Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Технологические процессы в металлургии и проблемы их автоматизации 1 . 6
1.1 Системный анализ технологического процесса металлургического производства как объекта управления и контроля 1. 6
1.2 Конвейерный транспорт в металлургии и основные направления в разработке конвейерных весов 2. 4
1.3 Состояние и проблемы автоматизации взвешивания и дозирования в технологических процессах металлургии 2. 9
1.4 Автоматические системы управления на основе газового анализа в технологических процессах металлургии 3. 3
1.5 Измерительные системы газового анализа в металлурги 3..5.
1.6 Модели металлургических процессов и систем 40
1.7 Постановка цели и задач исследования 4. 6
Раздел 2. Модели, алгоритмы и проектирование измерительных систем 48
2.1 Информационно-измерительные системы 4. 8
2.2 Математические модели и алгоритмы измерения 5. 2
2.3 Термодинамические модели информационно-измерительных систем 6. 0
2.4 Перспективы проектирования и создания отечественных ИИС ..8
Выводы к разделу 2 7. 5
Раздел 3. Весоизмерительные и дозирующие комплексы для металлургии черных и цветных металлов 77
3.1 Двухканальный электротензорезисторный весовой комплекс 7. 7
3.2 Конвейерный комплекс, обладающий устойчивостью к динамическим воздействиям и ударным нагрузкам 82
3.3 Программно-аппаратурное обеспечение весовых комплексов 8. 8
3.4 Модели динамического взвешивания на конвейерных весах 9. 3
Выводы к разделу 3 1..00
Раздел 4. Измерительные системы для люминесцентного и спектрального газового анализа 102
4.1 Информационно-измерительная система для люминесцентного газового анализа 1..03
4.2 Алгоритм расчета концентрации молекулярного кислорода в атмосфере из кинетики замедленной фосфоресценции 1..08
4.3 Термодинамический подход к люминесцентному газовому анализу кислорода 1..13
4.4 Информационно-измерительная система для спектрального газового анализа 1..18
Выводы к разделу 4 1..27
Раздел 5. Технологическая наследственность и врожденная способность информационно измерительных систем 128
5.1 Понятие о технологической наследственности 128
5.2 Наследственность и эффект последействия 1..29
5.3 Модель врожденной способности информационно-измерительных систем 1..32
5.4 Закон Мура 1..33
5.5 Жизненный цикл и живучесть информационно-измерительных систем 1..3..4
5.6 Прогнозные ресурсы информационно-измерительных систем 1..36
5.7 Информационно-измерительные системы и общая теория систем 139
Выводы к разделу 5 1..40
Заключение 142
Список использованных источников
- Конвейерный транспорт в металлургии и основные направления в разработке конвейерных весов
- Перспективы проектирования и создания отечественных ИИС
- Программно-аппаратурное обеспечение весовых комплексов
- Термодинамический подход к люминесцентному газовому анализу кислорода
Введение к работе
Актуальность работы: Непрерывность технологических процессов черной металлургии создает весьма благоприятные условия для комплексной автоматизации. Основными предпосылками для полной автоматизации участков и цехов является повышение уровня механизации, применение дистанционного управления механизмами, высокий уровень оснащения агрегатов контрольно-измерительными приборами.
Автоматизация контроля управления является одним из способов повышения производительности агрегатов и улучшения качества продукции. В свою очередь автоматизация влияет на технологию процесса, развитие более полной механизации, усовершенствование оборудования.
В настоящее время разработкой, исследованием и применением систем измерения веса материала и его дозированием занимается много проектных, конструкторских организаций и промышленных предприятий. Однако необходимые для этого теория и методы инженерных расчетов недостаточно разработаны, а разрозненность информации затрудняет выбор оптимальных решений.
Развитие современной технологии металлургических предприятий требуют создания новых типов универсальных и специальных анализаторов для оперативного контроля микропримесей в чистых газах.
К таким анализаторам предъявляются требования, которым не удовлетворяют масс-спектрометрические и газохроматографические средства измерений. Это - обеспечение высокой чувствительности, селективности, быстродействия, малой погрешности при одновременном выполнении требований по простоте конструкции, технологичности, малой потребляемой мощности и низкой стоимости. Существенны также требования, связанные с обеспечением возможности работы приборов в составе информационно-измерительных, информационно-управляющих и информационно-вычислительных комплексов для автоматизации технологических процессов с проведением одновременных измерений во многих точках объекта.
