Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цели и задачи исследования 9
1.1. Анализ отечественного и зарубежного опыта по вопросам моделирования и управления процессом обогащения 9
1.2. Обоснование выбранного направления работы. Цель и задачи исследования 20
1.3. Методика исследования 22
2. Исследование технологического процесса обогащения . 24
2.1. Характеристика объекта исследования 24
2.2. Методика проведения эксперимента 28
2.3. Оценка взаимосвязи технологических параметров 32
2.4. Анализ технологического процесса с позиций задач управления 35
2.5. Исследование статических зависимостей между основными параметрами процесса 43
2.6. Исследование динамических характеристик 62
ВЫВОДЫ 65
3. Разработка локальных систем автоматического регулирования 66
3.1. Общие положения 66
3.2. Система автоматического регулирования заполнения мельницы ММС 66
3.3. Регулирование водного режима цикла измельчения-классификации I стадии 71
3.4. Система автоматической стабилизации плотности пульпы в сливе гидроциклонов 78
3.5. Система автоматического управления заполнением мельницы МГР 81
ВЫВОДЫ 86
4. Разработка модели технологического процесса обогатительной линии 87
4.1. Теоретическое обоснование размерности модели цикла измельчения-классификации первой стадии 87
4.2. Теоретическое построение модели технологической линии обогащения 96
4.3. Определение полезной мощности барабанной мельницы при водопадном режиме на основе кинематики, отличающейся от кинематики Дэвиса 101
ВЫВОДЫ . 118
5. Разработка системы оптимального управления технологической секцией ІІ9
5.1. Критерий оптимального управления технологической секцией 119
5.2. Статическая оптимизация технологической секцией 124
5.3. Оптимизация переходного процесса при автоматическом управлении заполнения мельницы ММС 127
5.4. Структура оптимального управления технологической секцией 137
Выводы 141
Заключение 142
Литература
- Обоснование выбранного направления работы. Цель и задачи исследования
- Анализ технологического процесса с позиций задач управления
- Система автоматического регулирования заполнения мельницы ММС
- Теоретическое построение модели технологической линии обогащения
Введение к работе
Актуальность темы.
ХХУІ съезд КПСС определил стратегию и тактику социально-экономического развития нашей страны на новом этапе коммунистического строительства. Как указывается в Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до І990 года, важнейшим фактором, обеспечивающим решение главной экономической задачи одиннадцатой пятилетки, является дальнейшая интенсификация производства и повышение качества продукции на основе всемерного использования достижений научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства. Это в полной мере относится к такой ключевой отрасли промышленности, как черная металлургия, от уровня развития которой во многом зависят темпы наращивания, выпуска продукции в отраслях, определяющих прогресс в народном хозяйстве.
Одним из путей решения проблемы интенсификации промышленного производства и экономии всех видов ресурсов является внедрение высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами САСУТП), созданных на основе новейших достижений в области теории управления, использующих экономико-математические методы и современную вычислительную и управляющую технику. Повышение качества управления, осуществляемое АСУТП, обеспечивается благодаря системному подходу к решению этой задачи и использованию технико-экономических кри^* териев управления.
Как показывает практика на обогатительных фабриках черной металлургии, создание АСУТП обогащения является сложной задачей, а эффективность внедряемых систем ещё недостаточна. Прак-
, тически ни на одном из комбинатов отрасли не используется вычислительная техника для управления процессом обогащения. Задачами, которые решаются управляющими вычислительными машинами являются сбор и представление информации о ходе технологического процесса. Таким образом, важнейшая задача интенсификации производства и повышения качества выпускаемого концентрата на основе использования достижений научно-технического прогресса не достигнута. Основные причины этого связаны с отсутствием систем, оптимизирующих работу обогатительного комплекса на основе математических моделей и средств вычислительной техники.
Следовательно, разработка подсистемы оптимального управления технологической секции обогащения магнетитовых руд, позволяющей обеспечить стабильное качество концентрата при высоких технико-зкономических показателях производства в условиях неоднородных свойств поступающей на обогащение руды является актуальной и своевременной задачей.
Целью работы является установление зависимостей качественных показателей обогатительного процесса от управляющих параметров технологической линии и возмущающих воздействий качественного состава перерабатываемой руды и разработке на их основе системы оптимального управления секцией обогатительной фабрики с учетом построения многоуровневой иерархической системы управления.
Основная идея работы состоит в использовании адаптивных свойств обогатительной секции при изменении качественных параметров перерабатываемой руды.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты.
