Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 8
1.1. Обзор исследований в области электропотребления горнообогатительного производства 8
1.2. Анализ электропотребления на горно-обогатительных комбинатах. 13
1.2.1. Общие сведения электропотребления на горно-обогатительных комбинатах 13
1.2.2. Анализ электропотребления подразделениями ГОКа 17
1.3. Исследование технологических процессов фабрики обогащения 22
1.4. Анализ существующих систем управления энергоресурсами и технологическими процессами на горно-обогатительных предприятиях 28
Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ЗНАЧИМЫХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНОГО КОМБИНАТА 43
2.1. Выбор факторов, влияющих на технико-экономические показатели на обогатительной фабрике ГОКа ...43
2.2. Выделение значимых факторов, оказывающих существенное влияние на технико-экономические показатели обогатительной фабрики ГОКа 47
2.3. Анализ и статистическая оценка технологических параметров обогатительного производства 55
2.4. Законы распределения значимых технологических факторов обогатительного производства ГОКа 57
Выводы по главе 2 61
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА НОВОГО ПОДХОДА К ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ НА ГОРНО ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ КОМБИНАТАХ 62
3.1. Общая постановка задачи оптимизации электропотребления 62
3.1.1. Анализ современного состояния решения задач оптимизации
энергозатрат 65
3.2. Разработка математической модели зависимости показателей производства от технологических факторов обогащения 75
3.3. Разработка модели и алгоритма многокритериальной оптимизации режимов электропотребления 87
3.4. Алгоритм реализации нового подхода к оптимизации режимов электропотребления на ГОКах 95
Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ НОВОГО ПОДХОДА К ОПТИМАЛЬНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ 100
4.1. Разработка ШГП "ЭнерджиЛинк" 103
4.2. Описание прецедентов ППП "ЭнерджиЛинк" 115
4.3. Информационная система управления предприятием 116
Выводы по главе 4 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- Обзор исследований в области электропотребления горнообогатительного производства
- Выбор факторов, влияющих на технико-экономические показатели на обогатительной фабрике ГОКа
- Общая постановка задачи оптимизации электропотребления
- Разработка ШГП "ЭнерджиЛинк"
Введение к работе
Актуальность работы.
Горнорудные предприятия являются энергоемкими потребителями, при этом доля энергетической составляющей в себестоимости продукции колеблется от 12% до 30%. В связи с переходом на рыночные отношения и опережающим ростом стоимости энергоресурсов по сравнению с ростом цен на концентрат стратегической задачей предприятий горно-обогатительного комплекса стали реструктуризация и обновление производства, направленные на энергосбережение, внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий и оборудования. Изменение приоритетов в потреблении энергоресурсов и режимов работы технологического оборудования и сложность задач управления повлекли за собой глубокие структурные изменения в энергетическом хозяйстве предприятий.
Улучшение технико-экономических показателей работы горнорудных предприятий требует эффективного энергопотребления, обеспечение которого возможно только на основе изучения его закономерностей, повышения научной обоснованности и точности плановых значений и норм расхода энергоресурсов, оптимального управления режимами энергопотребления.
Большой вклад в исследование проблем эффективного энергопотребления внесли видные российские и зарубежные ученые: Вейц В.И., Тайц А.А., Гофман И.В., Авилов-Карнаухов Б.Н., Олейников В.К., Кудрин Б.И., Никифоров Г.В., Ляхомский А.В., Щуцкий В.И., Кузнецов Н.М. и др.
В условиях рыночной экономики традиционные задачи управления энергопотреблением - учет, нормирование и планирование - качественно меняются, и появляются новые задачи, связанные с оптимальным управлением режимами энергопотребления и анализом эффективности энергоиснользования по минимуму расхода энергоресурсов и др. Встает задача оптимизации использования энергоресурсов технологическим оборудованием и всем предприятием в целом, т.е. повышения эффективности рационального использования энергоресурсов за счет оптимального управления режимами энергопотребления.
