Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор проблем управления обжигом в конвейерной обжиговой машине 12
1.1 Технология производства окатышей 13
1.2 Упрочняющий обжиг окатышей в ОМ
1.2.1 Параметры газо-воздушной среды 20
1.2.2 Температурный режим обжига окатышей в технологических зонах
1.3 Факторы, оказывающие влияние на обжиг окатышей 26
1.4 Существующий уровень автоматизации обжиговых машин
1.4.1 Структура АСУТП ОМ 30
1.4.2 Основные подсистемы АСУТП ОМ 34
1.5 Цель работы и задачи исследования 39
2 Статическая оптимизация режима работы обжиговой конвейерной машины 42
2.1 Эффективность управления работой ОМ 43
2.2 Критерии оптимальности, входные и выходные параметры, ограничения и математические модели зон ОМ
2.2.1 Зоны сушки и подогрева 47
2.2.2 Зона обжига 56
2.2.3 Зоны рекуперации и охлаждения 61
2.2.4 Идентификация параметров См и к 63
2.2.5 Проверка адекватности математической модели 65
2.3 Разработка процедуры оптимизации режима по зонам 66
2.3.1 Анализ работы зон машины 66
2.3.2 Постановка задач оптимизации для групп зон 70
2.3.3 Решение задач оптимизации 75
2.3.4 Пример оптимизации режима 83
3. Стабилизация оптимального режима обжига окатышей в конвейерной обжиговой машине 86
3.1 Методы расчета тепломассообмена в слое окатышей 87
3.2 Разработка математических моделей теплообмена между теплоносителем и слоем окатышей 92
3.2.1 Зона сушки 92
3.2.1.1 Порядок разработки моделей 92
3.2.1.2 Разработка модели охлаждения теплоносителя 94
3.2.1.3 Разработка модели нагрева слоя окатышей 104
3.2.1.4 Модель исполнительного механизма в зоне сушки
3.2.2 Зона подогрева 113
3.2.3 Зона обжига 114
3.2.3.1 Модель исполнительного механизма в зоне обжига 117
3.2.4 Зона рекуперации 118
3.2.5 Зона охлаждения 119
3.3 Оценка кажущейся теплоемкости слоя на основе наблюдателя состояния 119
3.4 Регулирование температуры слоя на основе регулятора состояния 125
3.4.1 Контур регулирования температуры слоя 125
3.4.2 Модель слоя в пространстве состояний 126
3.4.3 Регулятор состояния 13 1
3.4.4 Коррекция температуры слоя 134
3.5 Результаты моделирования работы подсистемы 138
4 Практическая реализация системы управления обжигом окатышей в конвейерной обжиговой машине 141
4.1 Программно-технический комплекс автоматизированного управления процессом обжига окатышей в ОМ ФОК ЛГОКа 142
4.2 Разработка структурной и функциональной схем управления технологическим процессом 145
4.3 Разработка элементов системы визуализации и программной составляющей управления процессом обжига в ОМ 147
4.4 Выбор технических устройств для реализации разрабатываемой системы управления обжигом в ОМ
4.4.1 Промышленный измеритель влажности 152
4.4.2 Бесконтактный влагомер 153
4.4.3 Измерение уровня материала на ленте 154
4.4.4 Измерение среднего диаметра гранул 155
4.4.5 Измерение температуры теплоносителя 156
4.4.6 Измерение давления теплоносителя 157
Заключение 159
Список литературы
- Температурный режим обжига окатышей в технологических зонах
- Критерии оптимальности, входные и выходные параметры, ограничения и математические модели зон ОМ
- Порядок разработки моделей
- Выбор технических устройств для реализации разрабатываемой системы управления обжигом в ОМ
Введение к работе
Актуальность работы. Производственные мощности предприятие металлургической и горнорудной промышленности год от года повышаются. Длі выплавки стали и выпуска горячебрикетированного железа в настоящее время широке используются окатыши. Важной стадией производства окатышей является теплова* обработка в конвейерной обжиговой машине (ОМ). ОМ - основные агрегаты фабрш окомкования, и обжиг окатышей в таких машинах требует существенных затрат энергии, что приводит к потреблению значительного количества природного газа Стоимость энергоносителей постоянно растет, поэтому необходимость эффективного использования топлива в ОМ не вызывает сомнения.