Цель работы - разработка моделей, алгоритмов, промышленных прототипов весоизмерительных и дозирующих комплексов, измерительных систем газового анализа для металлургии черных и цветных металлов
По обобщающим выводам анализа состояния техники, для решения сформулированной актуальной проблемы в диссертационной работе необходимо исследовать и решить следующие актуальные задачи:
разработка моделей, алгоритмов, а также нового поколения конвейерных весов на современной конструкторской и элементной базе, обеспечивающих класс точности 1-0,5;
использование современных методов обработки и анализа информации, а также разработка нового программного обеспечения микропроцессорных модулей управления и верхнего уровня, способного мгновенно анализировать состояние объекта и своевременно и точно управлять исполнительными механизмами дозирующих устройств;
разработка весоизмерительных систем для конвейеров, имеющих короткую длину и работающих в условиях больших динамических нагрузок и ударных воздействий, а также разработка их программного обеспечения;
разработка моделей и алгоритмов, а также исследование излучений микропримесей кислорода в аргоне, криптоне и ксеноне в условиях тлеющего разряда и при фотолюминесценции, а также разработка на основе полученных результатов методов анализа, экспериментальных установок и промышленных приборов для их обнаружения;
разработка моделей и алгоритмов функционирования измерительных систем с использованием метода аналогий, неравновесной термодинамики, оценка на основе этих моделей экономической эффективности и целесообразности их проектирования, наследственности, жизненного цикла, живучести и ресурсов.
Научная новизна:
впервые разработаны модели и алгоритмы функционирования измерительных систем с использованием метода аналогий, неравновесной термодинамики, проведена оценка на основе этих моделей экономической эффективности и целесообразности их проектирования, наследственности, жизненного цикла, живучести и ресурсов;
впервые предложены модель и алгоритм динамического взвешивания на конвейерных весах, связывающие параметры измерительного устройства с параметрами взвешиваемого материала и окружающей среды;
предложена модель излучения микропримесей кислорода в аргоне, криптоне и ксеноне в условиях тлеющего разряда и при фотолюминесценции, а также разработаны на основе полученных результатов методы анализа, экспериментальные установки и промышленные приборы для их обнаружения.
Практическая значимость работы:
1. Создано новое поколение конвейерных весов на современной конструкторской и элементной базе, обеспечивающих класс точности 1-0,5, использованы современные методы обработки и анализа информации, а также разработано новое программное обеспечение микропроцессорных модулей управления и верхнего уровня, способного мгновенно анализировать состояние объекта и своевременно и точно управлять исполнительными механизмами исполнительных устройств.
Разработанный автоматизированный весовой комплекс тензорезистор-ный внедрен на металлургическом комбинате АО «АрселорМиттал Темир-тау», АО «ТНК Казхром» АО «Жайремский ГОК» о чем свидетельствуют акты внедрения оборудования.
Кроме того, автоматизированные весовые комплексы, используются на Донском ГОКе, на рудниках «ТУР» и «Восточный Камыс» рудоуправления Казмарганец, ТОО «Сары-Арка СпеКокс» на базе АО «Шубарколь Комир».
Также разработана весоизмерительная система для конвейеров, имеющих короткую длину и работающих в условиях больших динамических на-
грузок и ударных воздействий, а также разработано их программное обеспечение.
2. Разработан комплекс средств измерений микропримесей ксенона (Xe), азота (N2), кислорода (О2), метана (СН4), диоксида углерода (СО2) в криптоне (Кг) и измерений микропримесей Кг, N2, О2, СН4, СО2 в ксеноне может быть использован в металлургической, химической и других отраслях промышленности.
Разработанный анализатор и автоматическая система на его основе используется в цехах по производству кислорода, в сварочных цехах, в плавильном процессе по продувке жидкой стали на предприятиях: ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск; ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат», г. Новокузнецк; АО «АрселорМиттал Темиртау», г. Темиртау; при контроле чистоты газа при производстве поверочных газовых смесей в ООО «ПГС-сервис» г. Заречный.
Анализатор и система внедрены на ТОО «Оркен» ЛФ АО «Арселор-Миттал Темиртау» г. Лисаковск, о чем свидетельствует акт внедрения.
Результаты диссертационной работы используются в ТОО «Оркен» ЛФ АО «АрселорМиттал Темиртау» г. Лисаковск, АО «Жайремский ГОК» г. Жайрем, ТОО «InsatGroup» г. Караганда для разработки и реализации проектов в области перспективных систем автоматизации металлургических процессов, о чем свидетельствуют акты об использовании результатов диссертационной работы.
На защиту выносятся следующие основные положения: Я утверждаю что:
-
Методологические основы использования методов неравновесной статистической термодинамики и метода аналогий позволяют осуществить проектирование, анализ параметров и функционирования измерительных систем.