Большой вклад в исследование проблем оптимального управления технологическими процессами на промышленных предприятиях внесли видные российские и зарубежные ученые: Трапезников В.А., Пугачев B.C., Фельдбаум А.А., Солодовников В.В., Федунец Н.И., Ротач В.Я. Калман Р., Беллман Р., Джури Э., Вебер У. и др.
Целью исследований диссертационной работы является разработка нового подхода к решению задачи оптимального управления режимами электропотребления и эффективного использования электроэнергии.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Анализ особенностей электропотребления технологических процессов горно-обогатительного производства.
Исследование и выбор методов для определения значимых технологических факторов, влияющих на различные режимы электропотребления.
Определение зависимостей между технико-экономическими показателями и основными технологическими факторами обогатительного производства на базе вероятностно-статистических методов.
Разработка нового подхода к построению информационной системы оптимального управления электропотреблением (ИСОУЭП) горнообогатительного производства.
Разработка математических моделей оптимального управления электропотреблением горно-обогатительным комбинатом, учитывающих выявленные зависимости технико-экономических показателей от основных технологических факторов.
Разработка объектно-ориентированной модели и инструментальных средств для реализации и внедрения разработанного подхода оптимального управления электропотреблением.
Идея работы заключается в том, что повышение эффективности использования электроэнергии может быть достигнуто на основе изучения зависимостей электропотребления от технологических факторов, исследования взаимосвязей между ними и многокритериальной оптимизации режимов электропотребления.
Методы исследования. При получении теоретических результатов в работе использовались: методы системного анализа и исследования операций, теории вероятности и математической статистики, метод факторного анализа, методы линейного и нелинейного программирования, метод штрафных функций, некоторые разделы математического анализа и теории игр. При исследовании процессов электропотребления использовались методы теории электрических и электромеханических систем, сочетающихся с компьютерным моделированием и экспериментальными исследованиями режимов электропотребления технологическим оборудованием и использованием стандартных инструментальных пакетов и программ MATHCAD, MATLAB, STATISTICA.
Основные научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:
Методами корреляционного и факторного анализа выявлен ряд технологических факторов, оказывающих значимое влияние на электропотребление горно-обогатительного комбината, которые до настоящего времени не принимались во внимание при исследовании технологических процессов.
Определен нелинейный характер зависимости технико-экономических показателей обогатительного производства от технологических факторов при управлении электропотреблением. Учет нелинейного характера зависимости существенно повышает эффективность использования электроэнергии на горно-обогатительных комбинатах, которые ранее учитывали только линейный характер.
Разработан новый подход к управлению электропотреблением на обогатительной фабрике горно-обогатительного комбината, состоящий из пяти основных этапов. Новый подход, в отличие от существующих, базируется на большем числе технологических факторов, учитывает нелинейный характер зависимости электропотребления от выявленных технологических факторов, что позволяет снизить потребление электроэнергии и повысить производительность обогатительной фабрики. 4. В рамках нового подхода разработаны математические модели информационной системы оптимального управления электропотреблением (ИСОУЭП) на базе методов многокритериальной оптимизации, теории игр и линейного программирования, которые учитывают вероятностный нелинейный характер изменения режимов работы оборудования на горно-обогатительных комбинатах и позволяют оптимизировать ресурсосберегающие процессы на ГОКах.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием статистических методов, методов многокритериальной оптимизации, компьютерного моделирования, а также положительными результатами экспериментальных исследований зависимостей технико-экономических показателей от технологических факторов.
Научная значимость диссертации состоит в разработке нового подхода к оптимальному управлению электропотреблением на обогатительной фабрике горно-обогатителы-юго комбината на основе выявленных нелинейных закономерностей изменения технологических факторов, не учитывавшихся при исследовании режимов электропотребления.
