Разработка методов автоматизации управления технологическими процессами получения и транспортирования гидрополистирольных смесей

В настоящее время значительную проблему для флота представляют собой атомные подводные лодки 1-го и 2-го поколений, выведенные из боевого состава ВМФ и находящихся в режиме продолжительного отстоя. Их общее техническое состояние критическое: изношены механизмы и общесудовые системы, цистерны негерметичны. За последние годы дважды имели место случаи затопления списанных подводных лодок. Возможности отечественной судостроительной и судоремонтной промышленности по развитию утилизации атомных подводных лодок (АПЛ) оказались ограниченными. В результате подавляющее большинство этих лодок оказались в положении вынужденного длительного хранения на плаву в ожидании своей утилизации, сроки которой растягивались на 10 и более лет. Между тем, случайное, несанкционированное затопление любой из выведенных АПЛ с ядерным топливом на борту способно привести к состоянию экологической катастрофы целый регион. Поэтому проблема безопасного длительного содержания на плаву столь большого количества АПЛ приобрела общегосударственный характер.

В связи с изложенным весьма актуальным является вопрос об обеспечении поддержания на плаву и подъема АПЛ с малых и средних глубин. Традиционные способы не дают приемлемого технического решения, в то время как применение вспененного полистирола является перспективным, так как плотность вспененного полистирола позволяет получать большие значения подъемных сил, и его использование не требует герметичности заполняемого объёма.

Существующая задача обеспечения быстрого и равномерного заполнения отсеков вспененным полистиролом может быть решена с помощью автоматизации технологических процессов складирования, отбора бисера полистирола, транспортирования и вспенивания полистирола, с последующей подачей гидрополистирольпой смеси на глубину и заполнением вспененным полистиролом объемов АПЛ.

Впервые вспененный полистирол был использован в 1964 году при подъеме датского судна «Эль-Кувейт». В России ближайшем зарубежье неоднократно, начиная с 1971 года, вспененный полистирол применялся как при судоспасательных работах (танкер «Волгонефть», теплоход «Моздок»), так и при поддержании судов, выведенных из эксплуатации и находящихся в аварийном состоянии на плаву. Разработкой комплексов технических средств для применения вспененного полистирола для аварийно-спасательных и судоподъемных работ, а также исследования возможности применения вспененного полистирола в судоремонте занимались 40-е ГОС НИИ АСД, Ростовское ЦПКБ, МГНПЭП «Экопол», АО «Пластполимер», ГУП «СПМБМ «Малахит».

Практика показала, что обеспечение высокой надежности и получение равномерного заполнения вспененным полистиролом требует выполнения большого числа ограничений на параметры процесса (температуры, расходы, давления, интервалы времени выдержки и т. п.). Эти требования приводят к необходимости постоянного или периодического регулирования и подстройки этих параметров в зависимости от характеристик бисера полистирола, изменения длины трубопроводов, концентрации вспененного полистирола в гидросмеси и т. п.

Управление описанными процессами в настоящее время является децентрализованным и неполным, по некоторым параметрам оно является автоматическим, по другим осуществляется вручную. Некоторые из параметров не регулируются вообще, хотя естественной их стабилизации недостаточно. Такое положение обусловлено тем, что при разработке комплекса оборудования все внимание уделялось технологии, а задачи управления ставились и решались наиболее простыми и доступными средствами поодиночке, по мере того, как они проявлялись на практике.

К настоящему времени назрела необходимость автоматизации на базе возможно более полного и адекватного описания технологических процессов вспенивания полистирола, образования гидрополистироль-ной смеси, ее транспортирования и заполнения выделенных объемов. Поэтому тема данной диссертационной работы, посвященной созданию математических моделей для различных этапов процесса и реализующего эти этапы оборудования, формулированию и формализации требований к допустимым изменениям и точности стабилизации параметров процесса, обоснованию рекомендаций по построению и оптимизации комплексной системы автоматического управления, представляется актуальной.

Целью диссертации является разработка требований к составу системы управления и параметрам системы автоматического управления комплексами оборудования технологических процессов вспенивания, выдержки полистирола, образования и транспортирования гидро-полистирольной смеси и контроля ее параметров.