Ведение технологического процесса в рамках регламента является основної задачей эксплуатационного персонала обжиговой машины. Существует ряд факторов затрудняющих поддержание в зонах машины оптимального режима, что может привести к нерациональному расходованию природного газа. Основные из них отсутствие непосредственного оперативного контроля состояния слоя окатышей пс зонам в процессе обжига и изменение параметров сырья, поступающего на обработку.
Одним из возможных путей повышения технико-экономических показателей 01V является дальнейшая модернизация действующей автоматизированной системь управления процессом обжига окатышей в направлении оптимизацш технологического режима с использованием методов математического моделированш и современной теории автоматического управления.
Работа выполнена в рамках НИР: «Разработка методов повышенш эффективности управления горно-металлургическими производствами на основе искусственного интеллекта» в соответствии с научным направлением Старооскольского технологического института (филиала) ФГАОУ ВПС «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (CTt НИТУ МИСиС).
Объект исследования - технологический процесс обжига окатышей.
Предмет исследования - модели и алгоритмы управления режимам! термообработки окатышей в зонах конвейерной обжиговой машины.
Целью данного научного исследования является снижения удельного расходе природного газа на обжиг окатышей в конвейерной обжиговой машине за счет повышения эффективности контроля и управления режимом термообработки. Прі этом должны соблюдаться требования технологического регламента.
Задачи исследования. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
анализ и выявление путей повышения эффективности автоматизированного управления технологическим процессом обжига окатышей в конвейерной ОМ.
разработка подсистемы статической оптимизации режима работы обжиговоі машины. Выбор и формализация критерия оптимальности работы ОМ. Разработке статических математических моделей технологических зон ОМ. Разработке процедуры оптимизации установившегося режима термообработки в каждой из зої ОМ с учетом ограничений технологического регламента.
- разработка подсистемы стабилизации оптимального режима. Разработке
динамических математических моделей нагрева и охлаждения слоя окатышей, а также
газообразного теплоносителя. Разработка процедуры оценки неизмеряемой кажущейс}
теплоемкости слоя и косвенного контроля неизмеряемой температуры слоя. Разработке алгоритма регулирования температуры окатышей с учетом ее изменения по высоте слоя.
- интеграция разработанной системы управления технологическим процессом і существующую АСУ ТП предприятия.
Модернизированная автоматизированная система управления технологические процессом обжига окатышей в конвейерной обжиговой машине должна веста термообработку в режиме, обеспечивающем минимальные удельные затраты топливе на обжиг окатышей при заданной производительности.
Научная новизна
-
Разработаны статические математические модели для зон обжиговоі машины, структура которых основана на уравнениях газодинамики и теплообмене зернистого слоя, отличающиеся тем, что параметры моделей адаптированы і реальному процессу по результатам обработки экспериментальных данных, а и> входами являются только результаты штатных измерений технологических величин.
-
На основе уравнений Т. Шумана для решения частной задачи теплообмене разработаны динамические математические модели изменения температурь теплоносителя на выходе из слоя, а также температуры слоя окатышей на выходе каждой из зон обжиговой машины, отличающиеся учетом влияния кажущейс} теплоемкости слоя.
-
Разработан наблюдатель, основанный на уравнениях состояния і отличающийся наличием дополнительной координаты, оценивающей неизмеряемой значение эквивалентного возмущения.
-
Разработаны алгоритмы управления процессом обжига окатышей в зона? ОМ, основанные на динамических математических моделях, наблюдателях і регуляторах состояния.