Практическая значимость диссертации состоит в разработке инструментальных средств на базе объектно-ориентированного моделирования, позволяющих разработать систему оптимального управления электропотреблением на любой программно-аппаратной платформе и максимально упростить комплекс работ по адаптации, администрированию и сопровождению пакета прикладных программ, что имеет большое значение при современном разнообразии систем и решений на отечественных горнорудных предприятиях.
Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертации внедрены в ОАО "Лебединский ГОК". Разработанные модели и инструментальные сред- ства позволяют повысить эффективность работ по построению ИСОУЭП, базирующихся на распределенных вычислительных системах. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре АСУ МГТУ как раздел лекций в дисциплине ''Системы реального времени" при подготовке специалистов по специальности 230102, а также в дисциплине "Моделирование сложных систем" при подготовке магистров по направлению 552800 "Информатика и вычислительная техника".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных научных симпозиумах "Неделя горняка-2005" и "Неделя горняка-2006", а также иа техническом совете Лебединского ГОКа и научных семинарах кафедр "Автоматизированные системы управления" и "Электрификация и энергоэффективность горных предприятий" Московского государственного горного университета. Кроме того, основные результаты работы являются составляющей частью отчетов "Установление энергетических характеристик технологических процессов обогащения для управления повышением энергоэффективности" и "Систематизация факторных моделей и установление областей рационального электропотребления процессов обогащения для повышения энергоэффективности" для ОАО "Лебединский ГОК".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 112 наименований, содержит 16 таблиц и 21 рисунок.
Автор диссертации благодарит профессора, д.т.н. Ляхомского Александра Валентиновича за внимание, проявленное к рассматриваемой тематике, а также помощь в проведении исследований.
Обзор исследований в области электропотребления горнообогатительного производства
Реализация всех организационно-правовых, научно-технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов, регламентируется федеральным законом "Об энергосбережении в Российской Федерации" и указом Президента РФ "Об основных направлениях энергетической политики и структурной перестройки топливно-энергетического комплекса Российской Федерации на период до 2010 года".
Как показывает опыт эксплуатации электрического хозяйства промышленных предприятий, энергосбережение невозможно без подробного изучения закономерностей электропотребления и повышения обоснованности и точности плановых значений и норма расхода электроэнергии с учетом особенностей технологии каждого промышленного объекта.
Основополагающими в области исследования электропотребления являются работы Вейца В.Щ24], Тайца А.А.[89] и Гофмана И.В.[32-33], в которых впервые были исследованы связи между расходом электроэнергии и технологическими показателями производства. Они были представлены в форме графических и аналитических зависимостей энергетических характеристик отдельных механизмов и переделов, причем в основу расчетов закладывались фундаментальные законы физики, описывающие каждую технологическую операцию и электропривод. На тот момент времени подобная постановка задачи соответствовала малой размерности электрического хозяйства и относительной простоте электрооборудования и технологических режимов, и долгое время использовалось как в расчете электрических нагрузок при проектировании, так и при нормировании и прогнозировании электроиотребления в процессе эксплуатации предприятий.
Однако в 50-60-е годы прошлого века произошли количественные и качественные (по составу и сложности) изменения в электрическом хозяйстве крупных предприятий, в том числе и в горнорудной промышленности. Необходимость учета практически бесконечного количества электроприемников и технологических связей привели к переходу от детерминированной аналитической постановки задачи расчета электропотребления к вероятностно-статистической. Развитием теоретических и практических вопросов в отношении анализа электропотребления явились работы Авилова-Карнаухова Б.Н. [6], где энергетические характеристики впервые рассматривались как многомерные статистические зависимости, отражающие состояние механизмов и условия их работы.
