Министерство образования и науки Республики Казахстан

Восточно-казахстанский государственный технический университет

им. Д.М.Серикбаева

Кафедра “Информационные системы”

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

На тему:

Проектирование автоматизированной системы управления процессом измельчения сульфидной руды

Выполнил: студент группы 091340

Антропов Я.В.

Руководитель: Уркумбаев Е.Б.

Усть-Каменогорск



Аннотация

Данная дипломная работа состоит из 4 разделов.

В первом разделе дипломной работы показан анализ технологии измельчения на обогатительной фабрике, экспериментально-статистические методы исследования процесса измельчения для выявления и анализа важнейших факторов измельчения, оптимизация которых необходима для качественного ведения процесса.

Во втором разделе представлено описание системы автоматизации процесса измельчения, на основании стабилизации параметров, выявленных в первом разделе, описано применяемое контроллерное оборудование, и программное обеспечение для реализации системы автоматизации.

В третьем разделе приведён расчёт показателей экономической эффективности внедрения системы автоматизации процесса измельчения.

В четвёртом разделе Результатом проекта являются тренды, показывающие стабилизацию параметров процесса измельчения, а также технико-экономическое обоснование автоматизированной системы.

Введение отражает актуальность проблемы, цель, задачи данного дипломного проекта, а также методы, с помощью которых будут решены поставленные задачи.

Заключение содержит результаты выполненной работы, выводы по полученным данным.

Список использованной литературы состоит из перечня документов, законов, стандартов, книг, которые были привлечены для исследования и написания дипломного проекта.

Приложения содержат листинги программного продукта.

Содержание

Введение

1. Анализ составляющих процесса измельчения на обогатительной фабрике. 1.1 Назначение процесса измельчения

1.2 Анализ важнейших факторов измельчения

1.3 Статистическое моделирование процесса измельчения

1.4 Корреляционно-регрессионный анализ

2. Создание системы автоматизации процесса измельчения

2.1 Назначение и цель создания системы автоматизации

2.2 Система управления циклом измельчения

2.3 Система стабилизации параметров измельчения

2.4 Контроллерное оборудование

2.5 Программное обеспечение

3. Обоснование экономической эффективности системы автоматизации

3.1 Технико-экономическое обоснование внедрения системы автоматизации процесса измельчения

3.2 Критерии качества комплекса программ

3.3 Определение показателей экономической эффективности

3.4 Расчет показателей экономической эффективности внедрения СА процесса измельчения

4. Безопасность и экологичность проекта

4.1 Организация требований к рабочей зоне производственного помещения

4.2 Критерии уровня работы по охране труда и методика их расчета

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Приложение Ж

Приложение К

Приложение Л

Приложение М



Введение

Существующие системы АСУТП обогатительных фабрик, созданные в 70-х годах, отличались применением современными для этого периода времени средствами автоматизации. Эти системы достаточно динамично развивались, модернизировались и во многом определяли высокие технологические показатели обогатительной фабрики. Однако за последние 10 лет произошла деградация систем автоматизированного управления, связанная с физическим износом средств автоматики из-за недостаточного финансирования, и отсутствием единой политики в области АСУТП. Внедрение локальных проектов на отдельных технологических процессах на базе современных средств автоматизации в 2000-2003 годах не позволило оптимизировать процесс обогащения в целом по обогатительной фабрике.

Формирование единой политики в области автоматизации, необходимость увеличения извлечения металлов при постоянных объёмах добычи руды, наличие современных средств автоматизации, позволяющих достаточно просто организовать системы АСУТП, сделали возможным выполнение перехода на качественно новый уровень производства без остановки технологического процесса.

Цель внедрения системы автоматизации (СА) процесса измельчения обогатительной фабрики горно-обогатительного комплекса - повышение технологических показателей работы обогатительного передела. Увеличение извлечения металлов, повышение качества выпускаемых фабрикой концентратов, сокращение удельных затрат нормируемых материалов будет достигнуто за счет эффективного компьютерного управления технологическими процессами, использования современного парка контрольной и измерительной техники.

Назначение дипломной работы - проектирование автоматизированной системы управления процессом измельчения сульфидной руды. Объектом проектирования является отделение измельчения обогатительной фабрики горно-обогатительного комбината. Основной целью дипломной работы является вывод о рациональности применения системы автоматизации для оптимизации технологических параметров и стабильного управления технологической линией, с анализом важнейших факторов и закономерностей процесса измельчения.

Предлагаемые для реализации технические решения не только позволят достичь стабильно высоких технологических показателей работы фабрики, но и обеспечат качественно новый уровень управления, основанный на современных информационных технологиях.



