I Электрические сигналы, пропорциональ- rtbie найденному значению Х2 и рассчитан- ому ранее значению Xi, поступают соответ- с|твенно в блок 17 и в блок 18 и т.д. 7. Если одновременного выполнени  трех

условий YI Yimpl Y2 2тр YS Зтр, Нб

(|удет, то выбирают такое значение Ха из най- Денного диапазона Х2, которое бы обеспечи- jjfo, как минимум, выполнение тех неравенств (одного или двух), которые  вл ютс  наиболее важными дл  обеспечени  необходимого качества вырабатываемой в данный период бумаги (эти сведени  должны быть, конечно, заложены в программе, по которой работает ВУ блока 20).

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ автоматического управлени  процессом размола бумажной массы преиму

   щественно в валковой мельнице, включающий измерение усили  размола, давлени  массы на входе мельницы и регулирование управл ющего воздействи  на размалывающие валики по величине рассогласовани  между измеренным и заданным значени ми усили  размола, отличающиес  тем, что, с целью обеспечени  заданных качественных показателей бумаги и минимизации удельного расхода энергии на размол, дополнительно измер ют концентрацию массы

   на входе мельницы, определ ют заданные значени  усили  размола и концентрации массы по заданным качественным показател м бумаги, конструктивным параметрам мельницы и измеренному значению давлени  массы, сравнивают определенное значение концентрации массы с измеренным, и в зависимости от полученного рассогласовани  периодически корректируют заданные значени  усили  размола и концентрации массы.

   -4ZH