Принципиально важно, что в этом случае речь шла уже не о точном однозначном решение, а лишь о наличии математического ожидания и приемлемой для практики инженерной ошибки прогнозной модели электропотребления. С использованием теории вероятности и математической статистики Авилов-Карнаухов Б.Н. разработал методику нормирования расхода электроэнергии для угольных шахт и горно-обогатительных предприятий. Однако в силу несовершенства вычислительной техники в указанных работах исследовано влияние на уровень электропотребления лишь ограниченного числа факторов (таких как производительность и установленная мощность), что привело к значительным расхождениям между расчетной и фактической величиной электропотребления.
Количественная оценка степени влияния различных производственных показателей на расход электроэнергии и выделение нескольких значимых переменных на основании статистических критериев и причинно-следственных связей технологических факторов впервые приводятся в работах Олейникова В.К. [17, 67-68]. При этом комплексное решение с использованием статистических методов и элементов технического анализа включает рассмотрение баланса и динамики электропотреблеяия по основным переделам и агрегатам производства, корреляционный анализ всех технологических и энергетических показателей и построение многомерных уравнений с учетом только значимых и независимых переменных. Достоверность полученных таким образом энергетических характеристик оказывается очень высокой и становится возможным использовать их для повышения эффективности электропотребления действующих предприятий и оптимального проектирования новых.
Наибольшее внимание в этих работах уделялось анализу электропотребления отдельных механизмов и пределов горно-обогатительных предприятий. Расчет показателей электропотребления на более высоких уровнях управления (участок, цех, предприятие) предполагает их детальный расчет по отдельным механизмам и технологическим операциям с последующим агрегированием.
В дальнейшем этот подход был закреплен во множестве нормативных документов и ГОСТов [28-31, 73, 76], которые исходят из возможности оценить электропотребление целого предприятия (участков, цеха), опираясь на замеры режимных показателей отдельных (наиболее крупных) электроприемников.
Иное направление в оценке электропотребления и расчете электрических нагрузок промышленных предприятий развивает Кудрин Б.И. [43-46]. Используемый им подход базируется на теории техноценозов и предполагает определение показателей электропотребления "сверху вниз", т.е. начиная от предприятия в целом и заканчивая отдельным технологическим переделом или участком, исходя из определенной стабильности характеристик электропотребления группы электроприемников, объединенных общей технологией и подчиняющихся общим законам формирования.
Исходя из предпосылки, что при анализе суточных и сменных расходов электроэнергии и объемов произведенной продукции в 10% случаев наблюдается отклонение от нормального (штатного) хода процесса, данная теория предлагает определять соотношение массовых (нормальных) и уникальных (ненормальных) технологических режимов с помощью гиперболическоного #-распределения, принятого при описании сложных слабо организованных технических систем техноценозов.
Поскольку пооперационный причинно-следственный анализ электропотребления подменяется определением законов формирования режимных показателей, данный подход не позволяет отыскать причины вариации расхода элек троэнергии и выявить возможные резервы энергосбережения реального промышленного объекта. Поэтому в практике он нашел применение только для укрупненных расчетов на стадии проектирования систем электроснабжения промышленных предприятий.
Более оправданным при решении различных задач управления электропотреблением представляется системный подход, используемый в работах Никифорова Г.В. [68, 59-63]. В них, на примере металлургических предприятий, предлагается рассматривать крупные промышленные объекты, как сложные производственные системы, каждый уровень которых характеризуется своими свойствами и закономерностями. Для математического описания подобных систем применяется структурный метод, известный из теории автоматического управления, и позволяющий формировать модели электропотребления на каждом уровне автономно с учетом его особенностей и решаемых управленческих задач. При этом учитывается, что предприятие (цех, участок), как хозяйственный субъект управления не является простой суммой входящих в него структур, а имеет принципиально отличные возможности экономии и рационального использования энергоресурсов и другие критерии качества управления.
Достоинством данного подхода является компромисс между поагрегатным расчетом электропотребления "снизу вверх" и укрупненным - "сверху вниз", а также - учет интересов всех уровней управления при нормировании энергозатрат. Универсальность предложенных методов позволяет использовать их для описания электропотребления любых сложных промышленных объектов с многоуровневой структурой.
