Математическое и имитационное моделирование усовершенствованной системы виртуального анализа и контроля качества готовой продукции в технологическом процессе сушки хлорида калия

Введение. В настоящее время различные отрасли промышленности требуют разработки систем высокоскоростного усовершенствованного управления технологическим процессом и его высокоточного прогнозирования. В свою очередь, эффективность управления определяется точностью модели прогнозирования. Усовершенствованное управление сложными химико-технологическими процессами и производствами требует использования виртуальных анализаторов качества готовой продукции для прогнозирования текущих значений контролируемых параметров и предвидения возможных возмущений. Формирование модели прогнозирования на основе индуктивных знаний об исследуемом объекте в среде виртуальных анализаторов определяется некоторыми тенденциями совершенствования усовершенствованных методов и алгоритмов управления на основе эмпирических данных. В целях получения высококачественной готовой продукции при производстве минеральных удобрений целесообразно разрабатывать новые технологии и “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 4 Техника, технология ва жиҳозлар модернизировать существующие. Исходя из правил работы и управления технологическими устройствами, изменяется структура управления, поскольку комплекс устройств автоматизации включает в себя систему локального регулирования и логического управления. Система управления обеспечивает стабилизацию оптимального режима технологических процессов. Показатели качества готовой продукции зависят от предъявляемых к ним технологических требований, а именно: влажности, исходной плотности, структурного состава, физических и химических характеристик [1-4]. Исходя из вышеизложенных мнений и соображений, количество воды, содержащейся в продуктах в процессе сушки, определяется путем расчетов с помощью лабораторных устройств через определенные промежутки времени. Для управления технологическим процессом сушки хлористого калия и одновременного улучшения качества получаемого продукта предлагается использовать виртуальный анализатор. Он позволит решить задачу прогнозирования количества остаточной влаги в составе высушенного продукта за короткий промежуток времени. Составляет программно-алгоритмический комплекс, реализующий математическую модель виртуального анализатора для контроля нескольких параметров хлористого калия, показателей качества и одновременно его влажности. Единственная цель применения виртуального анализатора заключается в повышении уровня информационного обеспечения операторов и улучшении контроля на всех этапах изготовления продукции, что является инвариантным способом оптимизации процесса [1-2]. Существуют различные методы применения виртуального анализатора. Для решения поставленной в данной работе задачи, основываясь на знаниях о технологических параметрах, влияющих на качество продукта в барабанной сушилке, предложено использование виртуального анализатора в процессе сушки хлорида калия. В многочисленных научных работах рассмотрены методы формирования моделей, основанных на проблемах сушки влажного концентрата в барабанных установках при сложных химических процессах. При этом большое количество моделей, описывающих структуру барабанных сушилок, отражает только некоторые отдельные аспекты явления. Из-за сложности системы и большого количества внешних и внутренних параметров их можно использовать в качестве основы для построения эмпирических корреляций и связей [1-3]. Целесообразно использовать усовершенствованные экстремальные методы автоматического управления всеми технологическими параметрами, задействованными в барабанных сушилках. Математическая модель строится на основе материального баланса процесса сушки, при этом применяются, например, определенные упрощения и эмпирические зависимости (рис.1). Входное влагосодержание материала вхW  Входное температура теплоносителя вхF T  выхW  Выходное влагосодержание материала Объект контроля и управления F  Расход теплоносителя Входное влагосодержание теплоносителя вх  Q  Расход материала Рис.1. Структурная схема барабанной сушилки как объекта контроля, диагностирования и управления Представлены результаты математического и имитационного моделирования технологического процесса сушки хлорида калия с использованием пакета прикладных программ MATLAB. В работе осуществлено математическое моделирование процесса сушки “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 