Введение к работе
Актуальность работы. Процесс электролитического производства алюминия составляет основу современной электрометаллургии алюминия и заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите (способ Эру-Холла) с выделением на катоде металлического алюминия и газообразных продуктов на аноде.
Электролизеры для производства алюминия, как и многие другие высокотемпературные агрегаты, характеризуются недостаточным объемом измеряемых переменных состояния вследствие агрессивности среды протекания электролиза и большого количества однотипных объектов управления. Эта особенность не позволяет рассматривать данный класс объектов как полностью наблюдаемый, и, следовательно, не полностью управляемый, и создает значительные трудности для создания систем управления такими объектами.
Огромный вклад в развитие и совершенствование алгоритмов управления объектами алюминиевой промышленности внесли специализированные научно-исследовательские и проектные организации, среди них «ВАМИ», «СибВАМИ», «Цветметавтоматика», «Союзцветметавтоматика» и др. Хорошо известны работы и достижения в этой области таких крупных специалистов как Н. А. Калужский, М. М. Ветюков, Ю. В. Борисоглебский, А. М. Цыплаков, А.И. Бегунов, М.В. Левин и ряд других ученых.
В то же время широко применяемый подход к управлению высокотемпературными агрегатами носит статистический характер, что ограничивает область применения такого подхода диапазоном изменения управляемых переменных при сборе статистических данных. В связи с этим возникает необходимость поиска новых способов создания алгоритмов управления групповыми высокотемпературными объектами, в частности, электролизерами, что будет способствовать росту эффективности управления ими.
Особое значение такая разработка имеет для повышения качества управления алюминиевыми электролизерами на предприятиях с исторически сложившейся структурой использования электролизеров относительно невысокой мощности и нуждающимися в модернизации применяемых систем управления.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной тематикой НИР СПГТИ (ТУ) по теме 6.30.020. «Разработка систем управления сложными техническими объектами с использованием математических моделей в контуре управления» (I кв. 2008 - IV кв. 2010 гг.), а также в рамках проекта № РНП.2.2.2.3.16112 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)».
Цель диссертационной работы - повышение качества функционирования электролизеров для получения алюминия на основе модернизации систем управления технологическими процессами.
Идея работы - создание детальной математической модели, позволяющей рассчитывать все переменные состояния объекта управления в объеме, достаточном для расчета критерия качества управления, за счет перевода этого объекта в класс полностью наблюдаемых.
Задачи исследований:
анализ современных систем управления технологическими процессами в электролизерах алюминиевого производства;
установление функциональных зависимостей между измеряемыми и' неизмеряемыми переменными, которые могут быть использованы в алгоритмах управления технологией получения алюминия электролизом криолит-глиноземного расплава;
разработка детальной математической модели, отражающей установленные зависимости между переменными;
синтез усовершенствованных алгоритмов управления электролитическим получением алюминия;
имитационное моделирование подсистемы нижнего уровня системы управления с использованием математической модели работы объекта, позволяющее проверить предложенные алгоритмы.
Научная новизна работы.
1. Установлено, что применение в системе управления математической модели, построенной на основе знаний о протекающих
технологических процессах, позволяет перевести электролизер для получения алюминия, как объект управления, в наблюдаемое состояние. При этом появляется возможность аналитического учета неизмеряемых переменных состояния (температура, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние) как функции рабочего напряжения и силы тока.
Научно обосновано, что повышение качества управления процессом электролитического получения алюминия обеспечивается учетом в алгоритмах нижнего уровня множественной зависимости неизмеряемых переменных состояния и корректировкой управляющих воздействий на верхнем уровне. Уточнение управляющих воздействий и параметров модели на верхнем уровне осуществляется по результатам расчета трехмерных физических полей электролизера.
Использование экспериментально установленных значений температуры плавления и кристаллизации реальных промышленных электролитов в математической модели является существенным фактором отработки управляющих воздействий.
Практическое значение работы.
Разработана структура трехуровневой системы управления процессом электролитического получения алюминия, учитывающая неизмеряемые переменные состояния, и определены функции каждого уровня, что позволяет использовать ее для большого класса модельных объектов.
Создана программа для расчета электролизера с обожженными анодами, позволяющая определять основные конструктивные параметры электролизера, свойства электролита и металла, составлять материальный, электрический и тепловой балансы электролизера и служащая для задания исходных данных, начальных условий и ограничений в математическую модель.
Построена трехмерная модель электролизера на силу тока 80-100 кА с обожженными анодами для решения задачи выработки корректирующих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.
4. Научные результаты работы включены в курсы металлургического факультета СПГГИ(ТУ) для студентов специальностей «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Металлургия цветных металлов».
Основные положения, выносимые на защиту:
Нахождение по измеряемым технологическим параметрам (сила тока и напряжение) неизмеряемых рабочих показателей электролизера (температура расплава, содержание глинозема и фтористых солей в электролите, сопротивление электролита и междуполюсное расстояние), имеющих существенное значение для управления процессом получения алюминия, можно производить на основе математической модели, включенной в контур управления.
Повышение критерия качества управления процессом электролитического получения алюминия (технологической составляющей себестоимости) обеспечивается применением распределенной системы управления, на нижнем уровне которой в реальном времени рассчитываются и поддерживаются на оптимальном уровне неизмеряемые переменные состояния, которые передаются на верхний уровень, где производится численный расчет физических полей электролизера по его трехмерной модели и корректировка управляющих воздействий, передаваемых на нижний уровень управления.
Методика исследований. Работа выполнена с использованием комплекса методов, включающего системный анализ задачи на основе исследований российских и зарубежных ученых; патентно-информационный анализ; теоретические, натурные и компьютерные методы изучения электролитического получения алюминия и управления процессом электролиза с применением стандартного и специального программного обеспечения.
В работе использованы методы компьютерного моделирования и современные исследовательские комплексы термического анализа.
Достоверность научных результатов обоснована лабораторными экспериментальными исследованиями и совпадением полученных результатов с литературными данными и материалами обследования промышленных объектов.
Апробация работы. Содержание и основные положения работы докладывались на семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009); конференции «Асеевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) - Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008; семинарах кафедры автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ), на семинарах для стипендиатов российско-германских программ «Михаил Ломоносов» и «Иммануил Кант» (Бонн, Германия, 2008; Москва, 2009).
По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора.
Автор самостоятельно выполнил:
постановку задач и разработку общей методики исследований;
анализ современных систем управления технологических процессов в электролизерах алюминиевого производства;
лабораторные эксперименты на новом оригинальном оборудовании по изучению температуры плавления и кристаллизации реального образца промышленного электролита алюминиевого электролизера;
разработку математической модели алюминиевого электролизера;
построение трехмерной геометрии алюминиевого электролизера;
математическое моделирование алгоритмов управления технологическим процессом производства алюминия.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Содержит 190 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 10 таблиц, список литературы из 130 наименований и приложений на 19 страницах.