-
Новые модели врожденной способности, жизненного цикла, живучести и прогнозных ресурсов измерительных систем позволяют с малыми затратами проектировать и разрабатывать новые измерительные системы различного функционального назначения.
-
Новые модель и алгоритм динамического взвешивания на конвейерных весах, а также новое поколение конвейерных весов на современной конструкторской и элементной базе дают возможность обеспечить класс точности 1-0,5 и интегрировать их в системы управления технологическими процессами.
-
Новая модель излучения микропримесей кислорода в аргоне, криптоне и ксеноне в условиях тлеющего разряда и при фотолюминесценции, а также методы анализа позволяют проектировать и разрабатывать экспериментальные установки и промышленные приборы для их обнаружения.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
В соответствии с формулой специальности 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» в диссертации содержатся теоретические и экспериментальные исследования в соответ-5
ствие с пунктом 1 и 2 паспорта, позволившие осуществить автоматизацию производства заготовок сырья для получения агломерационной шихты. В соответствие с пунктом 3 паспорта, в диссертации приведены теоретические исследования, позволившие разработать методологию, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами производства агломерационной шихты и получения высококачественных сталей методами продувки инертными и смешанными составами газов. В соответствие с пунктом 13 паспорта, разработаны принципиально новые теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести автоматических систем управления процессами в металлургии.
Личный вклад автора: разработка, проектирование и схемотехнические решения всех электронных и механических блоков созданных информационных систем, их программное и микропрограммное обеспечение, экспериментальная апробация работы блоков и узлов проведены автором лично. Разработка, проектирование, внедрение и сопровождение разработанных автоматических систем управления и контроля технологическими процессами подготовки агломерационной шихты и производства высококачественной стали методами смешанных продувок совместно со специалистами АО «Каз-черметавтоматика». Разработка термодинамических моделей информационных устройств проведена совместно с научным консультантом.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 49 статей и тезисов докладов, получен патент, издано 2 монографии.
Апробация результатов работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: Международная конференция посвященная 75 – летию академика НАН РК Абдильдина М.М. «Актуальные проблемы современной физики», Алматы (2013); X международная научная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наномате-риалов, Алматы (2013); 8-ая Международная научная конференция «Современные достижения физики и фундаментальное физическое образование », Казахстан, Алматы (2013); VII Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в металлургии», посвященная 50 – летию Карагандинского государственного индустриального университета, Те-миртау (2013); VII Международная научная конференция «Инновацио нное развитие и востребованность науки в современном Казахстане», г. Алматы (2013); Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки и образования», г. Тамбов (2014); Материалы научно-практической конференции магистрантов и студентов «Букетовские чтения – 2014», Караганда (2014); Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию Е.А.Букетова, Караганда (2015); Техника и технология машиностроения: материалы IV международной студенческой научно – практической конференции, Омск (2015).
Связь темы исследования с планами научных работ: данная работа выполнялась по научной программе: МОН РК 055 «Научная и/или научно-6
техническая деятельность», подпрограмма 101 «Грантовое финансирование научных исследований», контракт № 1932 и с использованием средств на выполнение инновационного гранта, часть средств которого выделило АО «Национальное агентство по технологическому развитию», договор № 207 от 25.11.2014 года.
Объём и структура диссертации: работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на ___ страницах, включая 48 рисунков, 11 таблиц, 195 литературных источника и двух Приложений.
Конвейерный транспорт в металлургии и основные направления в разработке конвейерных весов
Конвейерный транспорт. Основным видом транспорта современных металлургических промышленных предприятий и производств для перемещения больших объемов сырьевого и топливного материала все чаще становятся ленточные конвейеры [5-8]. Они применяются как на работающих предприятиях, так и внедряются при реконструкции и проектировки новых.
Развитие процесса непрерывного производства, таких как изготовление кокса, агломерата и их продуктов создают условия для широкого использования конвейеров в качестве транспорта внутри цехов. При перемещении больших объемов груза не небольшие расстояния конвейерам практически нет альтернативы, потому что они обладают рядом таких преимуществ как: относительная несложность монтажа и обслуживания, достаточная надежность при использовании, высокая производительность и т.д. Вместе с этим, использование конвейеров даёт возможность увеличить качество производства и степень её автоматизации, а также уменьшить на 9 – 14% занимаемые производством площади и модернизировать и сделать проще и удобней существующие транспортировочные пути производства, в том числе железнодорожные, что в свою очередь помогает увеличить степень безопасности. Применение на конвейерах лент, обладающих теплостойкостью ещё более расширяет возможности использования конвейерного транспорта для перемещения горячих материалов металлургических производств.