Теоретическая значимость работы состоит в разработке метода косвенного контроля основных характеристик слоя окатышей по зонам обжиговой машины с использованием наблюдателей состояния, а также в разработке процедурь оптимизации процесса термообработки окатышей, которые обеспечивают определение и стабилизацию режима, оптимального по удельному расходу природного газа.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе модели, алгоритмы методы контроля, управления реализованы в составе специального программно технического комплекса, ориентированного на практическое использование в рамка? модернизированной автоматизированной системы управления процессом обжип окатышей в ОМ.
Использование результатов работы для решения прикладных задач управленш процессом тепловой обработки в ОМ позволяет повысить эффективность установки Зе счёт снижения удельных затрат природного газа на обжиг окатышей при сохраненш регламентного качества продукции.
Методы исследования. В работе использованы методы системного анализа координации систем, нелинейного программирования, математического моделирования, методы современной теории автоматического управления.
Методологическую и теоретическую основу диссертационной работы составил! научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теории газодинамики і теплообмена зернистого слоя, теории автоматического управления, математического программирования, оптимального управления, моделирования динамически? процессов.
Положения, выносимые на защиту:
-
Статические математические модели зон обжиговой машины, входамг которых являются только контролируемые параметры технологического процесса.
-
Процедура статической оптимизации режима, которая позволяет осуществлять поиск температур, давлений теплоносителя и температур слоі окатышей в группах зон ОМ, при которых обеспечивается снижение удельного расхода природного газа.
-
Динамические математические модели на основе уравнений Т. Шумана описывающие изменение температуры теплоносителя и слоя окатышей в зона? обжиговой машины.
-
Наблюдатель, оценивающий координаты состояния объекта и не измеряемое значение возмущения - кажущуюся теплоемкость слоя. На основе наблюдателе построен регулятор состояния, стабилизирующий оптимальную температур} окатышей.
5. Структура программно-технического комплекса, обеспечивающего
реализацию разработанных методов и алгоритмов в составе АСУ ТП обжиговоі
машины.
Достоверность научных результатов диссертационного исследование подтверждается использованием научно обоснованных методов математического моделирования процесса газодинамики и теплообмена в плотном слое, нелинейного программирования, классической и современной теории автоматического управления сравнением практических данных с результатами математического моделирования обсуждением полученных в работе результатов на международных, всероссийских і региональных конференциях; публикациями основных результатов исследования і изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Реализация и внедрение результатов работы.
Основные теоретические и практические результаты, полученные при разработке автоматизированной системы управления процессом обжига окатышей в обжиговоі конвейерной машине, рекомендованы для внедрения на Лебединском ГОКе.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Старооскольского технологического института (филиала) ФГАОУ ВПС «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (СТЇ НИТУ МИСиС) в дисциплинах «Моделирование систем управления», «Автоматизащи технологических процессов и производств».
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались т следующих конференциях:
Региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов і соискателей (г. Старый Оскол, 2009 г.); Международной научно-практическоі конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука производство и управление» (г. Старый Оскол, 2009 г.); Региональной научно технической конференции ОАО «ОЭМК» (г. Старый Оскол, 2010 г.); Всероссийскоі конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании управлении, производстве НТ-2010» (г. Воронеж , 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г Липецк, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «АПИР-15» (г Тула, 2010 г.); Научно-технической конференции информационные технологии і металлургии и машиностроении (г. Днепропетровск, 2013 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научны? работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ: в периодическом издании «Вестник Воронежского государственного технического университета» (г Воронеж, 2010 г., Т.6. №5.); в периодическом издании «Горный информационно аналитический бюллетень (научно-технический журнал) - ГИАБ» (г. Москва, 2011 г. №8.); в периодическом электронном издании «Инженерный вестник Дона» (г. Ростов на-Дону, 2013 г., №3.).
Вклад автора диссертации в работы, выполненные в соавторстве, состоит і постановке задач, разработке теоретических положений, а также в непосредственном участии во всех этапах исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и L приложений. Основная часть работы изложена на 186 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 18 таблиц.