Выбор факторов, влияющих на технико-экономические показатели на обогатительной фабрике ГОКа
Знание закономерностей и наличие математической модели технологического процесса существенно повышает возможность эффективного использования энергоресурсов, и являются основой для эффективного и оперативного управления электропотреблением на предприятии. Поэтому выявление закономерностей электропотребления и построение математической модели технологического процесса, яредставляет собой первоочередную и важную задачу исследования и анализа производственного процесса. Построение математической модели любого производственного процесса, согласно [21, 25, 35, 50, 68], состоит из следующих этапов:
1. Выделение набора характеристик процесса, непосредственно влияющих на производство и энергопотребление.
2. Формирование массива статистических данных характеристик исследуемого процесса.
3. Расчет параметров модели и определение ее оптимальной структуры с точки зрения выделенного набора переменных и допустимой погрешности.
Особенности объекта исследования не позволяют использовать для накопления исходных данных активный эксперимент, поскольку в условиях непрерывного производства внесение преднамеренных изменений, выходящих за пределы диапазона рабочих значений, невозможно без нарушения нормального хода технологического процесса. Поэтому в условиях нормальной работы действующего промышленного объекта, как правило, проводится пас сивный эксперимент с регистрацией текущих производственных параметров [39, 68, 96]. Преимуществом такого подхода является возможность рассматривать в качестве исходных данных существующую отчетную документацию производственной структуры (данные оперативных журналов, контрольных опробований и лабораторных испытаний шихтовых материалов и готового концентрата).
Общая постановка задачи оптимизации электропотребления
Как отмечалось выше, обогатительное производство является достаточно сложной производственной системой, состояние которой описывается большим числом технологических факторов. Эти факторы образуют сложные взаимосвязи и могут иметь противоположные тенденции изменения в процессе функционирования системы. Подобная многокритериальность процесса обогащения вызывает естественное стремление найти такие технологические, организационные и технические решения, которые позволяли бы одновременно целенаправленно изменять ряд показателей, обеспечивая в конечном результате повышение эффективности производства и снижение энергозатрат, т.е. оптимизировать режим электропотребления промышленного объекта.
В данном случае под оптимизацией понимается такое управление режимами потребления электроэнергии, при котором некоторый критерий качества управления на заданном интервале времени достигает, в условиях заданных ограничений, своего экстремального (максимального или минимального) значения [68].
Система ограничений (8) позволяет выделить из множества вариантов режимы, допустимые регламентом технологического процесса, среди которых и ведется поиск оптимального решения. Эти ограничения могут выражаться равенствами и неравенствами или логическими соотношениями, при этом рабочий диапазон изменения параметров процесса задается в виде двусторонних балансовых ограничений, а структура производственных связей -в виде аналитических или эмпирических зависимостей [67-68].
Определение оптимальных режимов осуществляется посредством подстановки в целевую функцию векторов ограничений, соответствующих значениям конкретных условий данного промышленного объекта, а также внешних условий, задаваемых управляющей системой более высокого ранга. При этом в области энергопотребления промышленных предприятий существует ряд специфических особенностей, затрудняющих решение задачи оптимизации [9-10, 36]. К ним можно отнести следующие:
1. Высокая размерность решаемой задачи и интегральные критерии качества. Формулировка и решение задачи оптимизации зависит от числа учитываемых целей и вида представления целевой функции и ограничений. Характерной особенностью реальных промышленных объектов является необходимость учета множества целей, когда помимо минимизации электропотребления имеется несколько несводимых друг к другу критериев оптимизации одного ранга (объем производства, качество продукции и др.). В этом случае каким-либо методом определяется рациональный компромисс из режимов, оптимальных по различным показателям. Полученное решение не является строго (в математическом смысле) оптимальным, а лишь с некоторым приближением обеспечивают достижение поставленной цели по улучшению всех рассматриваемых критериев.