Конвейерные весы. Конвейерные весы предназначаются для перемещения по конвейеру материала и его дозировки [7,8]. Кроме своего прямого назначения конвейерные весы успешно справляются с полным контролем и автоматизацией технологического процесса, так как их установка помогает отслеживать общее время работы конвейера, точное время его включения и остановки, его производительности в разное время суток или в различные временные отрезки. Таким образом, конвейерные весы, помимо измерения веса без отрыва от производственного процесса, позволяют сделать проще контроль над ним.
Виды технологии промышленного взвешивания разнообразны. Не все пользователи интересуются весом как конечной величиной, которую необходимо контролировать или регистрировать. Из основных операций можно выделить:
С другой стороны огромно практическое назначение взвешивания. На производстве для соблюдения технологии металлургического процесса крайне важно контролировать вес всех компонентов, участвующих в изготовлении конечной продукции. При точном измерении веса компонентов появляется возможность их точного дозирования и учета, что позволяет повысить эффективность производства и увеличить доходные экономические показатели за счет повышения качества конечной продукции.
Конечную же продукцию важно отпускать по весу, для этого также важно измерение массы, это позволяет вести точные взаиморасчеты между отпускающей стороной и покупателем, на основе автоматических взвешивающих приборов работают автоматизированные модули технической, технологической и коммерческой регистрации конечной продукции.
Конвейерные весы ВЛ и ЛТМ. На современных производствах контроль массы сыпучих материалов осуществляется автоматическими весами, которые комплектуют ленточными транспортерами. В настоящее время выпускаются весы различных модификаций, например ВЛ, ЛТМ и др. Так, выпускаемые орехово-зуевским заводом «Прибордеталь» весы типа ЛТ и ЛТМ предназначены для непрерывного взвешивания сыпучих материалов, перемещаемых на стационарных ленточных транспортерах. Механизм весов автоматически производит умножение длины, проходящей через весы ленты, на массу перемещаемого материала и позволяет отсчитать мгновенную нагрузку и массу прошедшего за определенное время материала. Показания весов можно отсчитывать как на щите весов, так и на дистанционном пульте вторичных приборов, поставляемом заводом по требованию заказчика.
Эти весоизмерители имеют ряд существенных недостатков, присущих рычажно-механическим весовым системам. Они чувствительны к толчкам и перегрузке, загрязнению призм, подушек, реек, шестерен и других деталей, служащих для измерения и передачи перемещения рычажных систем к преобразователю. Это относится также и к весам с пружинным силоизмерительным механизмом.
Более совершенными следует считать весоизмерители, у которых весовая платформа или роликоопора неподвижно закреплена, а вес воспринимается жестким датчиком веса. Интегральные тензорезисторные конвейерные весы непрерывного действия с электротензометрическими силоизмерителями производят в настоящее время в Российской Федерации (ООО «УралТочПрибор», г. Екатеринбург и НПО «Метра», г. Обнинск), на Украине, в Республике Казахстан.
Весы конвейерные автоматические М0600-К6. Устройство весов: рама грузоприемного устройства конвейерных весов подвешена с помощью соединительных узлов на четырех тензорезисторных датчиках. Тензорезисторные датчики закрепляются на поперечных балках, встраиваемых в конвейер. Подвеска позволяет использовать весы на конвейерах с углом наклона до 20 градусов. Кабели от тензодатчиков поступают в суммирующую коробку, из которой выходит 6-проводный провод для подключения к тензоизмерителю. Датчик скорости преобразует перемещение ленты в импульсный сигнал, передаваемый по четырех проводному кабелю в тензоизмеритель. Зону установки тензодатчиков, коробки и кабельной проводки закрывает защитный кожух. Роликовые опоры используются штатные, от конвейера.
«МЕТРА» выпускает конвейерные весы, рассчитанные на ширину конвейерной ленты от 500 мм до 2000 мм и наибольшую линейную плотность материала на ленте от 5 до 1000 кг/м. Весы встраиваются в существующие конвейеры различной конструкции. На грузоприёмное устройство устанавливаются две стандартные роликоопоры, используемые в данном конвейере. В конструкции весов применены 4 тензодатчика, расположенные по углам ГПУ в поворотных узлах встройки, что позволяет устанавливать весы на конвейерах с углом наклона от 0 градусов до 20 градусов без перекалибровки. Датчик скорости ленты крепится к стану конвейера в удобном для обслуживания месте (не обязательно под весами).
