Способ автоматического управления процессом размола бумажной массы

(19) (11) 1) 4 1.) 21 Р 1/02 ЦУ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ(71) Ленинградский технологический институт целлюлозно-бумажной промышленности(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАЗМОЛА БУМАЖНОЙ МАССЫ(57) Изобретение относится к технике автоматического управления технологическимипроцессами в целлюлозно-бумажной промышленности и может быгь также использовано в промышленности строительных материалов и химической промышленности,Цель изобретения - повышение точности управления, обеспечение заданных качественных показателей бумаги и минимизация удельного расхода энергии на размол.Способ осуществляют путем измерения усилий размола, давления массы на входе мельницы и регулирования управляющего воздействия по величине рассогласования между измеренным и заданным значениями усилия размола. При этом дополнительно измеряют концентрацию массы на входе мельницы, определяют заданные значения усилия размола и концентрации массы по заданным качественным показателям бумаги, конструктивным параметрам мельницы и измеренному значению давления массы, сравнивают определенное значение концентрации с измеренным и в зависимости от полученного рассогласования перио дически корректируют заданные значения усилия размола и концентрации массы. 1 ил. /ф1392170 Вычислительное устройство блока 20 рабои) 1а 1 ьхуихиудиоим Изобретение относится к автоматическому управлению технологическими процессами и оборудованием целлюлозно-бумажных производств, а именно к способам автоматического управления процессом размола волокнистой суспензии, может быть также использовано в промышленности строительных материалов и химической промышленности.Цель изобретения - повышение точности управления, обеспечение заданных качественных показателей бумаги и минимизации показателей удельного расхода энергии на размол.На чертеже схематично представлена система автоматического управления процессом размола бумажной массы, преимущественно в валковой мельнице.Объект автоматического управления валковая мельница состоит из гладкого вала 1 большого диаметра с подшипниками 2, формирующего устройства 3 с входным улиткоооразным патрубком 4, малых размалывающих валков 5, прижимных пневмоцилиндров 6.Система автоматического управления включает датчик 7 усилия, действующего на подшипник вала 1, магнитоупругий типа МУД, датчик 8 концентрации волокнистой массы на входе в мельницу типа Рцр - Е 1., датчик 9 давления волокнистой массы во входном патрубке типа МС - Э 2, ручные задатчики 10 - 12 типа РЗД, миллиамперметры 13 и 14 типа М 1830, блоки 15 и 16 кондуктивного разделения, блок 17 вычислительных операций типа БВО, вычислительные устройства 18, 19, 20 на базе микропроцессоров типа К 587, регулирующий блок 21 типа РБА, электропневматический преобразователь 22 типа ЭПП,Способ осуществляется следующим образом. тает в двух режимах: до начала процесса размола (первый режим) и в процессе размола бумажной массы (втором режим),В первом режиме в зависимости от вида размалываемой бумажной массы и требований, предъявляемых к прочностным показателям получаемой из нее бумаги, на вычислительное устройство 20 подают с помощью задатчиков 10 в 12 сигналы, пропорциональные требуемым значениям прироста прочностных показателей бумаги, а именно Уг р - требуемый прирост разрушающего усилия (Н), Уз р. - требуемый прирост удлинения бумаги (%), Ур. - требуемый прирост сопротивления раздиранию (сН) .В этом режиме блок 20 решает задачу по определению оптимальных значений массы М бумажного полотна Х 1 (г/м), напряжения сжатия полотна Хг (МПа), относительно скорости Хз (%) вращения малых размалывающих валов 5 и скорости Х 4 (м/мин) движения полотна, сформованного 5 10 15 20 25 30 35 устройством 3, с целью минимизации удельного расхода электроэнергии на размол У 4 (МДж/т.