2. Неполные исходные данные. В отдельных случаях построение полной целевой функции, дающей зависимость показателей электропотребления от технологических факторов производства на данном уровне знания природы процесса, не представляется возможным. Тогда в качестве математического описания используется статистическая модель электропотребления, представленная системой уравнений множественной регрессии. Основная сложность применения подобной модели заключается в определении возможности и допустимости оптимального решения, полученного на ее основе [18, 27]. Дело в том, что статистическая модель строится для определенной выборки отчетных данных, для конкретных интервалов варьирования факторов и определенных их комбинаций. Полученное же оптимальное решение может не принадлежать к этой выборке, и потому не известно, действительны ли в этой новой области закономерности, свойственные исследованной выборке.
3. Вероятностный характер изменения параметров процесса. Реальные производственные объекты находятся под влиянием случайных возмущений, поэтому эффективность оптимальных решений оказывается проблематичной, особенно в реальных условиях производства с жесткими ограничениями энергетических ресурсов [19,92].
Разработка ШГП "ЭнерджиЛинк"
Проектирование ППП "ЭнерджиЛинк" осуществлялось на базе UML (Unified Modeling Language унифицированный язык моделирования). UML -это стандартная нотация визуального моделирования программных систем, принятая консорциумом Object Managing Group (OMG) осенью 1997г., и на сегодняшний день она поддерживается многими объектно-ориентированным CASE продуктами. UML позволил четко систематизировать все элементы разрабатываемого ППП "ЭнерджиЛинк" за счет моделирования физического распределения вычислений и данных. При этом UML позволяет создавать концептуальную схему программного продукта, не привязывая сам продукт к конкретному языку программирования и программной оболочке. Моделирование ППП "ЭнерджиЛинк" реализовывалось с помощью объектно-ориентированного CASE-иродукта Rational Rose [107].
ППП "ЭнерджиЛинк" характеризует распределенность вычислений, открытость, масштабируемость и высокотехнологичность (рис. 12). Разработанный пакет " работает в режимах: "Главный энергетик", "Администратор" и "Пользователь". ППП реализован в виде нескольких отдельных глобальных модулей:
Анализ данных.
Факторный анализ.
Множественный регрессионный анализ.
Формирование вариантов модели.
Поиск оптимума.
Поиск компромиссного режима.
Выработка управляющих рекомендаций.
Интерфейс.
База данных.
"ЭнерджиЛинк" реализован с использованием независимой архитектуры. Каждый модуль может работать как отдельно, выполняя определенные задачи, так и в совокупности с другими модулями, используя элементы сопряженых программ. Ниже описываются основные элементы ППП "ЭнерджиЛинк" с использованием идеологии UML.
Глобальный модуль "Интерфейс" состоит из следующих компонентов (рис. 13):
"Start module" - компонент загрузки параметров ППГІ "ЭнерджиЛинк".
"Ввод данных" - реализует ввод данных для всех режимов в "База данных".
"Поиск данных" - обеспечивает поиск данных в БД.
"Управление пакетом" - конфигурирует состав ГШП "ЭнерджиЛинк", позволяет устанавливать и удалять дополнительные компоненты их инициализировать.
"Управление БД" - реализует интерфейс связи с БД и процедуры проверки целостности БД, резервного копирования и восстановления БД.
"Отчет" - позволяет выводить на экран и на принтер динамические отчеты о результатах модели, состояния системы и другие.
"Настройка" - конфигурирует параметры модели, наиболее эффективные элементы доступны в режиме "Главный энергетик" и "Администратор".
"Статистика" - компонент сбора и обработки статистики для всех глобальных модулей. t "parara.lst" - файл настроек ППП "ЭнерджиЛинк".
"state.log" - файл состояния ППП "ЭнерджиЛинк", в который выводится информация о текущем состоянии системы.