I. Установлено, что для оптимизации функционирования от-
дельной секции с самоизмельчением в качестве эффективных управляющих воздействий необходимо использовать изменения следующих режимных параметров: степени заполнения мельниц, расход воды в мельницу самоизмельчения, плотности сливов классификатора и гидроциклонов.
Предложена и теоретически обоснована новая кинематика барабанной мельницы при водопадном режиме, согласно которой цикл движения материала рассматривается с учетом действия силы трения.
На основе полученных моделей разработана структура и алгоритмическое решение комплексной, статической и динамической оптимизации обогатительной секции.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций достигаются:
обширным экспериментальным исследованием взаимосвязи качественных показателей и параметров управления;
использованием методов системного анализа, математического моделирования, статистического анализа, спектрального анализа временных рядов, теории управления;
результатами внедрения системы оптимального управления технологическим процессом обогащения на фабрике Лебединского ГОКа.
Значение работы. Научное значение работы заключается в установлении зависимостей качественных показателей процесса обогащения от параметров управления технологической секции, что позволило разработать систему оптимального управления технологической линией обогащения.
Практическое значение работы состоит в разработке алгоритмов, программ и структурных схем построения системы оптимального управления, использование которой позволяет обеспе-
чить стабильное качество концентрата на заданном уровне, увеличение объема производства на Ч~9% и уменьшение содержания железа в хвостах на 0,5$.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Система оптимального управления технологической секцией принята к поэтапному внедрению на обогатительной фабрике Лебединского ГОКа.
Разработанные в диссертации рекомендации о выборе комплекса управляющих воздействий для оптимизации функционирования технологической секции, реализованные системами автоматического регулирования водными режимами первой стадии измельчения-классификации, внедрены в 1979 году на 1-4 технологических секциях и в I960 году на 5-8 технологических секциях обогатительной фабрики Лебединского ГОКа с фактическим годовым экономическим эффектом в сумме 55,1 тыс.руб., полученным за счет улучшения оперативности управления процессом и стабилизации технологических параметров, обеспечивающих увеличение объема на 3% и уменьшение содержания железа в хвостах на 0,5$.
Системы автоматического регулирования плотности слива гидроциклонов, составляющие нижний уровень системы оптимального управления обогатительной линии, внедрены в І980 году на 1-4 технологических секциях, в І98І году на 5-8 секциях и в 1982 году на І8-І9 технологических секциях с общим годовым фактическим экономическим эффектом 60,7 тыс.руб., полученным за счет оперативности управления процессом,стабилизации технологических параметров и увеличения объема производства концентрата на 3,6$.
Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ученом
совете НИИіЧМА им. Л.Д.Шевякова (І975«*І984гг.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "АСУТП железорудных обогатительных фабрик" (Киев, 1979г.) и на областной научно-технической конференции "Добычами переработка железорудного сырья месторождений КМА" (Губкин, Белгородской обл. 1979г.).
По теме диссертационной работы опубликовано шесть научных статей.
Обоснование выбранного направления работы. Цель и задачи исследования
Из проведенного анализа отечественного и зарубежного опыта по разработке и внедрению АСУТИ обогатительных фабрик следует, что в настоящее время существует два возможных варианта построения функциональной структуры АСУТП технологической секции. Первым из них предусматривается построение системы с использованием УВМ в режиме прямого цифрового управления. В этом случае управляющие воздействия формируются в УВМ и передаются непосредственно исполнительным устройствам, расположенным на объекте управления.
Второй вариант предусматривает в общей структуре АСУТП локальные автоматические системы контроля и управления, в этом случае управляющие воздействия вырабатываются регулирующими устройствами местных систем стабилизации и управления, а УВМ на основе обработки,анализа,поступающей информации вырабатывает команды на изменение заданий. Особенности технологического процесса обогащения, сложившаяся традиционная структура технологического цеха позволяют считать, что для условий обогатительной секции наиболее целеобразна трехуровневая система управления.
Нижний уровень этой системы представляют датчики, исполнительные устройства, аппаратура измерения и управления локальных систем. Задачей этого уровня является стабилизация отдельных параметров.
Второй уровень представлен аппаратурой и УВМ, предназначенных для управления, оптимизации соответствующих переделов и операций обогащения за счет распознавания технологических ситуаций и прогнозирования выходных показателей обогатительного комплекса.
Третий уровень ( верхний ) иерархии системы управления осуществляет оптимизацию релшмов работы обогатительных линий комбината путем минимизации стоимости концентрата.
Трехуровневая структура системы управления не исключает и осуществление прямого цифрового управления отдельными параметрами или участками технологической линии, которое возможно на участках с достаточно формализованными функциями и целями управления.