в.с.в.). При этом, поиск условного минимума У 4 производится так, чтобы рассчитанные в процессе решения задачи значения У, Уъ Уз были бы не меньше, чем введенные в блок 20 с помощью задатчиков 10 - 12, т.е, должны выполняться условия У, ))утР., уз)уз тР, уз ) уз тР, а удельный расход электроэнергии 74 должен быть минимальным.Четыре уравнения регрессии для 71, 77, 73, у 4 получают методом факторного планирования эксперимента.На основании предварительных экспериментов по размолу различных видов бумажных масс на валковой мельнице был выбран план второго порядка Бокса в Ханте, который обеспечивал необходимую точность описания процесса.Данный план второго порядка Бокса - Хантера позволяет аппроксимировать поверхность отклика полиномами вида у= - аою+Х а хе+а Х ах;х,+,Х ах 7, (1)(функции отклика),К=1,2,3,4.Значения коэффициентов получают расчетом, используя данные эксперимента по следующим формуламк 1 3 )ао == 7 Х уки; аг = - Х х;иудеи7 яи 1Л 4 э:1 " 24 5 4 74аа -Х хиУь+ 2 Х хгиУ -- Х Ум (2) й ач 1344: и: " " ЯбаЗатем был произведен дисперсионный анализ уравнений регрессии, который показал, что все четыре уравнения для Уь у 2, 13, у 4 адекватно описывают новерхность отклика (критерии адекватности соответственно равны 0,749; 0,716; 3,14; 2,05 и все они меньше соответствующего критерия Фишера Та (10,6) = 4,06).Уравнения регрессии, в которых переменные факторы входят в кодированном безразмерном виде ( - 2 ( х; ( 2) удобны для анализа и нахождения экстремумов функций Ъ;, У Уз, У поэтому в таком виде они используются в 1-ом режиме работы блока 20. Для проведения расчетов и управления процессом размола удобнее пользоваться уравнениями, в которых перемен13921(0 ные факторы даны в фактическом (размерном) виде, т.е. х 1, х 2, хз, х 4.Связь между х; и х; определяется по формуле х;= -Цхз - 62, х 4 - 180хз= 2 в сх 4 = во (4)Подставляя выракения (4) в формулу (1) и проведя ряд преобразований, получим выражение (5) для Ук, в котором вместо коэффициентов ац ас", а;) а 5 будут соответствующие коэффициенты Ьс)( Ь; ф 1 Ц и переменные (размерные) факторы х,;, х,.:4 Ск 3 4 СК 4 СКУд = Ъо+ Х Ь;х;+ Х ХЬ;,х;х,+ ХЬх;о 4,1 к 2 с Значения всех коэффициентов (а, Ь) уравнения регрессии, полученные расчетным путем вводят в память вычислительного устройства блока 20 и он приступает к решению задачи поиска условного экстремума функции у 4, определяя при этом соответствующие безразмерные значения хь хз, хз, х 4 а следовательно, и значения размерных величин хь хз, х 3, х 4, используя формулу (3)е по выракениюхс)+ х;Х; (6)Алгоритм решения такой задачи можно представить, например в таком виде:1. Область допустимых решений (для плана Бокса-Хантера - 2(х;(+2, т. е; х 1.н= =Хзмин=Х 3 мин=Х 4 мин= - 2, а Х 1 макс=хзмакс= =ХЗмакс=х 4 макс=+Кх ПРИЧЕМ ДОЛЖНО бЫТЬ Х х;(4) разбивается четырехмерной простс 4 ранственной сеткой с заданными интервалами для каждого фактора (было принято в расчетах ЛХ=ЛХЗ=Лхз=Л 4=0,05, что, как показали расчеты, обеспечивает достаточную точность).2. Вычислительное устройство (ВУ) блока 20 последовательно в цикле варьирует величины х, х 2, хз, х 4 от минимального (Х;мин = - 2) до МаКСИмаЛЬНОГО (Хмакс2). На каждом шаге проверяется усаловие 2,х; ( 4, выполнение которого гарансм 4тирует, что расчеты ведутся в области допустимых решений. Если это условие на каком-либо шаге не выполняется, что ВУ переходит к следующему узлу сетки. 3. Если это условие выполняется, то ВУ блока 20 рассчитывает по формуле (1) значения функций уь уз, Ъз, в данном узле сетки и последовательно сравнивает их с соответ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 СтВуЮщИМИ ЗНаЧЕНИяМИ СЬнр, 1 зн,р, УЗр, ВВЕ- денными с помощью задатчиков 10, 11,12. Если выполнЯютсЯ все чсловиЯ У ) УонрУз ) Уз,нр; С 3 Ъ УЗ,нр, тО ВУ ПЕРЕХОДИТк пункту 4.