Измерительный участок транспортной ленты передаёт нагрузку на датчики через две роликоопоры, что позволяет достигнуть высокой точности взвешивания.
Использование модификации М0600-К6 позволяет создавать автономные системы, обладающие функциями дозатора и возможностью управлять исполнительными механизмами (отгрузка определенного количества материала, вкл/выкл конвейера, сигнализация и т.д.)
Конвейерные весы фирмы Milltroniсs. Универсальные конвейерные весы Milltronics (MUS) обеспечивают непрерывное взвешивание свободного потока минералов, песка и других сыпучих материалов при минимальных затратах. Они не имеют поперечной балки, и, благодаря этому, подходят для установки на конвейерах различной ширины со стандартными роликоопорами, при этом количество отложений материала на весах незначительно. Кроме того, в технологических процессах, где весы перемещаются с одного конвейера на другой, MUS обладают отличной эксплуатационной гибкостью.
Весы компании ТСК «Контек». Принцип работы конвейерных весов ТСК «Контек» основан на измерении выходного сигнала тензорезисторных датчиков PT/CAS, который пропорционален механическому усилию, приложенному на грузоприемное устройство (ГПУ) и датчика скорости. Сигнал с тензодатчика поступает через клеммную коробку "СAS" в весовой контроллер ТСК-010, где преобразуется в цифровую форму, осуществляется накопление, обработка результатов измерений и их отображение в единицах измерения веса на мониторе компьютера PC-Pentium. Грузоприемное устройство конвейерных весов устанавливается на стационарный ленточный конвейер с жесткой рамой. Программный пакет после обработки информации выдает на экран дисплея одно или два окна оператора от одних или двух конвейерных весов (возможность подключения двух весов к одному компьютеру).
Перспективы проектирования и создания отечественных ИИС
Измерительная информационная система в соответствии с ГОСТ 8.437-81 представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе для АСУ) в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации.
В зависимости от выполняемых функций информационные системы реализуются в виде измерительных систем, систем автоматического контроля, технической диагностики, распознавания (идентификации) образов. В системах технической диагностики, системах автоматического контроля и системах распознавания образов измерительная система входит как подсистема.
Каждому конкретному виду информационно-измерительных систем присущи многочисленные особенности, определяемые узким назначением систем и их технологически конструктивным исполнением. Ввиду многообразия видов информационных систем до настоящего времени не существует их общепринятой классификации.
В соответствии с целью настоящей работы, нет смысла останавливаться на всем многообразии информационных систем, а следует отметить лишь общие их характеристики.
В основе любой информационно-измерительной системы лежат процессы измерения и получаемая при этом информация. Этим вопросам требуется уделить большее внимание, введя в рассмотрение новые методы моделирования информационных систем на основе метода аналогий и неравновесной статистической термодинамики.
Общая характеристика. Известно, что развитые страны ежегодно теряют 10% своего национального дохода из-за низкого качества выпускаемой продукции. Во всем мире ежегодно увеличивается число крупных аварий и катастроф [69]. Все усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования методов, средств контроля и диагностики и, в частности, информационно-измерительных систем.
Контрольно-диагностические операции и соответствующие им информационно-измерительные системы следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора методов контроля и диагностики в большой степени зависит эффективность конечного результата - долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах.
Наиболее распространенной является классификация информационных систем по функциональному назначению [71]. По этому признаку различают информационные системы (голографические информационные системы, статистические измерительные системы); системы автоматического контроля; системы технической диагностики (системы для разбраковки механизмов, системы для аттестации механизмов, системы прогнозирования состояния механизма, системы для измерения скрытых параметров механизма без его разборки); системы распознавания образов.
По характеру взаимодействия системы с объектом исследования и обмена информацией между ними информационные системы могут быть разделены на активные и пассивные. Пассивные системы только воспринимают информацию от объекта, а активные, действуя на объект через устройство внешних воздействий, позволяют автоматически и наиболее полно за короткое время изучить его поведение. Такие структуры широко применяются при автоматизации научных исследований различных объектов и будут подробно рассмотрены далее.
При исследовании сложных объектов или выполнении многофакторных экспериментов применяются измерительные системы, сочетающие высокое быстродействие с точностью. Такие системы характеризуются большими потоками информации на их выходе.
Значительно повысить эффективность информационно-измерительных систем при недостаточной априорной информации об объекте исследования можно за счет сокращения избыточности информации, т. е. сокращения интенсивности потоков измерительной информации. Исключение избыточной информации, несущественной с точки зрения ее потребителя, позволяет уменьшить емкость устройств памяти, загрузку устройств обработки данных, а, следовательно, и время обработки информации, снижает требования к пропускной способности каналов связи.