Температурный режим обжига окатышей в технологических зонах
Первой технологической зоной обжиговой машины является зона сушки. Она предназначена для удаления влаги из сырых окатышей и подготовки их к высокотемпературному нагреву. Зона разделена на две подзоны: сушка I и сушка П. Подзона I разделена на две части 1а и lb. Сушка окатышей производится комбинированным способом. Часть 1а подзоны сушка I работает при подаче теплоносителя снизу вверх, вторая часть lb и подзона II — при подаче теплоносителя сверху вниз. Подача теплоносителя снизу вверх предохраняет нижнюю часть слоя сырых окатышей от переувлажнения, деформации и разрушения, улучшает газопроницаемость слоя и позволяет в последующих зонах машины интенсифицировать тепловую обработку окатышей. Теплоносителем зоны сушки 1а служат газы, отобранные из зоны обжига, а теплоноситель зоны сушки lb и ТІ — прямой переток из зоны охлаждения I.
Второй технологической зоной на обжиговой машине является зона подогрева. Теплоноситель в зону подаётся сверху через переточный коллектор прямым перетоком из зоны охлаждения. В зоне идут процессы окисления магнетита, удаление остаточной влаги из средних и нижних слоев окатышей, разложение карбонатов и гидратов концентрата и бентонита.
Следующей технологической зоной является зона обжига. Обжиг идет прососом теплоносителя сверху вниз. Теплоноситель поступает в зону с температурой около 900 С из зоны охлаждения I. Для реализации процессов разложения гидратов, карбонатов и высокотемпературного упрочнения окатышей указанной температуры недостаточно. Поэтому в зоне обжига теплоноситель дополнительно нагревают теплом от сжигания природного газа в горелочных устройствах. Горелки расположены симметрично с двух сторон горна ОМ по всей длине зоны обжига. Для нагрева теплоносителя до температуры обжига сжигается большое количество природного газа. Затраты на природный газ значительно влияют на последующую себестоимость выпускаемых окатышей. После зоны обжига паллеты с движущимися на них окатышами попадают в зону рекуперации. Эта зона предназначена для выравнивания температуры окатышей по высоте слоя. Воздух в нее подается сверху вниз.
После рекуперации окатыши проходят зону охлаждения. Она, подобно зоне сушки, разбита на 2 подзоны: охлаждение I и охлаждение II. Окатыши в ней охлаждаются атмосферным воздухом. Подача воздуха в слой реверсивная. В зону охлаждения I воздух подается с температурой 180-200 С из зоны охлаждения П. В зоне охлаждения II, охлаждение слоя осуществляется путем забора атмосферного воздуха.
Горячий воздух из зоны охлаждения I поступает в коллектор прямого перетока. Часть воздуха, прошедшая через первичную газоочистку, состоящую из 6 циклонов, дымососом направляется на горелки и на поддержание необходимой температуры в горне зоны сушки П. Избыток через вторую ступень внешней газоочистки (скруббер Вентури) выбрасывается в дымовую трубу. Теплоноситель для зоны сушки 1а отбирается из вакуум-камер зоны обжига и рекуперации 15-21, очищается от пыли в циклонах (6 штук), затем двумя последовательно подключенными дымососами подаётся в зону. Температура газов, поступающих на дымососы, не должна превышать 400 С. Заданная температура поддерживается путем подсоса сжатого воздуха на циклонах через клапан. Из колпака зоны сушки 1а воздух вытягивается дымососом, очищается в циклонах наружной газоочистки и выбрасывается в дымовую трубу.
Разгрузка обожжённого, охлаждённого продукта производится в бункер-выравниватель температуры ёмкостью 220 м , куда подаётся атмосферный воздух, происходит доохлаждение и выравнивание температуры окатышей.