Если хотя бы одно из этих условий невыполняется, то ВУ переходит к пункту 5,4. ВУ рассчитывает в данном узле сеткивеличину удельного расхода электроэнергииЪ; и сравнивает ее с самым минимальным значением У 4 из всех, которые были получены при анализе предыдущих узлов.хранится в памяти ВУ. Первоначальное значение у 4 принимается равным,например, 1 О. Такое значение У 4 недостижимо при любом сочетании величин х, хз,хз, х 4 (1). Это сделано для того, чтобывеличина Ъ 4, рассчитанная впервые, оказалась бы меньше У= 10 и была бывведена в память ВУ, В результате этого У 4 становится равной У 4 . В дальнейшем, при анализе следующих узлов величина14 - всегда самая наименьшая из всех значений у 4, рассчитанных ранее.. Если выполняется условие 14 ( У 4, тоВУ запоминает 14, принимает У 4 = У 4, запоминает соответствующие значения х 1, хз,хз, х 4 уь уз, уз и переходит к анализу следующего узла сетки, т.е. к пункту 5.Если это условие не выполняется, т,е.У 4 ) У 4, то ВУ не запоминает значеНИЯ ХЬ Хз, Х Х 4, У 1, 12, 13, 1 х 4, а ПЕРЕХОДИТк пункту 5.5. Производится анализ следую щего узласетки по описанной методике, начиная спункта 2. Расчеты заканчиваются, когда будут проанализированы все узлы четырехмерной пространственной сетки; т.е, когдаХ 1= Х 2= Х 3= Х 4 = Хмакс = 2.Таким образом, ВУ блока 20 в конце первого режима работы выдает значения Х 1,Х., Хз, Х 4, рассчитанные по формуле (6) наосновании значений хь хз, хз, х 4, обеспечивающих минимум удельного расхода энергии на размол У 4 для получения требуемыхпрочностных показателей бумаги Уьнр, Уз,р,х зхнрВ качестве примера рассмотрим следующие результаты.1. Пусть У ппр - 16 Н; Уз,пр -- 0,7 Я;Узн,р = 20 сН. В результате расчетов поописанной методике получим: х 1=0,9; ха=0,2,хз= - 1,6; х,=0,75.Соответственно, по формуле (6)Х 1=295 г/м-; Х.=16 МПа; Хз=17 2 ог;Х 4=225 м/мин,В данном узле сетки значения функцийравны:с=16 58 Н Уа = 0 708 о 4, 13=20,054 сН;У 4=39,22 МДж/т.2. Пусть У,нр -- 16 Н; изнар=0,7 Я; Уз р=- 44 сН, тогда х 1=1,6; хе=0,6; хз= - 0,25;х 4=0,6; Х 1=330 г/м-; Х 3=18 МПа; Хз=55,г;Х 4=216 м/мин; 1=16,8 Н; 13=0 7 Я;13=44,04 сН; с 4=74,2 МДж/г.1392170 Из сравнения этих двух вариантов видно, что стремление получить во втором вариан те высокое значение 1"з (прирост сопротивления раздиранию) при сохранении одинаковых значений у р и уг , привело почти к двухкратному увеличению необходимого удельного расхода энергии У 4.Так как при размоле сульфатной небеленой целлюлозы для получения мешочной бумаги достаточно, чтобы Уз, ) 20 сН. тоотсюда следует важность процесса оптими. 1 О зации для получения минимума удельного расхода энергии. В дальнейшем в качестве примера будет поэтому рассматриваться первый вариант данных.По величинам Х и Х, показанным вторичными приборами 13 и 14, оператор уста навливает соответственно относительную скорость вращения малых валов 5 и скорость движения полотна.Электрические сигналы, пропорциональные вычисленным оптимальным значениям Х 1 и Хг, поступают соответственно на вычислительное устойство 18 и блок вычислительных операций 17.Заданное значение А д. (Н) усилия прижима валиков 5 к валу 1 рассчитывается в блоке 17 по формуле 25Азд = КА ф Хг р) где Кд - коэффициент пропорциональности,определяемый экспериментально для каждого вида размалываемой бумажной массы, 30ПаСигналы, пропорциональные текущему измеренному значению усилия прижима с датчика 7 и заданному значению А д с блока 17, поступают в блок 16, где вычисляется их разность, т.