Введение к работе
Актуальность работы. Мельницы помола широко применяются в строительной, металлургической, мукомольной и других промышленных отраслях. Технологический процесс помола относится к энергоемким производствам. Вопросы, связанные с уменьшением энергопотребления и повышения качества процесса помола являются актуальными.
Для снижения энергозатрат используются косвенные системы управления двигателями, диапазон скорости которых рассчитывается, исходя из минимальной и максимальной загрузки мельницы.
В настоящее время на многих сложившихся производствах качество процесса помола определяется квалификацией оператора, вручную управляющего мельницами в зависимости от изменения характера вибраций, измеряемых различными акустическими датчиками, так называемым «электронным ухом». Однако получаемая оператором информация является приближенной на уровне шумов, поэтому скорость приводного асинхронного двигателя колеблется в широких пределах. Несмотря на это, достигается требуемое качество помола, но резко снижается эффективность помола, особенно при помоле материалов с разным гранулометрическим составом. Кроме того, мельницы помола являются энергозатратными агрегатами (20 % электрической энергии расходуется на помол, например, при производстве цемента). Поэтому в настоящее время для снижения потребления электрической энергии мельницы помола снабжаются частотно-регулируемыми электроприводами для управления асинхронными двигателями. Но в данных системах управления также остается открытым вопрос выделения информативного параметра об акустических характеристиках мельницы, так как преобразование акустического сигнала в электрический (цифровой) является нечетким на уровне помех.
В теорию управления асинхронным двигателем в различных отраслях промышленности весомый вклад внесли российские и зарубежные ученые, такие как А.С. Сандлер, О.И. Хасаев, О.А. Косов, Р.С. Сарбатов, А.Н. Попов, Д.А. Поздеев, Ю.В. Кесслер, Р. Шенфельд, В. Дуда, В.И. Литвин, И.И. Эпштейн, В.М. Перельмутер, И.Я. Браславский, В.В. Рудаков, И.М. Столяров и др.
Однако, вопрос об управлении асинхронным двигателем с динамически изменяемой нагрузкой, приводящей к системе с переменной структурой, исследован недостаточно. Это обуславливает актуальность темы диссертационной работы, посвященной разработке метода управления асинхронным двигателем с изменяющейся нагрузкой при технологическом процессе помола клинкера, на основе выделения информативного сигнала об акустических характеристиках мельницы. Использование современного математического аппарата - нейронных сетей, позволяет сформировать такой управляющий сигнал для системы частотно-регулируемого электропривода, который позволит корректировать управление характеристиками асинхронного двигателя и процессом дозирования (питатель является частью технологического оборудования помола).
Разработанный на основе предложенного метода управления «нейросетевой вычислитель» позволит на уровне шумов существенно повысить эффективность управления технологическим процессом помола, а, следовательно, качество процесса помола и снизить затраты на электроэнергию.
Диссертационные исследования связаны с тематикой научно-исследовательских работ, проводимых в БГТУ им. В.Г. Шухова:
- госбюджетная научно – исследовательская работа УДК 621.926 «Теоретические основы создания энергосберегающих процессов тонкого измельчения и рассеивания пылевыбросов материалов строительного производства» 2004 – 2009 г.г.,
- хоздоговорная работа Д-45/2008 заказчик ОАО «Спасскцемент» «Исследование процесса измельчения и разработка технологических режимов для трубных цементных мельниц замкнутого цикла» 01.07.2008 – 31.12.2009 г.
Объектом исследования в данной работе является система управления асинхронным двигателем с изменяющейся нагрузкой при технологическом процессе помола клинкера.
В качестве предмета исследования рассматриваются методы и средства получения информации о степени загрузки мельницы и её использовании для управления скоростью вращения барабана шаровой мельницы помола.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является повышение качества процесса помола и уменьшение энергопотребления путем управления асинхронным двигателем в функции степени наполнения мельницы.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решались следующие основные задачи:
– выявление перспективных методов и средств управления асинхронным двигателем, позволяющих повысить качество измельчения клинкера при снижении энергопотребления;
– разработка математической модели определения информативного параметра в звуковом сигнале, издаваемом работающей мельницей в зависимости от степени её заполнения;
– разработка архитектуры и алгоритма обучения нейронной сети выделения информативного параметра в шумовом звуковом сигнале, издаваемом вращающейся мельницей при различной степени заполнения;
– разработка структуры и алгоритмов управления асинхронным двигателем и питателем шаровой мельницы при использовании в качестве информативного параметра максимума долевой энергии шумового сигнала в выбранном частотном диапазоне;
– выбор процессора и программная реализация алгоритмов управления асинхронным двигателем шаровой мельницы;
– математическое моделирование частотно-регулируемого электропривода при различных законах заполнения барабана мелющей массой и проведение экспериментальных исследований.
Методы и средства исследований. При решении указанных задач использовались основные положения теории автоматического управления, теории автоматизированного тиристорного электропривода, теории измерений, методы спектрального анализа, теории искусственных нейронных сетей, методы математической статистики и математического анализа, методы объектно-ориентированного программирования.
Достоверность полученных результатов обусловлена корректностью математических выкладок, согласованностью основных теоретических решений с их практической реализацией, а также результатами вычислительных экспериментов по тестированию созданных алгоритмов, которые подтверждают непротиворечивость основных теоретических результатов и выводов.
Научная новизна работы состоит в:
– введении критерия постоянства кинетической энергии помола для управления скоростью асинхронного двигателя;
– обосновании определения тональности шумового сигнала, издаваемого шаровой мельницей, по максимуму долевой энергии в частотном интервале заданного диапазона;
– разработке архитектуры нейронной сети и алгоритма её обучения выделению номера частотного интервала с максимальной долевой энергией шумового сигнала;
– разработке структуры и алгоритмов управления асинхронным двигателем при динамическом изменении нагрузки, при стабилизации кинетической энергии помола;
– разработке математической модели системы управления помола клинкера для проведения вычислительного эксперимента.
Практическая значимость работы заключается в разработке технических предложений по реализации программно-аппаратного комплекса системы управления асинхронным двигателем с изменяющейся нагрузкой при технологическом процессе помола клинкера.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на III международном студенческом форуме «Образование Наука Производство» (сентябрь 2006 г., г. Белгород), на международной конференции «Проблемы информатики и моделирования» (ноябрь 2006 г., г. Харьков), The fourth international conference on Soft Computing, Computing with Words and Perceptions in System Analysis, Decision and Control (august 2007 Antalya, Turkey), на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь в начале нового столетия» (апрель 2008 г., г. Губкин), The 12th international conference of international Association for Computer Methods and Advances in Geomechanics (IACMAG) (October 2008 Goa, India), Первой Международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и технологии» (октябрь 2009 г., Белгород, Россия).
По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, из них 3 в изданиях из списка ВАК РФ, получено 1 свидетельство Отраслевого фонда алгоритмов и программ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика задания скорости вращения асинхронного двигателя для обеспечения качества измельчения клинкера при динамическом изменении степени заполнения шаровой мельницы;
2. Косвенный метод определения тональности шумового сигнала по максимуму его долевой энергии в частотном интервале заданного диапазона;
3. Нейронная сеть для выделения номера частотного интервала с максимальной долевой энергией;
4. Алгоритм и структура системы управления асинхронным двигателем при динамическом изменении нагрузки.
5. Стабилизация кинетической энергии помола, при управлении скоростью вращения асинхронного двигателя с изменяемой на валу нагрузкой.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 140 страницах основного текста, включающего 34 рисунка, 4 таблицы, список литературных источников из 100 наименований и 1 приложения.