Термодинамические аспекты приведенных выше характеристик информационных систем рассматриваются далее. Здесь же нужно отметить еще несколько моментов.
При проектировании и создании информационных систем большое внимание уделяется проблеме повышения достоверности выходной информации и снижения вероятностей возникновения (или даже исключения) нежелательных ситуаций. Этого можно достичь, если на информационную систему возложить функции самоконтроля, в результате чего она способна осуществлять тестовые проверки работоспособности средств системы и тем самым сохранять метрологические характеристики тракта прохождения входных сигналов, проверять достоверность результатов обработки информации, получаемой посредством измерительных преобразований, и ее представления.
Все более широкое развитие получают системы, предусматривающие автоматическую коррекцию своих характеристик - самонастраивающиеся (самокорректирующиеся) системы.
Введение в такие системы свойств автоматического использования результатов самоконтроля - активного изучения состояния информационных систем - и приспособляемости к изменению характеристик измеряемых сигналов или к изменению условий эксплуатации делает возможным обеспечение заданных параметров системы [72-79].
Виды и структуры измерительных информационных систем. Назначение любой измерительной информационной системы, необходимые функциональные возможности, технические и другие характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого данная система создается.
Назначение измерительной информационной системы можно определить как целенаправленное оптимальное ведение измерительного процесса и как обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией.
Исходя из этого, основными функциями измерительной информационной системы являются: получение измерительной информации от исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или ЭВМ, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.
Измерительные информационные системы оптимизируют по многим частичным критериям, таким как точность, помехоустойчивость, надежность, пропускная способность, адаптивность, сложность, экономичность и др.
В зависимости от способа организации передачи информации между функциональными блоками (ФБ) различают цепочечную, радиальную и магистральную структуры, показанные на рисунке 2.1.
Состав и структура конкретной информационной измерительной системы определяется общими техническими требованиями, установленными ГОСТом, и частными требованиями, содержащимися в техническом задании на ее создание.
Измерительная информационная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств и т.д.; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими информационными системами и вычислительными комплексами, т.е. обладать свойствами технической, информационной и метрологической совместимости; допускать возможность дальнейшей модернизации, масштабируемости и развития и т.д.
Программно-аппаратурное обеспечение весовых комплексов
Основной деталью датчика является чувствительный элемент, представляющий собой монолитный магнитопровод из железохромоалюминиевого сплава. В теле магнитопровода просверливают отверстия, в которые укладывают одну первичную и две вторичные взаимно перпендикулярные обмотки, причем одна из них расположена соосно направлению действия механического усилия. Первичная обмотка размещена под углом 450 к каждой из вторичных обмоток. Первичную обмотку подключают к генератору синусоидального напряжения (5 В, 400 Гц), а с вторичных обмоток снимают напряжение, которое наводится вследствие появления анизотропии магнитных свойств в результате приложения усилия к магнитопроводу
При отсутствии магнитной и механической анизотропии силовые линии магнитного поля, созданного первичной обмоткой, не охватывают вторичные обмотки, и э.д.с. на выходе датчика равна нулю.
Когда на магнитопровод датчика воздействует сжимающее усилие, магнитная проницаемость в направлении, перпендикулярном действию этого усилия, увеличивается, силовые линии магнитного поля вытягиваются, появляется магнитная связь первичной обмотки с выходными обмотками датчика, в которых наводится э.д.с. Э.д.с. на выходе датчика будет возрастать по мере увеличения механического напряжения в магнитопроводе. Следует отметить, что магнитоанизотропные свойства материалов проявляются лишь до определенного предела механического напряжения, а затем наступает магнито-упругое насыщение материала.
Для защиты от механических повреждений и воздействия агрессивных сред чувствительный элемент устанавливают в корпусе и заливают эластичным компаундом. Кроме того, для исключения случаев перегрузки датчиков, а также для возможности регулирования (прокладками) в них начальных механических напряжений в пружины измерительного ролика рядом с датчиками устанавливают винтовые домкраты.
Установка весовой роликоопоры с двумя магнитоанизотропными датчиками, размещенными под обоими концами весового ролика, позволяет воспринимать усилие на весовую роликоопору одновременно двумя магнитоанизотропными датчиками согласно следующей зависимости: Pср x = 2(P1(x)+P2(x)), где Р1(х) - усилие, воспринимаемое первым датчиком; Р2(х) - усилие, воспринимаемое вторым датчиком. В качестве датчика скорости используется тахогенератор постоянного тока, исполнение которого соответствует условиям эксплуатации. Каждый из двух измерительных каналов позволяет замерять величину сигнала от каждого магнитоанизотропного датчика в отдельности. Двухканальное исполнение позволяет производить измерение и дозирование сыпучих материалов одновременно на двух ленточных конвейерах и использовать ИВК в системах весового дозирования двух компонентов.