е. сигнал рассогласования, кото рый поступает в регулирующий блок 21 Управляющий сигнал с блока 21 через преобразователь 22 управляет исполнительными пневмоцилиндрами 6, меняя усилие размола.Вычислительное устройство блока 18 начинает работать, когда начинается процесс размола, т.е. в формующее устройство под давлением поступает бумажная масса и датчик давления 9 подает соответствующий сигнал в блок 18, В этом блоке из уравнения (8) вычисляется величина заданной кон центрации массы С.д в зависимости от величины измеренного давления и от оптимального значения массы м полотна Х 1, получен ного из блока 20..) +, сгшс.,где тф - время фильтрации С, зависящееот вида размалываемой бумажной массы, скорости движения полотна Х и диаметра вала 1. Р - давление массы на входе в формующее устройство, Па;а - коэффициент поверхностного натяжения воды, 0,07 Н/м;р, ро - плотности соответственно воды иволокна,р = 10 кг/м, ро = 1,5 10 кг/м.С.д. определяется из уравнения (8), которое решается одним из численных методов,например методом Ньютона, обеспечивающим быструю сходимость.Проиллюстрируем этот метод примером.Пусть диаметр д формующего устройства 3 равен 0,5 м, а скорость Хд полотна, рассчитанная ранее в блоке 20, равна225 м/мин. Учитывая, что длина зоны фильтрации составляет обычно половину длины окружности устройства 3, то время фильтрации будет% д 60 3 14 0 5,602 Х, 2 225 Пусть давление Р массы на входе в форму ющее устройство равно 30 кПа, а масса мг полотна Х=295 г/м (Х получено из блока 20) . Примем первое приближение Сзд.Щ = 2,5%, тогда 1(С"(1 00157 1 М + и-0,209 295= 0,663645Сзд(51 = 2,0592 + 4,7247 10 = 2,0592% Примем величину допустимой погрешности в= 10Так как е=С 521(5 - С,1(,1 =4,7247 10 б% "10 з, то на этом расчеты Сзх заканчиваются.Сигналы, пропорциональные Сзд и текущему измеренному С- значениям концентрации бумажной массы с блоков 18 и 8, поступают на блок 15, в котором вычисляется сигнал рассогласованияДС = С. - С(10)На вход вычислительного устройства 19 поступают сигналы, пропорциональные давлению бумажной массы с датчика 9 и рассогласованию ДС с блока 15. В блоке 19 решается уравнение (11) для определения текущего значения Х - массы (м) полотна.Х, = 76,481 Р 4) Хэ О,з( 1 ) х Г +2 хЬ -- -" ---(с+ лс)Пусть измеренное значение концентрацииС- . = 1,9%, тогда ДС =- С.з. - Сзд = 1,9 -- 2 059 = - 0 159%.Х,=76 48(2100)1(0,209) "з Хх( 10 з+1 5.10 з 100" 1)90)1,(зОХ"Р (0,0157) - 263,615 г/м1,90Сигнал, пропорциональный Х, поступает в блок 20, который начинает работать во втором режиме, рассчитывая новое значение напряжения сжатия полотна Х 2 из-за изменившегося значения Х. Расчет Х 2 ведется по уравнениям (5), в которые подставляются следующие значения: Х - из блока 19; Хз и Х 4 - найденные в блоке 20 при работе его в первом режиме; Уд = Уд - введенные в блок 20 с помощью задатчиков 10, 11, 12.Преобразуем уравнения (5) к следующеД виду (к (д) ск) 04)Ьххх 2 + (Ь 1 Х + ЬРЗХЗ + Ьхф + Ь 2 Х 2 + + )хЬО+ Ь Х + ЬЗХЗ+ Ь 4 4+ ЬЗХ Х Х Хз + Ь)4 ХХ 4+Ьз 4 Хз Х, + Ь, 1" Х 1 -1+ ЬзЬз+ Ьа 1 Х 4 - У(7,7)р) = 0 (12)Эти уравнения являются квадратнымиотносительно Хз, так как значения Х, Хз,Х 4 к моменту их решения уже известныОбозначим в уравнении 12+ Ь4 ХХ 4+ Ьз 4 ХзХ 4+ ЬХ+ ЬЗЗХЗ+ Ь 4 Х 4 -х Йхр - СТогда алгоритм вычисления Х будетследх ющим- Ь -). )Ь - 4 а.с15 Х,1Подставляя в выражение (12) соответствующие коэффициенты, получим следующие квадратные равнения:Хз - 36,71577 Хз + 319,37379 - 0 (13) 20 Хз 27,23958 Х, + 157,6387 = 0 (14)Хз - 47,58244 Хо + 519,9824 = 0 (15)Проанализируем эти уравнения1. По физическому смыслу корни этихуравнений не могут быть отрицательными 25 (так как Хз всегда ) 0). Это подтверждается и тем, что все коэффициенты при Хз вуравнениях (13 - 15) - отрицательны.2. Корни этих уравнений также не могутбыть мнимыми по физическому смыслу. Если, конечно, реальный процесс размола ве- ЗО дется в том диапазоне изменения значенийХ, Хь Хз, Х 4 для которого были получены уравнения регрессии (5).