Данный вариант построения АСУТП позволяет осуществить постепенное вытеснение локальных аппаратурных средств контроля и управления на низшем иерархическом уровне комбинированными аппаратно-программными средствами на базе микро-ЭВМ, то есть перейти к наиболее надежной и экономичной децентрализованной структуре АСУТП.
В связи с вышесказанным, целью работы является разработка системы оптимального управления технологическим процессом секции обогатительной фабрики с учетом построения многоуровневой иерархической системы управления обогатительной фабрики.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи: 1. Определение наиболее целесообразных управляющих воздействий, оптимизирующих функционирование отдельной секции. 2. Описание статических и динамических свойств технологической секции обогащения. 3. Обоснование локальных систем автоматического регулирования. 4. Разработка критерия оптимального управления технологической линии. 5. Разработка структуры системы управления.
Разработка алгоритмов и программ динамической оптимизации Система оптимального управления технологическим процессом обогащения представляет собой совокупность методов и технических средств, с помощью которых достигается наиболее эффективное управление процессом. Она широко использует математические методы, модели процесса, средства обработки и передачи информации, аффективное управление процессом обогащения с использованием вычислительной техники требует знания математической модели этого процесса, которая и составляет основное содержание алгоритма управления, реализуемого АСУТП. Задача, выполняемая в системе "технологический процесс - АСУТП" может быть сформулирована следующим образом: по полученным данным о технологическом процессе составить прогноз хода технологического процесса, а также составить и реализовать такой план управляющих воздействий ( в том числе, изменение режимов работы оборудования), чтобы в определенный момент времени состояние технологического процесса отвечало бы некоторому экстремальному значению обобщенного критерия качества.
Анализ технологического процесса с позиций задач управления
Из анализа взаимосвязи параметров технологической линии (табл. 2.2 ) следует, что технологическую линию можно представить в виде трех взаимосвязанных контуров, представляющих участки типовой технологии. Такое представление секции позволяет построить системы управления этими отдельными участками, так как управление процессом обогащения по конечным показателям технологической линии практически невозможно, ввиду широкого диапазона изменения физико-механических и химико-минералогических свойств исходной руды, наличия рециклов и значительной инерционности процесса обогащения.
Первый контур объединяет технологические аппараты "головы" процесса: питатель, рудный конвейер, мельницу мокрого самоизмельчения, классификатор и магнитную сепарацию первой стадии обогащения.
Второй контур представлен мельницей рудногалечного измельчения с классификатором и магнитным сепаратором второй стадии обогащения, технологическим зумпфом и гидроциклонами.
Третий контур объединяет дешламаторы и магнитную сепарацию третьей стадии обогащения.
Анализ таблицы коэффициентов взаимной корреляции для первого из рассматриваемых контуров позволяет сделать следующие выводы:
1. Изменение минералогического состава руды, подаваемой из карьера ( JU ) приводит к изменению доли дробящего класса в исходном питании (У ), что через изменение уровня заполнения мельницы ММС ( ) приводит к изменению гранулометрического состава { щ ), плотности пульпы ( р ) и содержания железа в сливе классификатора ( ьі ). Следовательно, предпосылкой стабильного течения технологического процесса обогащения является качественное усреднение исходной руды по вещественному составу.
2. Наличие положительной корреляционной связи по цепочке производительность ( ty ) - уровень заполнения ММС ( Ф ) -грансостав в сливе классификатора ( 0 ) - содержание е в сливе классификатора ( /м ) свидетельствует о том, что процесс измельчения в период эксперимента велся не в оптимальном режиме. Очевидно, имелись резервы как по производительности, так и по качеству.
3. Наличие обратных корреляционных связей между параметрами Ф-УІІ Pi-їм » Д-У2 fy-Vg, позволяет выявить существующие контуры управления, а также оценить зависимости между возмущениями и управляющими факторами. При ведении технологического процесса в основном стремятся поддерживать постоянный уровень загрузки мельницы изменением производительности питателя и постоянную плотность в сливе классификатора изменением количества воды, подаваемой в мельницу и классификатор. Как следует из предыдущего вывода, такая система управления обеспечивает стабилизацию указанных параметров без определения оптимальных уровней стабилизации, не обеспечивает высококачественного течения процесса.
4. Существование четких корреляционных связей " производительность питателя - уровень заполнения", "уровень заполнения -гранулометрический состав слива классификатора I стадии","расход воды в классификатор - гранулометрический состав" при относительно небольших запаздываниях по этим каналам, а также возможность оперативно изменять перечисленные параметры, предопределяет необходимость создания системы управления, управляемыми переменными которой будут: грансостав (содержание железа) и производительность, а управляющими: скорость питателя (уровень заполнения), расход воды в мельницу и классификатор.