Доохлаждение окатышей в бункере-выравнивателе температуры производится атмосферным воздухом, который подаётся от вентилятора. Отсос воздуха из бункера осуществляется вентилятором и после мокрой газоочистки выбрасывается в дымовую трубу. В схеме газовоздушных потоков установлены клапаны: - для подачи теплоносителя в колпак зоны сушки 1а из тракта Д-3; - для подачи первичного воздуха в зону сушки lb; - сбросной клапан из тракта Д-3 в тракт Д-4; - для подачи воздуха из тракта Д-3 в зону сушки lb; - для подачи воздуха в форкамеры горелок; - для подачи первичного воздуха в зону сушки II; - подсос холодного воздуха на циклонах Д-3; - подсос холодного воздуха на циклонах Д-2; - для подсоса атмосферного воздуха в тракт Д-2. Кроме клапанов вакуум-камеры 11-21 оборудованы дроссельными заслонками. Основные характеристики ОМ различных производителей схожи. На предприятиях металлургической отрасли, таких как ОАО ОЭМК и ЛГОК используются машины отечественных и зарубежных производителей, их характеристики приведены в таблицах 1.1, 1.2.
Критерии оптимальности, входные и выходные параметры, ограничения и математические модели зон ОМ
Вопросам эффективной эксплуатации обжиговых машин посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных авторов. Понятие эффективности термообработки окатышей в ОМ связано с необходимостью количественной оценки. Для этого зачастую используют различные критерии оптимальности в зависимости от направления оптимизации [35 - 42]: - эффективность теплотехнической схемы ОМ; - стабилизация свойств сырья, поступающего в ОМ; - оптимальное управление режимом термообработки. Рассмотрим данные теплового баланса слоя окатышей обжиговой машины (табл. 2.1) и определим основные статьи затрат на выпуск гранул.
Большая часть тепла производится сжиганием топлива, в качестве которого в ОМ служит природный газ. Учитывая, что стоимость газа год от года возрастает, необходимость экономии топлива на обжиг окатышей не вызывает сомнения. Таблица 2.1 Тепловой баланс слоя окатышей в обжиговой печи Приход % Расход % 1. Химическая энергия горения топлива 69,8 1. Физическая теплота уходящего дыма 38,3 2. Химическая энергия окисления магнетита 19,8 2. Потери теплоты в окружающую среду 16,8 3. Физическая теплота металла ленты 5,8 3. Физическая теплотаметаллаленты 16,5 4. Физическая теплота воздуха, поступающего в зону охлаждения 3,5 4. Теплота испарения влаги 11,7 5. Физическая теплота сырых окатышей 0,8 5. Физическая теплота обожженных окатышей 8,2 6. Физическая теплота донной и бортовой "постели" 0,3 6. Химическая энергия на диссоциацию известняка 4,9 3,6 7. Физическая теплота донной и бортовой "постели" Итого 100 Итого 100
В стоимости обжига гранул помимо использованного природного газа учитывается цена электроэнергии. Из [43] известно, что стоимость электроэнергии примерно равна стоимости газа, затраченного на производство обожженных окатышей.
В качестве критерия эффективности работы всей обжиговой машины, можно использовать удельный расход природного газа т.е. отношение расхода природного газа Gnr к потоку окатышей G0KBx, входящих в ОМ за время Т. і \G„, U)dt F = J , (2.1) JGOKm {!)dl a Из выражения (2.1) следует, что минимальное значение критерия F при заданном расходе окатышей в машину возможно при минимальном расходе газа. Общий критерий эффективности зависит от работы каждой отдельной зоны ОМ. При необходимости режим работы отдельной зоны можно корректировать в пределах регламента, обеспечивая снижение общих затрат природного газа на обработку одного и того же количества сырья в ОМ.
Рассмотрим подробнее зависимость зон друг от друга по технологическим характеристикам слоя и теплоносителя, определим входные и выходные параметры для каждой из них.
Схема процесса производства окатышей, где основным агрегатом является ОМ, приведена на рисунке 2.1. на дымовую у Рис. 2.1 Схема производства окатышей I, II - зоны сушки; III - зона подогрева; IV - зона обжига; V - зона рекуперации; VI, VII - зоны охлаждения; 1 - шихтовые бункера; 2 - сборный транспортёр; 3 - смесительный барабан; 4 - тарельчатый гранулятор; 5 - загрузочная часть обжиговой машины; 6 разгрузочная часть машины; 7 - горелки Окатыши в ОМ движутся на обжиговых тележках (паллетах), последовательно проходя следующие зоны: сушки, подогрева, обжига, рекуперации и охлаждения.
