Способ автоматического управления процессом размола бумажной массы Советский патент 1988 года по МПК D21D1/02 

со со ю

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, формируюшего устройства 3 с входным улиткообразным патрубком 4, малых размалывающих валков 5, прижимных пневмо- цилиндров 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 «PuIp--EL, датчик 9 давления 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 разделения, 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 осуществляется 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, предъявляемых к прочностным показателям получаемой из нее бумаги, на вычислительное устройство 20 подают с помощью задатчиков 10-12 сигналы, пропорциональные требуемым значениям прироста прочностных показателей бумаги, а именно Y|Tp. - требуемый прирост разрушающего усилия (Н), 2гр. - требуемый прирост удлинения бумаги (%), . - требуемый прирост сопротивления раздиранию (сН).

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

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

Четыре уравнения регрессии для YI, Y2, YS, Y4 получают методом факторного планирования эксперимента.

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

Данный план второго порядка Бокса- Хантера позволяет 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 уравнения регрессии;

К -порядковый номер

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

Значения коэффициентов получают расчетом, используя данные эксперимента по следующим формулам

я 1 у Y -я 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 уравнения для 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 критерия Фи- шера Та (10,6) 4,06).

Уравнения регрессии, в. которых переменные факторы входят в кодированном безразмерном виде (-2 X; 2) удобны для анализа и нахождения экстремумов функций % , Yj , YS , Y , 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 переменные факторь даны в фактическом (размерном) виде, т.е. xi, Х2, хз, Х4.

Связь между х,- и х/ определяется по формуле

х,-х,°

1/

./

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

Например, xi

Х|-250.

50

Х2

V - хз-62. Х4-180 3г 60

(4)

Y4 хранится в памяти ВУ. Первоначальное значение Y принимается равным.

Подставляя выражения (4) в формулу 5 например, 10 Такое значение Y4 недости- (1) и проведя ряд преобразований, полу-жимо при любом сочетании величин xi, хз.

.хз, Х4 (1).

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

вместо коэффициентов ао а будутвеличина Y4, рассчитанная впервые,

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

Xi.

Это сделано для того, чтобы

окала бы

введена в память ВУ. В результате это- 20 го 4 становится равной Y4«n«. В дальнейшем, при анализе следующих узлов величина Yi - всегда самая наименьшая из всех значений Y4, рассчитанных ранее.

. Если выполняется условие Y4 ; Y4, то ВУ запоминает Y4, принимает Y Y4, заitPrroS T arb ZTjH -eTbZo соо™е.с.в,™„е з„з«н„я .„ ,.., 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)

Значения всех коэффициентов (a , b

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

личин хь Х2, хз, Х4, используя формулу (3), производится 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 выполняется, т.е. Y4 Y, то ВУ не запоминает значения Х|, Х2, Хз, Х4, YI, Y2, Y3, Y4, а переходит

,.

(6)

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

Хзмакс Х4иакс +2, ПрИЧеМ ДОЛЖНО

4

.2 ) разбивается четырехмерной простсетки по описанной методике, начиная с пункта 2. Расчеты заканчиваются, когда будут проанализированы все узлы четырех,нсА,са«и,ь, n uHHMCH в liiKUM ьидс: . пространственной сетки,- т.е. когда . Область допустимых решении (для 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 значения 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 для получения 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 для каждого фактора (было принято 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 проверяется усСоответственно, по формуле (6)

Х, 295 Г/М-; МПа; ,2%;

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

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 YI, Y2, Y3, в данном узле сетки и последовательно сравнивает их с соответ55

В данном узле сетки значения 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 значениями Yi.,,,,,, 2тр, Ysmp, введенными с помощью задатчиков 10, 11,12.

Если выполняются все условия YI YI,,,,,; Y2 Y2,,ip; з Ya,,,,,; то ВУ переходит к пункту 4.

Если хотя бы одно из этих условий не выполняетс я, 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 хранится в памяти ВУ. Первоначальное значение Y принимается 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„я .„ ,..,

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

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

м/мин. паииг, -./Q

55

В данном узле сетки значения 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 сравнения этих двух Ешриантов видно, что стремление получить во втором вариан те высокое значение з (прирост сопротивления раздиранию) при сохранении одинаковых значений и Y2mp, привело почти к двухкратному увеличению необходимого удельного расхода энергии 4.