Рассмотрим участок технологической цепи аппаратов "первая стадия магнитной сепарации - гидроциклоны - третья стадия магнитной сепарации".
На обогатительной фабрике № I Лебединского ГОКа этот тракт совершенно не содержит средств контроля и управления. Такие потоки как вход в гидроциклоны, пески гидроциклонов труднодоступны для ручного отбора проб. Поэтому в условиях эксперимента не представлялось возможным контролировать ряд важных параметров: плотность и грансостав пульпы на входе гидроциклонов; качественные и количественные параметры песков гидроциклонов. Нельзя было также и поддерживать отдельные из перечисленных параметров на постоянном уровне, поэтому во время эксперимента по данному тракту контролировались только: содержание железа в промпродук-тах и хвостах I и Ш стадий магнитной сепарации;плотность пульпы и содержание железа в сливе гидроциклонов, а также выходные параметры двух других контуров, являющихся входными для описываемого: содержание железа; плотность и грансостав слива классифи катора I стадии измельчения; содержание железа в промпродукте II стадии магнитной сепарации.
Система автоматического регулирования заполнения мельницы ММС
Все известные системы автоматического регулирования заполнения мельниц можно разбить на 2 группы: системы стабилизации и системы экстремального регулирования. Принципы построения систем стабилизации в основном аналогичны.
Основные различия заключаются в использовании сигнала, характеризующего заполнение мельницы. Чаще всего используются косвенные параметры,такие как: мощность привода мельницы, шум и др. На обогатительной фабрике Лебединского ГОКа внедрена и уже в течение десяти лет успешно эксплуатируется система автоматического регулирования заполнения ММС, в которой в качестве датчика используется радиоизотопный измеритель заполнения мельницы РИЗМ, осуществляющий замер уровня материала в мельнице. Опыт эксплуатации показал, что система обеспечивает хорошее качество управления, отличается высокой надежностью и её можно рекомендовать для использования в АСУТП в качестве системы управления нижнего уровня.
Системы экстремального регулирования заполнения мельниц осуществляет автоматическое поддержание заполнения на уровне, отвечающем максимальной производительности мельницы. В качестве экстремальной характеристики чаще всего используется зависимость между мощностью или током привода мельницы и её заполнением, которая, как показано в / 37 / и подтверждена описанным выше экспериментом,имеет четкий максимум, соответствующий максимуму производительности.
Анализ показывает, что системы регулирования данного типа при надежной работе могут обеспечить повышение производительности на 5-10$ , особенно для фабрик, перерабатывающих руды переменного геолого-технологического» состава. Однако, несмотря на перспективность этих систем, они находят очень ограниченное применение. Объясняется это тем, что регулирующий сигнал в существующих системах экстремального регулирования вырабатывается на основании сопоставления величины и знака изменения входа (производительность по исходному питанию) и выхода (мощность или ток привода мельницы). При больших запаздываниях между изменением входа и реакцией выхода, исчисляющихся для мельниц большего объема в точках, близких к экстремуму, десятками минут, а также при высоком уровне помех, характерном для измельчительно-го цикла, добиться высокого качества регулирования по такой схеме затруднительно. Значительно повысить качество регулирования можно, если в качестве контролируемых параметров, с помощью которых рассчитывается регулируемая величина, использовать не вход и выход объекта регулирования, а два выходных параметра, запаздывание между которыми минимально. В данном случае такими параметрами могут быть заполнение мельниц, измеряемое с помощью РИЗМа, и ток привода мельницы, косвенно характеризующий то же заполнение, но имеющий по отношению к нему, как уже говорилось экстремальную зависимость.
На рис. 3.1 приведена структурная схема системы экстремального регулирования заполнения мельницы, построенная в соответствии с вышесказанным. Принцип работы её следующий. При произвольном или вынужденном изменении регулируемой величины соответственно изменяются показания вторичных приборов I и 2, измеряемых ток привода I и заполнение мельницы . При этом, в зависимости от того, в какой части статической характеристики Срис. 3.2) будет находиться рабочая зона, различным будет характер изменения контролируемых величин. Б зоне I (левее экстремума) изменение их будет совпадать по направлению и, соответственно, будут совпадать по знаку величины производных по времени, измеряемых с помощью дифференциаторов 3 и 4. В зоне П (в окрестностях экстремума), ширина которой тем меньше, чем выше чувствительность датчика тока, изменение заполнения мельницы вызывает изменение только сигнала с датчика РИЗМа.