Атмосферный воздух подается в зону охлаждения VII. Проходя через слой окатышей, он нагревается и подается в золу охлаждения VI. Подоіретьій до 900 С воздух по переточному коллектору переходит в зоны рекуперации, обжига, подогрева и сушки II. В зоне обжига горелочными устройствами воздух нагревается до температуры 1300 С и, проходя через слой, доводит окатыши до температуры обжига. В зоне подогрева воздух из зоны охлаждения VI удаляет остаточную влагу из окатышей и проводит высокотемпературный нагрев гранул. В зоне сушки II воздух, подаваемый из охлаждения VI, входит в слой с температурой 540 С. Дымовой газ, получаемый в результате сжигания природного в зоне обжига, подается в зону сушки I, которая разделена на две секции 1а и lb. В них газ поступает в слой продувом снизу и прососом сверху соответственно.
Входы и выходы секций и зон связаны уравнениями газодинамики, теплообмена и массообмена. Входные характеристики окатышей каждой последующей секции или зоны ОМ являются выходными предыдущей. Начиная с зоны обжига, влажность окатышей на входе и выходе принимается равной 0. В зоне обжига дополнительно учитывается тепло от сжигания природного газа и экзотермических реакций в окатышах.
При ведении процесса термообработки на входные и выходные параметры зон накладываются ограничения, необходимые для достижения регламентного качества гранул на выходе ОМ и номинального режима эксплуатации машины.
Основные выходные параметры: - среднемассовая температура слоя окатышей на выходе из секции; - среднемассовая влажность слоя на выходе из секции. невозможно измерить непосредственно первичными преобразователями. Для их нахождения можно использовать методы математического моделирования, которые дают косвенную оценку на основании измеренных параметров технологического процесса [44 - 55].
В зонах сушки и подогрева в качестве теплоносителя используется вторичное тепло воздуха, поступающего из зон охлаждения и обжига. Чем выше температура окатышей на выходе каждой из этих зон (и, соответственно, ниже влажность), тем меньше природного газа потребуется в зоне обжига на разогрев окатышей. Поэтому для зон сушки и подофева в качестве локальных критериев эффективности, подлежащих максимизации, будем рассматривать среднюю температуру слоя окатышей на выходе &ОК.ВЫХ Рассмотрим подробно схему зон сушки и подогрева, приведенную на рисунке 2.2 и состоящую из трех секций: секция 1а, секция lb, секция II зоны сушки и зоны подогрева.
Порядок разработки моделей
В общем виде данная задача оптимизации рассмотрена при группировании зон в третью группу. В том же пункте приведены и общие ограничения, накладываемые на параметры процесса в зоне обжига. Поскольку мы разделили зону на части, то введем дополнительное ограничение для каждого участка: - температура слоя ок вых на выходе из каждой секции должна быть равна величине, заданной координатором; точность достижения заданного значения температуры. Целевые функции в секциях вычисляют среднее значение выходных температур слоя. Находить решение в каждой из задач, учитывая наличие всего одной управлянощей переменной, можно уже рассмотренным методом полного перебора.
Для решения задачи второго уровня ( можно использовать следующие принципы теории иерархических многоуровневых систем [67]: - прогнозирования взаимодействий; - согласования взаимодействий. К преимуществу принципа прогнозирования взаимодействий относится возможность использовать для управления переменные на промежуточных итерациях.