Новизна технических решений разработанной автоматизированной системы управления технологическим процессом дозирования флюсовых материалов подтверждается получением инновационного патента на изобретение на конвейерные весы, являющиеся основным элементом разработанной и созданной системы.
Необходимо отметить, что двухканальный вариант удобен для многих видов производства. Так, например, на Жезказганском медеплавильном заводе подача флюсовых руд в конвертер производится двумя ленточными питателями. На этом же заводе на участке шихтоподготовки есть необходимость непрерывного дозирования в заданном соотношении руды и известняка.
Поэтому в программном обеспечении разрабатываемого комплекса предусмотрена возможность работы устройства обработки как в одноканальном режиме, так и в двухканальном. ена Параметры конвейеров, в которые встраиваются весы: а) ширина ленты, мм 500, 650, 800, 1000, 1200, 1400 б) угол наклона ленты конвейерных весов, град., не более 20 в) угол наклона боковых роликоопор, град., не более 30 г) весовые ролики должны быть удалены не менее чем на двукратное расстояние от: - соседних роликов; - устройств подачи и сброса материалов;- приспособления для натяжения ленты; - приспособления для очистки конвейерной ленты; - направляющего устройства конвейерной ленты; - устройства для удаления из взвешиваемого материала магнитных фракций. д) наибольшая линейная плотность материала, кг/м 500 е) наименьшая линейная плотность материала, кг/м 100 ж) скорость ленты конвейера, м/с, не более 3 Технические требования к устанавливаемым весам - пределы допускаемой погрешности в (пределах (20-100)% наибольшей линейной плотности) при нормальных условиях, % ±2,0 - цена деления суммирующего счетчика, т 0,1; 1 - средняя наработка на отказ, ч, не менее 20000 - полный средний срок службы, лет 10 Достоинством конвейерных весов является то, что при их монтаже не требуется замена технологического оборудования, они могут работать в тяжелых условиях эксплуатации, устойчивы к динамическим перегрузкам и могут применяться на конвейерных лентах с ограничениями по месту установки весоизмерительного устройства.
Автором совместно со специалистами АО "Казчерметавтоматика" проведены работы по внедрению измерительно-вычислительного комплекса для взвешивания и дозирования сыпучих материалов на ленточных конвейерах специального назначения на основе магнитоанизотропных датчиков в плавильном цехе Жезказганского медеплавильного завода ТОО «Корпорация Казахмыс».
В качестве флюсовых материалов используется золотосодержащая кварцевая руда, которая из цеха подготовки шихты системой ленточных конвейеров подается в бункера (два на каждом конвертере). Далее из бункеров через ленточные конвейера специального назначения в процессе плавки осуществляется дозировка и подача в конвертер флюсовых материалов. Производительность конвертера по черновой меди в значительной степени зависит от температурного режима плавки, который регулируется подачей холодных присадок в виде кварцевого флюса заданной массы. Процесс конвертирования медных штейнов проводится при температуре расплава не ниже (1250-1300) С, причем повышение температуры расплава регулируется увеличением подачи воздуха через фурмы в конвертер, снижение температуры регулируется подачей расчетной массы флюсовых холодных присадок.
Установлено, что при конвертировании медных штейнов, содержащих от 45 до 55% меди, сосредоточенная подача кварцевого флюса заданной массы через определенные интервалы времени существенно повышает производительность конвертера. Это условие обеспечивается при разработке и внедрении в плавильном цехе измерительно-вычислительного комплекса для взвешивания и дозирования сыпучих материалов на ленточных конвейерах специального назначения на основе магнитоанизотропных датчиков, который позволяет осуществлять дозирование и подачу заданной массы флюсовых холодных присадок в ванну конвертера. Оперативное управление дозированием флюсовых материалов по ходу плавки обеспечивает заданный температурный режим плавки и оптимальное протекание процессов шлакообразования, что позволяет увеличить выход годной черновой меди на 0,1%.
Термодинамический подход к люминесцентному газовому анализу кислорода
В практике мирового приборостроения, создания информационно-измерительных систем, машиностроения и других областях происходит постоянное ужесточение требований к качеству изделий, резко увеличиваются быстродействие, точность и другие показатели, которые, в конечном счете, определяют экономику соответствующих отраслей промышленности.