Для достижения сформулированной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

Систематизировать и обобщить сведения о рассматриваемых технологических процессах и существующего в различных комплексах технологического оборудования;

— построить структурные схемы блоков систем автоматического управления рассматриваемыми технологическими процессами и определить требования к составным частям и основным элементам, сформулировать требования к элементам регуляторов;

— проанализировать физику процесса формирования и транспортирования гидрополистирольной смеси и установить ограничения на технологические параметры транспортирования;

— разработать математическую модель процесса образования гидрополистирольной смеси, подлежащего полне л ав томатизацииразработать конкретные предложения по реализации комплексной автоматизации рассматриваемых процессов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

— Полная автоматизация процессов вспенивания полистирола, образования гидрополистирольной смеси и ее транспортирования необходима для обеспечения быстрого заполнения свободного объема и равномерного распределения вспененного полистирола по объему;

— анализ требований к качеству выполнения рассматриваемых технологических операций, систем допусков на исновные параметры, а также особенности технологического процесса позволяют определить структуру системы управления модулями и определить элементы автоматизации;

— ряд ограничений устанавливается из результатов анализа физики рассматриваемых процессов, однако, в большинстве случаев требуется подробное исследование свойств агрегатов и использование их характеристик;

— построенная математическая модель блока формирования и транспортирования гидрополистирольной смеси позволяет осуществлять обоснованный подбор элементов системы формирования и транспортирования гидрополистирольной смеси и оптимизировать режимы работы комплекса.

Практическая ценность. Полученные результаты теоретических исследований реализованы в инженерной методике, готовой к практическому использованию. Основные результаты работы использованы при разработке в СПМБМ «Малахит» конструкторской документации и расчетов по теме «Метель» (комплект документации ЛТПИ.0666.46.001.ДЗ).

Апробация работы. Основные научные положения и результаты докладывались и получили одобрение на научнотехнических конференциях в Санкт-Петербургском государственном техническом университете (СПБГТУ), конференции в Военно-Морском Инженерном институте (ВМИИ), конференции в Тульском государственном Университете (ТГУ), заседаниях и семинарах кафедры «Автоматы» СПбГТУ. Инженерная методика расчета системы формирования и перемещения гидрополистирольной смеси была отмечена на конкурсе СПМБМ «Малахит» «Мемориал В. И. Баранцева» в 1999 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, перечень которых приведен в списке литературы.

Основной материал диссертации содержится в трех главах.

В первой главе рассмотрена история применения вспененного полистирола. Обоснована возможность использования вспененного полистирола для длительного поддержания АПЛ на плаву, анализируется современная обстановка практического применения полистирола при аварийно-спасательных работах.

Во второй главе подробно рассмотрены этапы основного и вспомогательного технологического процесса и определены рекомендуемые значения параметров для производства высококачественного вспененного полистирола и для создания оптимальной системы перемещения вспененного полистирола к аварийному объекту. Проведен сравнительный анализ способов регулирования частоты вращения различных типов двигателей. На основании проведенного анализа задач управления и средств автоматизации комплекса определены модули, требующие модернизации, даны рекомендации по выбору датчиков и регуляторов, построены структурные схемы управления модулями технологического комплекса. Систематизированы задачи управления и требования к регулированию всего комплекса в целом.

Даны рекомендации для формирования аварийной системы различных модулей комплекса.

В третьей главе, рассматриваются вопросы математического описания процесса формирования и перемещения вспененного полистирола к аварийному объекту, с целью облегчения задачи выбора параметров регулирования и построения систем, обеспечивающий оптимальный технологический процесс. Проведена оптимизация параметров струйного аппарата, используемого для формирования гидросмеси, и даны практические рекомендации по выбору эжектора. Разработана методика подбора насоса при фиксированной мощности. Даны рекомендации по выбору типа насоса для системы транспортирования гидросмеси. Разработаны основы научной методика для определения геометрических параметров смесительного аппарата, определения характеристик системы при гидротранспортировании вспененного полистирола, оценки параметров системы гидротранспортирования, параметров гидрополисти-рольной смеси на этапе её перемещения, оценки влияния потерь на трение и потерь, связанных с изменением конфигурации потока гидросмеси на работу системы в целом. Определена зависимость потерь подъемной силы вспененного полистирола различной насыпной массы от глубины погружения. Разработана программа, созданная с целью определения конструктивных параметров оборудования, ограничений на регулируемые параметры, а также для проведения сравнительного анализа различных конфигураций систем транспортирования. В заключении сформулированы основные положения и выводы диссертационной работы.