Прогнозные значения температуры слоя на выходе каждой из секций зоны обжига будут определяться по математической модели на основе измеренных данных о параметрах процесса и рассчитанной температуры слоя на выходе предыдущей секции. Расчетная температура окатышей на выходе 18-ой секции - это расчетная температура слоя Єок ВШ1 на выходе из зоны обжига. Разница &0ОК вых между расчетной выходной температурой слоя окатышей и заданием вычисляется по формуле:
Для достижения минимума по расходу природного газа с учетом ограничения на &ок вых используем координацию путем изменения целей управляющих систем fj 7. Определим функцию модификации целей для подсистем нижнего уровня с учетом следующих особенностей: - точка контроля температуры обжига слоя находи гея в конце последовательно соединенных участков зон; - эффективность регулирования температуры слоя определяется режимом работы горелочных устройств всей зоны; - большую инерционность тепловых процессов, протекающих в ОМ. На практике для определения температуры слоя окатышей широко пользуются графиком (рис. 2.11), который позволяет определить безразмерную температуру слоя в любой момент времени и на любой высоте. График температуры слоя в безразмерных величинах получен на основе решения, предложенного Шуманом [68].
Безразмерная температура материала слоя в зависимости от Q,Y,Z Учитывая экспоненциальный характер кривых на графике, динамику нагрева слоя окатышей потоками газа в зоне обжига можно описать следующим уравнением: выходе и входе зоны обжига; Ті и Т2 - постоянные времени переходного процесса, определяемые из условия достижения окатышами регламентной температуры за время движения в зоне обжига; t - время переходного процесса. Добавим начальные условия. + ок.пых зк ок.пх " где К - коэффициент передачи, равный разности между температурами окатышей на
Подставляя в уравнение вместо t время, в зависимости от скорости движения обжиговых тележек, получим значения температур слоя на выходе каждой секции зоны обжига. Достижение слоем окатышей вычисленных значений температур в конце каждой секции позволит окатышам к концу зоны обжига выйти на величину задания.
В случае, когда скорость изменения температуры слоя над одной из секций (скорее всего первой) достигнет предела в 130 С/мин, увеличение температуры дымовых газов над этой зоной горелочными устройствами прекращается. Далее работа продолжается только с оставшимися парами горелочных устройств.
Найти оптимальные параметры в зоне обжига не удастся, когда для обеспечения сходимости процедуры потребуется выйти за пределы ограничений по скорости нагрева слоя гранул. Такая ситуация может случиться при грубых нарушениях режима термической обработки окатышей в предыдущих зонах.
Алгоритм оптимизации параметров обжига окатышей в ОМ приведен на рисунке 2.12. В самом начале производится ввод параметров слоя окатышей. Далее вводятся параметры теплоносителя из групп зон ОМ. По измеренным данным наблюдатель состояния производит оценку неизмеряемой постоянной эквивалентной составляющей возмущения. По результатам анализа измеренных и оцененных данных принимается решение о дальнейших действиях. Если один из параметров слоя (GBX; uBX; dBX; Свх) изменился более чем на величину Д, от значения использовавшегося при предыдущей оптимизации, производится статическая оптимизация режима обжига слоя по группам зон ОМ. При отсутствии существенных изменений в параметрах слоя текущий режим обжига сохраняется. Для запуска процедуры оптимизации режима начальные значения переменных в составе векторов управляющих воздействий принимаются равными значениям, найденным для действующего режима. Применяемые процедуры поиска и ограничения рассмотрены выше. Поиск оптимальных параметров производится последовательно, начиная с первой группы зон. Результатом работы алгоритма являются оптимальные параметры обжига для зон ОМ. После изменения параметров сырых окатышей на входе ОМ, процедура оптимизации повторяется. Использование найденных оптимальных параметров обжига слоя в группе зон начинается, когда слой с соответствующими параметрами входит в данную группу зон.
