Application of advanced process control systems in the production of telecommunication cables

Full Text

Повышение эффективности управления технологическими процессами - задача, постоянно решаемая разработчиками систем управления, но, строго говоря, не имеющая окончательного решения. Особенно это касается технологических объектов, обладающих признаками сложных систем и являющихся непрерывными, многооперационными технологическими процессами, управление которыми должно осуществляться в реальном времени. Методы, традиционно используемые для управления технологическими процессами изготовления кабелей связи (КС) и основанные на применении для стабилизации режимных параметров технологического оборудования и контролируемых первичных параметров изготавливаемой продукции набора не связанных между собой локальных систем регулирования, реализованных с использованием ПИД-регуляторов, зачастую не приносят ожидаемого положительного результата [1, 3]. Это объясняется, в частности, тем, что объект управления, например одночервячный экструдер, является многомерным, а при изготовлении некоторых видов кабелей, к примеру с пенопластовой изоляцией, чувствительность первичных параметров кабеля (погонной емкости и диаметра изоляции) к вариациям режимных параметров технологического оборудования высока. С другой стороны, традиционно используемые упрощенные модели объектов управления с сосредоточенными параметрами не отвечают основным физическим особенностям управляемых процессов - не учитывают пространственной распределенности регулируемых величин, а потому не удовлетворяют потребностям систем управления [2]. Процессы изготовления проводных КС в полной мере обладают признаками сложных систем, являются непрерывными многооперационными технологическими процессами. Их главной особенностью является то, что основной эксплуатационный параметр кабеля как будущего канала связи может быть измерен только после его изготовления. Обеспечить гарантированное достижение требуемого качества изготавливаемого кабеля, тем более с учетом его частотных свойств (полосы пропускания КС), с помощью независимых локальных систем регулирования практически невозможно [2]. Кроме улучшения качества управления в традиционном смысле, например уменьшения нерегулярностей контролируемых параметров, улучшения динамических характеристик систем регулирования, возникают задачи оптимизации технико-экономических показателей работы оборудования: экономия энергозатрат, используемых при изготовлении кабелей дорогостоящих материалов, управление нестационарными режимами работы оборудования и т. п. Обеспечить решение этих задач традиционными подходами не представляется возможным. Кроме того, как отмечается в [3], в традиционных системах управления отсутствуют модели, отражающие зависимость эксплуатационных показателей качества изготавливаемой продукции (например, при изготовлении КС - нерегулярности волнового сопротивления кабеля) от измеряемых переменных технологического процесса. В литературе эти модели называются виртуальными анализаторами качества [5]. И даже когда такие модели имелись, они не были включены в контур многомерного управления, т. е. фактически отсутствовали средства прямого воздействия на эксплуатационные показатели качества изготавливаемой продукции. Поэтому для управления техпроцессами производства КС должны использоваться новые подходы. Предлагается для управления изготовлением КС применять методы и средства усовершенствованного управления технологическими процессами. Покажем, что использование АРС-систем для управления технологическими процессами производства КС является эффективным и экономически целесообразным решением. Системы усовершенствованного управления (АРС-системы, от Advanced Process Control) начали широко использоваться с 1990-х годов [3]. Целями разработки АРС-систем являются улучшение качества управления режимными параметрами работы оборудования и показателями качества продукции, а также оптимизация в реальном масштабе времени технико-экономических показателей автоматизируемого процесса на основе использования прогнозирующей модели этого процесса при минимальном вмешательстве оператора [3, 4]. Важной особенностью данных систем является тот факт, что речь идет именно об автоматическом управлении в замкнутом контуре, а не об использовании АРС-системы в качестве «советчика оператору». Правда, в настоящее время подобные системы применяются в основном в нефте- и газодобыче, нефте- и газопереработке, химической и нефтехимической промышленности, тепловой энергетике, целлюлозно-бумажной промышленности, фармацевтике, пищевой промышленности [3, 4]. Примеров внедрения АРС-систем в кабельной промышленности в технической литературе к настоящему моменту не описано. Какую основную задачу должна решать система усовершенствованного управления технологическим процессом? Это повышение технико-экономической эффективности работы технологической установки за счет повышения ее производительности, увеличения выхода более качественной продукции, снижения затрат - главным образом за счет энергосбережения, уменьшения потерь при смене режимов работы оборудования и т. п. За счет чего достигается повышение эффективности работы АРС-систем? Более эффективная работа АРС-систем в сравнении с традиционными системами регулирования обусловлена использованием прогнозирующего управления на основе применения виртуальных анализаторов (ВА) качества выпускаемой продукции [5]. ВА представляют собой математические модели, описывающие зависимость показателя качества выпускаемой продукции от непосредственно измеряемых параметров технологического процесса. Как отмечается в [3], наибольший эффект от использования АРС-систем достигается не столько за счет качественного управления, что безусловно является необходимым условием, сколько за счет оптимизации работы технологического оборудования по экономическому критерию. Применительно к автоматизации технологических процессов производства КС можно отметить следующие полученные с участием автора результаты. Решение задачи оптимального управления охлаждением кабельной жилы в процессе ее изготовления на основе использования аналитической модели процесса, с учетом распределенности управляемой величины по пространственным координатам, позволило оптимизировать работу участка охлаждения экструзионной линии по технико-экономическим критериям и получить значительную экономию энергозатрат на подогрев охлаждающей воды и высвобождение производственных площадей [6]. Использование моделей зоны дозирования одночервячного экструдера как объекта с распределенными параметрами по температуре расплава полимера [7] и пульсациям колебания давления расплава на выходе экструдера [8] является основой для решения средствами APC задачи оптимизации массовой производительности расплава полимера на выходе экструдера с целью стабилизации формируемого диаметра изоляции и, соответственно, минимизации нерегулярностей волнового сопротивления изготавливаемого кабеля [2]. В данном случае необходимо отметить использование «строгих», основанных на базовых физических закономерностях автоматизируемых процессов, моделей, в отличие от традиционно используемых в АРС-системах упрощенных линейных моделей. Предлагаемые подходы, основанные на использовании методов и средств АРС-систем, позволят существенно повысить эффективность управления изготовлением КС.

About the authors

Vladimir N Mitroshin

Samara State Technical University

(Dr. Sci. (Techn.)), Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files