Если, например, корни уравнения (13)получилйсь бы мнимыми сопряженными, тоэто бы означало, что при данных значениях 35 Х, Х Х 4 величина У (У,ор.3. Таким образом, если работа валковой мельницы ведется в пределах заданного диапазона значений Х Х Х Х токорни уравнений (13,14,15) положительные.40 ВУ блока 20 во втором режиме своей работырешает эти квадратные уравнения и проводит анализ корней. Покажем на частномпримере, как это происходит:1. Из (13) Хз(,21= 18,358 + 4,1998; Х 2(1== 8,567;Х 2(21 = 18,6723. Из (15) Хф,з)= 23,791 +- 6,7849;Х Сз) =17006Х(9(72) = 30 576ДЛя ВЫПОЛНЕНИЯ уСЛОВИя У ) У,97, ИЗп. 1 следует, что Х 2 может быть в диапазонеот 14,158 МПа до 22,558 МПа. Для одновременного выполнения двух условий 7 ))( ,цр и Уз)Узр хотя бы Один изкорней уравнения (14) должен лежать в этомже диапазоне изменения Х). Этому условиюудовлетворяет корень Х,) =8,672 МПа.1392170 10 Прохорова Составитечь ЛТехред И. Вер Тираж 348 твенного комитета СССР 35, Москва, Ж - 35, Ра чолиграфическое предпри Редактор И. СегляникЗаказ 1799/33ВНИИПИ Гзсудар130Производственно. П оэтому диапазон Х 2 суживается и будетравен от 14,158 МПа до 18,672 МПа.Для одновременного выполнения трех УСЛОВИ И У 1 ) 11 тр, У 2 - Ъ тр И УЗ)Узто необходимо, чтобы хотя бы один из корней равнения (15) лежал бь 1 в этом диапазоне.тому условию удовлетворяет корень х 21) = -17,006 МПа, Следовательно, выполнение Всех трех условий для У 1; У 2; Уз будет соблюдаться, если Х 2 будет находиться в диа 11 азоне от 17,006 МПа до 18,672 МПа.5. Если все три неравенства выполнятся (как в данном случае), то ВУ блока 20 может найти такое значение Х 2 из данного диапазона, при котором у 4 будет минимальным.Если У 4 имеет в найденном диапазоне Х 2 минимум, то подсчитывается соотВетствующее значение Х 2, Если функция У 4 не имеет в этом диапазоне изменения Х 2, минимума, то выбирается то крайнее значение Х 2, при котором У 4 меньше,Электрические сигналы, пропорциональ 14 ые найденному значению Х 2 и рассчитаному ранее значению Х 1, поступают соответс 1 твенно в блок 17 и в блок 18 и т.д.7. Если одновременного выполнения трех УСЛОВИЙ У 1 ) У 1 р, У 2 ) 12 тр, УЗ ) УЗр, НЕ сбудет, то выбирают такое значение Х 2 из найДенного диапазона Х 2, которое бы обеспечи.11 о, как минимум, выполнение тех неравенств (одного или двух), которые являются наиболее важными для обеспечения необходимого качества вырабатываемой в данный период бумаги (эти сведения должны быть, конечно, заложены в программе, по которой работает ВУ блока 20).Формула изобретения Способ автоматического управления процессом размола бумажной массы преимущественно в валковой мельнице, включающий измерение усилия размола, давления массы на входе мельницы и регулирование управляющего воздействия на размалывающие валики по величине рассогласования между измеренным и заданным значениями усилия размола, отличающийся тем, что, с целью обеспечения заданных качественных показателей бумаги и минимизации удельного расхода энергии на размол, дополнительно измеряют концентрацию массы 20 на входе мельницы, определяют заданныезначения усилия размола и концентрации массы по заданным качественным показателям бум аги, конструктивным параметрам мельницы и измеренному значению давления массы, сравнивают определенное значение концентрации массь 1 с измеренным, и в зависимости от полученного рассогласования периодически корректируют заданные значения усилия размола и концентрации массы. с Корректор Г. РешетникПодписноепо делам изобретений и открытийшская наб., д. 4/5тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4