Выбор технических устройств для реализации разрабатываемой системы управления обжигом в ОМ
В данной главе диссертационной работы рассмотрены вопросы аппаратной и программной реализации системы управления обжигом окатышей на конвейерной обжиговой машине и ее интеграции в действующую АСУ ТП ФОК ЛГОКа [103 - 112]. Система контроля и управления, обеспечивающая возможность ведения технологического процесса обжига в оптимальном по удельным затратам природного газа режиме тепловой обработки с соблюдением всех необходимых ограничений, должна включать следующие подсистемы: - подсистема оптимизации режима обжига в ОМ; - подсистема стабилизации оптимального режима обжига. Учитывая, что разработанная система управления внедряется на уже действующем объекте, необходимо максимально использовать ранее установленные технические средства АСУ ТП ФОК предприятия, не изменяя существующую технологическую схему и состав технологического оборудования.
Для целей инженерной реализации и интеграции подсистем оптимизации режима, стабилизации оптимального режима обжига окатышей в существующую АСУ ТП ОМ, необходимо произвести: - модернизацию структурной и функциональной схем управления технологическим процессом обжига окатышей в ОМ ФОК ЛГОКа; - программную реализацию логико-математического аппарата, использованного в рамках разработанной системы управления; - выбор дополнительного технического обеспечения для реализации разработанной системы управления обжигом в ОМ.
Существующий комплекс технических средств АСУ ТП фабрики окомкования ЛГОКа реализован на базе продукции фирмы Siemens. Установленное оборудование позволяет в полной мере обеспечивать потребности ФОК по сбору и обработке информации, а также по контролю и управлению технологическим процессом. Использование унифицированных интерфейсов передачи данных и протоколов связи предоставляет широкие возможности для расширения системы. Возможно как объединение с остальными цеховыми системами автоматизации в единую АСУ предприятия, так и ввод новых устройств, увеличивающих возможности локальных системы. АСУ ТП обжиговой машины относится к классу распределенных систем управления и включает в себя: - уровень интерфейса пользователя; - уровень автоматического управления. На уровне автоматического управления реализуются следующие функции: - сбор первичной информации от датчиков измерения параметров технологического процесса; - обработка информации в соответствии с алгоритмами управления; - выдача управляющих воздействий исполнительным механизмам технологического оборудования. Для исполнения вышеперечисленных функций используется микроконтроллеры Simatic S7-416, которые взаимодействуют с модулями децентрализованной периферии посредством протокола передачи данных Profibus DP. К периферийным модулям подключены датчики и исполнительные механизмы. Связь с уровнем интерфейса производится посредством локальной сети Industrial Ethernet.
Для программной реализации алгоритмов управления в микроконтроллере используется пакет программирования контроллеров STEP 7 v5.1, входящий в пакет разработки программного обеспечения 142 системы автоматизации SIMATIC PCS7 v 5.2 SP3 (SIMATIC Process Control System 7). На уровне интерфейса пользователя реализуются следующие функции: - визуализация технологического процесса в реальном масштабе времени и реализация интерфейса взаимодействия с оперетором; управление оборудованием (дистанционный запуск/останов механизмов, управление контурами регулирования); хранение и отображение архивных данных о состоянии оборудования; обработка информации в соответствии с разработанными алгоритмами. Функции уровня интерфейса реализуются в операторских станциях. Для управления процессом обжига в ОМ ФОК ЛГОКа используется система управления и наблюдения класса SCADA WinCC (Windows Control Center), разработанная специалистами фирмы SIEMENS. Данная система визуализации и управления обеспечивает технологическому персоналу фабрики окомкования доступ к всевозможным данным, поступающим в систему контроля, а также управление исполнительными механизмами с пульта оператора. WinCC принадлежит к трем самым успешным в мире системам SCADA и входит в пакет разработки программного обеспечения системы автоматизации SIMATIC PCS7 v 5.2 SP3 .
Информационное обеспечение разрабатывается на базе SCADA систем (WinCC) V5.1. На рисунке 4.1 представлена система визуализации обжиговой машины ФОК ЛГОКа, выполненная в среде WinCC.
При подводе курсора «мышки» к интересующей позиции появляется всплывающая подсказка. Оператор может вызвать и просмотреть экранные панели соответствующих параметров или контуров регулирования, изменить значения уставок, проанализировать работу механизмов.