Качество изделий в общем виде представляет собой совокупность свойств и показателей, которые определяют пригодность для удовлетворения потребностей в соответствии с их назначением. Определяется качество очень большим числом факторов и на разных этапах развития приборостроения качественные показатели существенно различаются.
Погрешности при изготовлении датчиков, при сборке прибора, информационно-измерительных систем и т.д. возникают всегда. Изделий без отклонений от номинального значения показателя качества не бывает. Однако любое отклонение должно находиться в допустимых пределах – допусках. В технологии приборостроения важно не только определить количественно данное отклонение, но и установить, почему оно возникло, как это отклонение формировалось на протяжении всего технологического процесса. Информация об истории возникновения каждого отклонения важна потому, что с ее помощью можно влиять на величину отклонения и тем самым повысить показатели качества. Поэтому, например, в процессе создания информационных систем, начиная с выбора датчика, процессора и т.д., возникает необходимость рассмотрения производственного процесса создания информационных систем во времени. При этом появляется и понятие о технологической наследственности.
В настоящем разделе рассмотрим вопросы наследования, врожденной способности, жизненного цикла и ресурсов информационных систем с термодинамической точки зрения
Технологическим наследованием называют явление переноса свойств объектов от предшествующих технологических операций к последующим [146, 147]. Эти свойства могут быть как полезными, так и вредными. Сохранение же этих свойств у объектов называют технологической наследственностью. Такие термины являются достаточно емкими. С их помощью и соответствующих методик можно проследить за состоянием объекта производства в любой момент времени с учетом всех предшествующих технологических воздействий. В процессе передачи свойств важную роль играет так называемая наследственная информация. Она заключается в материале и структуре датчиков, используемых при построении информационных систем радиодеталей и т.д. Информация представляет собой большой перечень показателей качества.
Теория и методология технологической наследственности наиболее развита в машиностроении [148, 149].
В экономике употребляется термин «врожденная способность» экономической системы. Количественные изменения могут приводить к изменению одних качеств, в то время как другие могут оставаться неизменными. Качества претерпевают изменения не одновременно, причем одни чаще, другие реже, а третьи сохраняются на протяжении периода существования объекта. Последнее качество объекта определяется его врожденной способностью [150]. Сравнивая это определение с приведенным выше, видим, что они отражают суть одного и того же явления.
Изучение явлений технологической наследственности способствует повышению надежности работы реальных приборов и систем, так как позволяет установить причины явлений и условия регулирования параметров технологических процессов, в ходе которых формируются свойства этих приборов и систем.
Однако экспериментальное исследование всех стадий технологического процесса разработки и создания информационно-измерительных систем, как, впрочем, и любой детали в машиностроении и других областях, требует большого времени и затрат. В связи с этим стало развиваться компьютерное моделирование и проектирование [151, 152], которые также пока обладают высокой стоимостью. В настоящее время за рубежом, в частности в США, стоимость работ по автоматизации проектирования составляет более 1/3 стоимости разработки больших проектов [153], что свидетельствует о сложности и дороговизне автоматизированного проектирования. Поэтому разработка простых, но обладающих достаточной общностью аналитических моделей, надолго еще останется основой исследовательской деятельности. Тем более, что для компьютерного моделирования все равно необходима какая-либо математическая модель того или иного процесса [154].
Говоря о технологической наследственности в общем виде, необходимо отметить, что любой объект производственного процесса находится в многообразных связях и взаимодействиях с окружающими его объектами, участвует одновременно в нескольких формах движения. Поэтому всякое состояние объекта представляет собой совокупность условий, в которых это состояние формировалось.
В классических представлениях о природных процессах, их характеристиках, считается, что состояние процесса в данный момент времени не зависит от его состояния (от характеристик) в какие-либо другие моменты времени. Однако в конце XIX века было установлено, что среда, действовавшая на объект ранее, оставляет в нем соответствующий след. В.
Вольтерра сформулировал это как «эффект последействия», согласно которому состояние объекта определяется не только теми силами, которые действуют на него в данный момент времени, но и историей воздействия сил, имевших место в прошлом [155]. После этого, в прикладной математике широко распространилось использование уравнений с последействием, именуемых также функционально-дифференциальными уравнениями, дифференциально-разностными уравнениями, дифференциальными уравнениями с запаздывающим аргументом и т.д. [154-160]. Уравнениями такого вида моделируют различные процессы в технике, физике, медицине, экологии и т. д. В частности, уравнения с последействием встречаются в авиационно-космической отрасли. Они используются при моделировании численности популяций и населения нашей планеты.