Введение к работе
Актуальность темы. Среди приоритетных направлений развития экономики России в ХХI веке важное место отводится развитию современных конкурентоспособных предприятий цветной металлургии, позволяющих производить продукцию высокого качества с одновременным снижением затрат энергоресурсов.
К важной отрасли цветной металлургии относится производство электродной продукции, обеспечивающей целый ряд переделов в производстве алюминия, никеля, меди, вольфрама, цинка. Качество электродной продукции определяет важнейшие экономические показатели производства металлов, такие как: расход электроэнергии, расход электродов, удельная производительность печей.
Совершенствование процесса обжига, направленное на увеличение выпуска высококачественной продукции возможно на основе развития научных представлений о ходе процесса, разработке современных высокоэффективных автоматизированных систем управления и их реализации в производстве. Таким образом, разработка системы управления процессом обжига на основе моделирования показателей качества электродной продукции, обеспечивающей конкурентоспособность производства за счет повышения качества и снижения себестоимости, являются весьма актуальными научно-техническими проблемами.
Цель работы. Исследование и анализ процесса обжига электродной продукции в многокамерных печах закрытого типа и разработка системы управления процессом, обеспечивающих получение продукции заданного качества, при существующих возмущающих воздействиях; снижение себестоимости производства за счет повышения эффективности контроля и управления процессом обжига.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
- разработать и идентифицировать математическую модель пиролиза «летучих» для различных составов коксо-пековых композиций;
- установить математические зависимости температуры электродов от времени обжига и температуры газовой фазы под сводом камеры при переменном расходе топлива и разрежения;
- разработать математические модели, способные прогнозировать качество обжигаемой электродной продукции в on-line и определять график обжига, обеспечивающий получение продукции необходимого качества.
- определить качество управления обжигом человеком - оператором, ПИД – оптимальным регулятором и обученным прогнозирующим нейросетевым контроллером;
- синтезировать систему управления с импульсным сжиганием топлива, обеспечивающую реализацию технико – экономического критерия процесса обжига;
- апробировать и внедрить разработанные решения в практику работы обжиговых печей электродного производства.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались методы термогравиметрического анализа, промышленный активный и пассивный эксперимент, математическое, нейросетевое, имитационное моделирование, теория автоматического управления.
Объект исследования - обжиговая многокамерная печь закрытого типа.
Предмет исследования - процесс обжига электродной продукции и система управления технологическим режимом.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана математическая модель пиролиза электродной продукции. Установлены кинетические константы пиролиза «летучих» из заготовок, соответствующих промышленным рецептам коксо – пековых композиций;
Установлены математические зависимости температуры электродов от времени обжига и температуры газовой фазы под сводом камеры печи при переменном расходе топлива и разрежении;
Разработаны стохастические, детерминированные и нейросетевые модели формирования качества обжигаемой электродной продукции, включающие истинную плотность, удельное электросопротивление, механическую прочность, пористость. Определены условия применения разработанных моделей для целей исследования, прогнозирования качества электродной продукции и оперативного управления процессом обжига;
Применен метод и модели для определения не измеряемых оперативно показателей качества электродной продукции по измеряемым и управляющим параметрам на основе искусственных нейронных сетей
Синтезирована система управления по критерию минимума себестоимости обожженной электродной продукции заданного качества на основе имитационного моделирования и сопоставительного анализа качества управления температурным режимом обжига с применением параметрически оптимизируемого ПИД регулятора и нейросетевого прогнозирующего управления (NN Predictive Control)
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработана математическая нейросетевая модель для прогнозирования в on-line режиме основных показателей качества обжигаемой электродной продукции;
Разработано программное обеспечение для микроконтроллеров ASPCON, реализующих стратегию оптимального управления процессом обжига при импульсном сжигании топлива;
Материалы диссертационного исследования использованы НПК «ЮгЦветметавтоматика» при проектировании и синтезе АСУТП обжига электродной продукции в многокамерных кольцевых печах и внедрены в производство на нескольких печах ОАО «ЭПМ-НЭЗ», система управления процессом позволила снизить выход бракованной продукции на 2- 3% и сократить расход топлива до 14 %/т. обожженной продукции. Экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленности составил более 12 млн. рублей в год.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается корректностью математического аппарата, используемого в работе, и подтверждаются результатами имитационного моделирования, соответствием результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Личный вклад соискателя. Постановка задачи диссертационного исследования, экспериментальные исследования процесса обжига, основные положения, выносимые на защиту, новые модели качества электродной продукции, основные подходы к синтезу системы управления процессом обжига, разработка алгоритмов и программ управления камерой обжиговой печи, внедрение результатов работы в производство
Апробация работы. Положения диссертационного исследования доложены автором и обсуждены на: 6-й и 7-й Международных конференциях «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий», Владикавказ,(2007 и 2010 г.); 7-й Международной научно-технической конференции "Современная металлургия начала нового тысячелетия", г. Липецк, 2010 г.; 12-й Международной научно – технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века», Воронеж, 2011г; 5-й ежегодной Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий», Новосибирск, 2011г.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 19 трудах, в том числе, в изданиях входящих в перечень ВАК - 9 работ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 170 листах машинописного текста и включает 34 иллюстрации, 36 таблиц. Список литературы содержит 150 наименований. Одно приложение.