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

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

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

волокна,

р 10Чг/м po 1,5 10 кг/м . Сзд. определяется из уравнения (8), кото рое решается одним из численных методов, например методом Ньютона, обеспечиваю- отсюда следует важность процесса оптими- 10 ш,им быструю сходимость, зации для получения 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- ся первый вариант данных.лотна, рассчитанная ранее в блоке 20, равна

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

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

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

Азд КА Ха(7)

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

определяемый 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

для каждого вида размалываемой

бумажной массы, ---1. Па

30

(30000.0,07) ° . (-L5j 102-l 63-7-J°-

Сигналы, пропорциональные текущему измеренному значению усилия прижима с датчика 7 и заданному значению Азд с блока 17, поступают в блок 16, где вычисляется их разность, т.е. сигнал рассогласования, который поступает в регулирующий блок 21 Управляющий сигнал с блока 21 через преобразователь 22 управляет исполнительными пневмоцилиндрами 6, меняя усилие размола

Вычислительное устройство блока 18 на- чинает 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 концентрации массы Сэл в зависимости от величины измеренного давления и от оптимального значения 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

Производная 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

Изобретение относится к технике автоматического управления технологическими процессами 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 осуш,ествляют путем измерения усилий размола, давления массы на входе мельницы и регулирования управляюшего 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 периодически корректируют заданные значения усилия раз.мола и концентрации массы. 1 ил. i (Л

0,0157 2i t-:-Io° .

(8)

., 176.48 . /в г/ 5°-РЧ - л

йп1----Тф (р.) (-гглое :

Сз

где тф - время фильтрации С, зависящее55 Д налогично от вида размалываемой бумажной

массы, скорости движения 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 заканчиватся.

Сигналы, пропорциональные Сзд и текущему измеренному Сизм значениям концентрации бумажной массы с блоков 18 и 8, поступают на блок 15, в котором вычисляется сигнал рассогласования

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 решается уравнение (11) для определения текущего значения 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, рассчитывая новое значение напряжения сжатия полотна Х2 из-за изменившегося значения Xj. Расчет Х2 ведется по уравнениям (5), в которые подставляются следующие значения: 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 уравнения (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 уравнения являются квадратными

относительно Х2, так как значения Xi, Хз,

Х4 к моменту их решения 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 вычисления X2 будет следующим

15

2(,2)-Ь ± V Ь- - 4а.с 2а

0

Подставляя в выражение (12) соответствующие коэффициенты, получим следующие квадратные уравнения:

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 уравнения

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

Если например, корни уравнения (13) получились бы мнимыми сопряженными, то это бы означало, что при данных значениях

5 Х|, Хз, Х4 величина YI Yi,,,p.

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

( X2(2 22,558.,,)

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

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

5

0

Для выполнения условия YI im,, из

п. 1 следует, что Х2 может быть в диапазоне

от 14,158 МПа до 22,558 МПа. Для одновременного выполнения двух условий YI

Yimp и Y2 2тр ХОТЯ бЫ ОДИН ИЗ

корней уравнения (14) должен лежать в этом же диапазоне изменения Х2. Этому условию удовлетворяет корень Х(2) 18,672 МПа.

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

Для одновременного выполнения трех

условий YI Уыр; Y2 imp и з

з„

необходимо, чтобы хотя бы один из корней Уравнения (15) лежал бы в этом диапазоне. Зтому условию удовлетворяет корень ) t 17,006 МПа. Следовательно, выполнение всех трех условий для YI; Yg; YS будет соблюдаться, если Х2 будет находиться в диа- jia30He от 17,006 МПа до 18,672 МПа. I 5. Если все три неравенства выполня- ртся (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 подсчитывается соответствующее значение Х2. Если функция Y4 ike имеет в этом диапазоне изменения Хз, Минимума, то выбирается 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 выполнения 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 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 преиму

щественно 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, отличающиеся тем, что, с целью обеспечения заданных качественных показателей бумаги и минимизации удельного расхода энергии на размол, 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 массы с измеренным, и в зависимости от полученного рассогласования периодически корректируют заданные значения усилия размола и концентрации массы.

-4ZH