5 Техника, технология и оборудование хлорида калия в барабанной сушилке на основе материально-теплового баланса с прохождением сигнала через основной динамический канал. При создании математической модели объекта с распределенными параметрами были приняты следующие условия: Материальный баланс по воздушной среде: dt dR Т Т S Т Т T S FR FR вых суш бар вых f вых вх вых M f вых вх . ) ( ) 2 (    = − − − − − − (1) Материальный баланс по влажному воздуху: dt dR W W Q F вых Г вых вх вых вх . ) ( ) (    = − + − (2) Энергетический баланс по высушиваемому материалу: .0 ) ( ) ( =   + − −   +   M M M M вых M f M M M M T C t T T S y Q T С y T Q С   (3) Материальный баланс по сухому материалу: 0 =   +   t y Q M  . (4) Материальный баланс по влажному материалу: .0 ) ( ) ( =   + − +  +   W t W W KS y Q W y T Q M равн M  (5) Материальный баланс по абсолютно сухому вществу: dt dT C T T S бар бар бар бар вых f   = − ) ( , (6) здесь: F - расход сушильного агента; вх R , вых R - внутрення энергия сушильного агента на входе и выходе из сушилки; f  - коэффициент теплопередачи; вх T , вых T - температура теплоносителя на входе и выходе из аппарата; суш  - количество вещества во влажнем материале; S - поверхность контакта; вх , вых  - влага сушильного агента на входе и выходе из сушилки; вх W , вых W – влажность продукта на входе и выходе из сушильного устройства; K – коэффициент сушки; M C - удельная теплоемкость высушиваемого материала; Q- расход высушенного материала; − = D D y y ; длина барабанной сушилки. На основе этих уравнений получена система нелинейных уравнений в частных производных. Проведем линеаризацию полученной системы уравнений, которая представляет собой математическое описание процесса сушки по каналам прохождения сигнала:                    , 10 1 9 8 2 7 6 5 2 4 2 3 2 1 S бар вх вх вых вых Т Т Т Т t Т t Т + +  +  +  +  = +   +  +   . (7) Q W W F t                  16 2 14 1 14 15 2 13 2 12 2 11 + − + + = +   . (8) y t T T t T y T Q S вых M M M               +   + +  =  +   +   22 , 21 , 20 19 19 18 17 . (9)   +  Q Q    . (10) 0 23 =  t y       +   + − +  + − + + − + +   +                     (11) Q вых W W W ) exp( ) exp( ) exp( t y T y y t t 32 0 31 30 0 29 2 28 0 27 26 25 24     0 ) exp( ) exp( ) exp( = + − +  + − + − +            Q Q F y y y y 37 0 36 35 0 34 0 33 “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 6 Техника, технология ва жиҳозлар Т  =  +    вых бар бар Т Т t 39 39 38    , (12) где i–коэффициенты, являющиеся функциями параметров исходных уравнений (1)-(6); T – приращения переменных;  – относительные изменения переменных. Для верификация математического описания (7)-(12) зададимся начальными и граничными условиями: 0 1 = = =  =  = = = вхQ Q вхM M W W T T y     , 0 2 =  = = =  = =  = Q W Q M вх T T T t    Используя прямое ) ( ) ( t F L p =  и ) ( ) ( y F L s =  и обратное ) ( ( ) ( 1 s F L y F  − = преобразования Лапласа к математическому описанию (7)-(12),получим необходимые передаточные функции по каналам связи [3-8]. Модель, основанная на материальном и тепловом балансах, была реализована с использованием пакета MATLAB. Работа модели была проверена на основе информации из архивов базы данных системы автоматического управления технологическим процессом. В данном случае отбор проб для определения содержания влаги в продукте в заводской лаборатории производился с интервалом 720 секунд в течение рабочей смены. Схема моделирования в MATLAB для регулирования температуры сушильного агента и содержания влаги в продукте путем управления тепловым режимом барабанной сушилки показана на рис.2. Возмущения Возмущения Назначение расхода газа Расход газа Калориферная темпратура + Назначение выходной температуры ПИД ригулятор Калорифер Барабанная сушилка Релейный регулятор обзора ++ + ПИД ригулятор + ++ + Исполнительный механизм Газ заслонкаси + Назначение температуры в калорифере Контур стабилизации тепловой температуры Датчик температуры калорифера Текущее соотношение воздуха и газа Расход газа + Назначение расхода воздуха Назначение соотношения воздуха и газа Расход воздуха Ижрочи механизм Регулятор + Ишчи оргон in1 CO  Контур подачи воздуха Соотношение воздуха и газа in2 O2 Контур стабилизации выходной температуры Температура на выходе Рис. 2. Схема моделирования системы управления температурой сушильного агента и содержанием влаги в продукте в программной среде MATLAB. Результаты работы схемы, построенной на основе разработанной выше математической модели, представлены на рис. 3 и