Теоретическое построение модели технологической линии обогащения
Проведенное исследование технологического процесса линии обогащения,анализ развития средств автоматизации технологических процессов обогащения показывает,что основным переделом, влияющим на конечные показатели обогащения, является цикл измельчения-классификации 1-й стадии.
Несмотря на большое число научных работ по исследованию отдельных узлов технологического процесса, нет удовлетворитель ного аналитического описания процесса в целом. Он описан либо эмпирическими зависимостями, либо аналитическими выражениями, включающими эмпирические коэффициенты.
Введением различных поправочных коэффициентов делаются попытки учесть влияние аргументов, отражающих свойства сырья и динамику состояния оборудования. Но, поскольку эти аргументы являются переменными величинами случайного характера,получаются неадекватные объекту и нестационарные во времени модели.
Одним из наиболее точных способов построения математической модели сложной системы является дифференциальное описание процесса.
Из анализа технологии процесса измельчения-классификации 1-й стадии следует, что данный процесс можно описать четырех-фракционной моделью с тремя входами Х\ , У\ 3 V2, и четырьмя выходами Уі,Ул,У35У4 (рис. 4.1), где Xf - производительность питателя по исходной руде; Vі - расход воды, подаваемой в ММС; Va- расход воды, подаваемой в классификатор; Уі ( L =1,2,3,4) - количество в мельнице L -фракции: исходной руды, гали, песков и твердой фракции, уходящей в слив классификатора, соответственно. Для каждой фракции можно записать уравнение материального баланса.
Приращение количества исходной руды в единицу времени в мельнице должно равняться производительности питателя по исходной руде минус количество измельченной руды: - Л ти тіз -Vm где .2 - количество руды,измельченной до размеров гали; ,з количество руды, измельченной до размеров песков классификатора; (ц - количество руды, измельченной до размеров твердого в сливе классификатора. Б дальнейшем введем обозначение (tj - количество I -й фракции, измельченной до размеров j -й фракции в единицу времени. Уравнение баланса для гали, находящейся в мельнице, будет иметь вид: (At где Ї5 - количество гали, поступающей из МГР; J5 - коэффициент, равный нулю, если мельница закольцована, и единице, если мельница раскольцована: ХгШ- количество гали, выходящей из ММС; Тг, - время, за которое галя доходит по конвейерам от выхода до входа в ММС; Те - время , прохождения скрапа по конвейеру от МП? до ММС; об- степень открытия шибера: Qgd. Уравнение баланса для песков в мельнице: (4.3) -! =ХзСЬГз)-ХзШ+Ь+кз- где ХэШ- количество песков, выходящих из ммС; Тз — время задержки песков. Уравнение баланса для мелкой фракции, поступающей в слив классификатора: у=-Х Чн +{ + ! d где X/j - количество твердого,выходящее в слив классификатора в единицу времени. Сложив уравнения ( 4.1 ) - ( 4.4), получим 4r-:=x x1c)+ X2(42)-x3U-r3)-x X5Ug) (Zf,5) at где У - количество материала в ММС. У = У, - У2 - Уз-У (4.б) Размерности величин, входящих в уравнения (4.1)- (4.6) следующие: Уі,Т(1=ТД); У,Т; XL, 7 и = , час, Ті , час; at. и J3 - безразмерные параметры. Дифференциальные уравнения ( 4.1 ) - ( 4.4 ) полностью описывают процесс измельчения - классификации и являются, воооще говоря, нелинейными, так как функции зависят от выходов Уі и входов Vi нелинейным образом. Величины Xi ( L = 2,3,4 ) также являются функциями У і и Vi і/ і/ \ С 4.8) ХІ ХІСУ,Л,УЗ,УЬУ ,І4) Следует иметь ввиду, что выражения ( 4.7 ) и (4.8) явно зависят от времени t в связи со старением оборудования (износ футеровки), но эта зависимость не ограничивает общности дальнейших выкладок, поэтому в (4.7),( 4.8) она не показана. Величины Хн, У і и 1/2 являются входами и не зависят от выходов У і . Количество гали Xs , выходящей из МГР, можно рассматривать как внешнее воздействие, которое определяется технологическими условиями второй стадии измельчения-классификации. В дальнейшем предполагается, что Xs не зависит от входов Х ,н, Уг и выходов Уі . При выводе уравнений ( 4.1 ) - ( 4.6 ) был использован только закон сохранения массы, других допущений или ограничений не делалось. В выражениях ( 4.7 ) - ( 4.8 ) учтена зависимость ВеЛИЧИН -j-lj и fo от Уї и Vi