В приложении приведен текст программы «Раструб» для расчета параметров системы формирования и перемещения вспененного полистирола, а также сведения о внедрении.

ВЫВОДЫ:

1. Построена математическая модель струйного аппарата, для случая транспортирования легких сред. Проведена оптимизация параметров струйного аппарата.

2. Разработаны научные основы методик расчетного определения параметров системы транспортирования гидрополистирольных смесейа также определения аварийных ситуаций, возникающих в системе.

3. Выполнен подробный анализ режимов работы насосов, используемых в системе формирования и перемещения гидрополистирольных смесей. Из результатов анализа выведены рекомендации по выбору типоразмеров насосов.

4. Определена зависимость изменения объема гранул вспененного полистирола с различной насыпной массой от глубины погружения, определено выражение для расчета подъемной силы, создаваемой вспененным полистиролом, в зависимости от глубины погружения.

5. Разработаны основы и элементы САПР комплекса производства вспененного полистирола и транспортирования гидрополистирольной смеси. Разработанный пользовательский интерфейс позволяет в диалоговом режиме оперативно оценивать влияние на производительность отдельных параметров комплекса и осуществлять оптимизацию его параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Общим итогом работы является подобный анализ физики процесса формирования и транспортирования гидрополистирольной смеси, на основании которого даны рекомендации построения системы автоматизации технологического процесса.

Основные полученные результаты легли в основу предложений по усовершенствованию расчетов по теме «Метель» (комплект документации ЛТПИ.0666.46.001 .ДЗ).

Конкретные выводы формулируются следующим образом:

1. Анализ существующих способов подъема и поддержания аварийных судов на плаву позволил обосновать эффективность использования вспененного полистирола.

2. Подробно рассмотрены этапы основного и вспомогательного технологического процесса и определены значения параметров для производства высококачественного вспененного полистирола и для создания оптимальной системы перемещения вспененного полистирола к аварийному объекту, определены модули, требующие модернизации, внесены предложения по использованию датчиков и регуляторов.

3. Предложены структурные схемы системы управления для каждого модуля производства и перемещения вспененного полистирола Даны рекомендации по выбору параметров регулирования, точности регулирования и построению аварийной системы отключения комплекса.

4. Оптимизированы параметры струйного аппарата, используемого в системе формирования и перемещения гидрополистирольной смеси. Получено выражение для определения оптимального отношения площадей камеры смешения эжектора, обеспечивающее максимальный относительный перепад давлений.

5. Разработаны научные основы методики, позволяющей определять характеристики системы формирования и перемещения гидрополистирольной смеси, оценивать параметры системы гидротранспортирования, выявлять случаи возникновения аварийных ситуаций. Методика позволяет оценивать влияние геометрических параметров и массовых характеристик вспененного полистирола на работу системы.

6. Предложены основы методики побора насоса системы формирования и перемещения гидрополистирольной смеси при фиксированной мощности электродвигателя, для возможности построения унифицированного комплекса. Даны рекомендации по выбору типа насоса системы.

7. Определена зависимость изменения объема гранул вспененного полистирола с различной насыпной массой от глубины погружения, определено выражение для расчета подъемной силы, создаваемой вспененным полистиролом, в зависимости от глубины погружения.

8. Разработан*/ Основы САПР для облегчения расчета системы гидротранспортирования и выбора значений регулируемых параметров. Достоинством программы является возможность проводить сравнительный анализ различных конфигураций системы.

9. Изучение комплекса позволило определить связь регулируемых параметров модулей производства вспененного полистирола, а также модуля транспортирования его к объекту со свойствами вспененного полистирола, гидрополистирольной смеси, а также со структурой системы гидротранспортирования, которые обеспечивают возможность подъема и поддержания на плаву судов.