рис. 4. Влажность (%) t, 7% 5.5% 4% 2.5% 1% 0.5% t,м 4 8 12 2 6 10 t,м 4 8 12 2 6 10 Рис.4. График изменения влажности хлорида калия При прогнозировании показателей качества конечных продуктов после сушки в барабанной сушилке с хлоридом калия виртуальные анализаторы используются в качестве Рис.3. График изменения температуры сушильного агента “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №4/2025 7 Техника, технология и оборудование решающего элемента систем контроля и управления. Контроль процесса сушки минеральных удобрений заключается в обеспечении стабильного содержания влаги в конечном продукте[5-10]. Чтобы сушилка работала более надежно, в ней должны использоваться современные системы управления и инструменты. Ниже приведена структурнофункциональная схема предлагаемой системы усовершенствованного управления сушильным барабаном (рис.5). Преобразователь частоты (инвертор) влажный материал M02 LT01 2 FT05 M01 8 9 10 5 6 7 AT01 Сушильный агент TT01 Природный газ FT01 1-1 FT04 TT01 Первичный воздух 1-2 Показатель качества FT02 Вторичный воздух 1-3 Сушенный материал Q AT02 FT03 13 14 15 16 Программируемый логический контроллер (ПЛК) Input Modul Output Modul Виртуальный анализатор Q=f(F, T, A) Рис.5. Структурно-функциональная схема системы усовершенствованного управления сушильным барабаном: 1- конвейер, транспортирующий влажный материал; 2 - бункер для влажного материала; 3 - дозатор, 4 - регулятор частоты вращения электродвигателя (преобразователь частоты); 5 - подающий конвейер; 6 - калорифер (топка); 7- смесительная камера; 8- барабанная сушилка; циклоны 9 и 10; 12 - бункер-коллектора, 11 – вентилятор; 13 - конвейер для подачи охладителя; 14- программируемый логический контроллер (ПЛК), 15 блоки аналогового входа (Input Modul) и 16-блоки аналогового выхода (Output Modul); TT01,TT02- датчики температуры; FT01- датчик расхода газа; FT02- датчик расхода первичного воздуха; FT03- датчик вторичного воздуха; FT04- датчик расхода сушильного агента; FT05- датчик расхода влажного концентрата; LT01- датчик уровня; M01, M02- электрический мотор. Предлагаемой структурно-функциональной схемы интеллектуальной системы управления сушильным барабаном на входе виртуального анализатора измеряются и контролируется влажность высушиваемого хлорида калия. Выходные данные виртуального анализатора являются качественным показателем технологических процессов или производимого продукта. Кроме того, сигналы, передаваемые первичными переключателями, принимаются программируемым логическим контроллером (ПЛК), а управляющие сигналы (эффекты) формируются контроллером. Эти сигналы, в свою очередь, сохраняются в архиве базы данных. На рис.6 и рис.7 представлены графики изменения расхода газа и воздуха, а также график изменения давления газа в барабанной сушилке. На мониторе персонального компьютера в пункте управления установки представлена мнемосхема процесса в барабанной сушилке, а также в калорифере, где отражаются значения технологических параметров, участвующих в процессе сушки. Программное обеспечение, установленное на промышленном компьютере, обеспечивает архивирование информации в “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №4/2025 8 Техника, технология ва жиҳозлар шкафу управления калориферами и осуществляет их обработку, измеряет технологические параметры, строит графики и дистанционно управляет процессом сушки минеральных удобрений. 3 ( ) м V мин Расход воздуха Расход газа P(kpa) 17,2 41,8 24,8 t,м 4 8 12 2 6 10 t,м 4 8 12 2 6 10 Рис.6. График изменения давления газа Рис.7. График изменения расхода газа и воздуха Заключение. Критически проанализировано современное состояние теории и практики усовершенствованного управления с виртуальным анализатором в системе контроля и управления технологическими процессами производства калийных удобрений, а также выявлены тенденции их дальнейшего совершенствования. Разработана имитационная модель технологического процесса сушки удобрений при производстве калийных удобрений, описывающая процесс сушки в барабанных сушилках. В качестве альтернативы аналитическим аппаратным средствам непрерывного мониторинга показателей качества минеральных удобрений предложено использование виртуального анализатора, представляющего собой программно-алгоритмический комплекс, реализующий обобщенную математическую модель. Данный виртуальный анализатор позволяет связать текущие значения технологических параметров исследуемого процесса производства калийных удобрений с показателями качества