1. Анализ составляющий процесса измельчения на обогатительной фабрике

1.1 Назначение процесса измельчения

Измельчение относится к числу основных технологических процессов обогатительных фабрик. Являясь весьма энергоёмким процессом, формирующим конечные показатели процесса обогащения, измельчение определяет технологические и технико-экономические показатели работы фабрики. От показателей измельчения зависят результаты всей дальнейшей переработки обогащаемого продукта, прежде всего такие, как производительность фабрики, извлечение ценного компонента, содержание его в концентрате, потери в хвостах. Поэтому важное значение приобретает вопрос оптимальных режимов работы измельчительных агрегатов.

Задача измельчения руды как подготовительной операции состоит в обеспечении наиболее полного раскрытия поверхности зерен извлекаемых минералов. Основное технологическое оборудование процесса измельчения составляют мельницы (шаровые и стержневые) и классифицирующие аппараты (спиральные классификаторы и гидроциклоны). В зависимости от конкретных условий переработки руды мельницы могут работать либо в открытом цикле (без возврата песковой фракции в мельницу), либо в замкнутом цикле с классификатором (с возвратом песков классификатора в мельницу). Возможна также схема полузамкнутого цикла, когда в мельницу возвращается только часть песковой фракции.

Так как на флотационных обогатительных фабриках преобладает мокрое измельчение, среда (пульпа), в которой протекает технологический процесс, является двухфазной.

Пульпой называется смесь минеральных частиц и воды, в которой твёрдые частицы находятся во взвешенном состоянии и равномерно распределены в объёме воды. Взвешивание минеральных частиц в воде достигается перемешиванием пульпы или движением её с достаточной скоростью. Чем крупнее частицы, тем легче пульпа расслаивается. Равномерно перемешенная пульпа обладает многими свойствами жидкости более тяжёлой, чем вода.

Состав пульпы характеризуется следующими показателями: содержанием твёрдого в пульпе по массе, т.е. отношением массы твёрдого вещества к массе всей пульпы, в которой заключается это количество твёрдого; разжижением, т.е. отношением массы жидкого к массе твёрдого в некотором количестве пульпы; плотностью пульпы при известной плотности твёрдого.

Наличие жидкой фазы усложняет механизм явлений, происходящих при измельчении, приводит к небходимости учёта гидростатических и гидродинамических закономерностей.

Входные воздействия процесса измельчения включают расход руды и воды в мельницу, гранулометрический состав и твёрдость руды. При работе мельницы в замкнутом цикле с классификатором указанные выше параметры дополняются циркулирующей нагрузкой и расходом воды в слив мельницы и пески и пески классификатора. Последний параметр часто объединяют с расходом воды в мельницу и рассматривают как единое входное воздействие: общий расход воды в мельницу.

Показателями процесса измельчения обычно служат гранулометрический состав и плотность продукта измельчения (при работе мельницы в открытом цикле продуктом измельчения является слив мельницы, а при работе в замкнутом цикле - слив классификатора), производительность по материалу заданной крупности.

Объектом для автоматизации является отделение измельчения главного корпуса №3, схема цепей и аппаратов цикла измельчения представлена на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 - Схема цепей и аппаратов цикла измельчения

Цикл измельчения на обогатительной фабрике представлен следующими основными аппаратами:

- мельница МШР 2,7 х 3,6, производительностью - 35 тн /час;

- классификатор - 1КСН 2,5;

- отсадочная машина МОД-2М, 2 камеры производительностью 25 т/ч.

Рассмотрим технологию измельчения и классификации для выявления существенных факторов разработки системы автоматизации.

1.2 Анализ важнейших факторов

Для управления процессом измельчения материала в шаровой мельнице и подбора условий наивыгоднейшей её работы необходимо знать, как протекает данный процесс во времени, т.е. знать его кинетику. [1]

Исходный материал, подлежащий измельчению, может состоять либо исключительно из зерен крупного класса, либо из смеси крупного класса и готового продукта.

Если при работе шаровой мельницы периодического действия будем отбирать через определённые интервалы времени пробы измельченного материала, определять в них массу крупного класса и результаты представлять в виде графика, то получим кривые, изображающие зависимость массы Q остатков крупного класса от продолжительности измельчения t, в соответствии с рисунком 1.2. Эти графики показывают закономерное уменьшение количества крупного класса в измельченном материале и имеют общую для всех руд форму гиперболической кривой, что указывает на существование устойчивой связи между количеством недоизмельченного материала и временем измельчения. Вид кривых зависит от свойств измельчаемого материала и условий измельчения.

Рисунок 1.2 - Зависимость массы крупного класса в разгрузке мельницы от времени измельчения

Можно предположить, что скорость измельчения (скорость убывания крупного класса) пропорциональна массе недоизмельчённого крупного класса, находящегося в данный момент в мельнице. На основании такого определения имеем зависимость

(1.1)

где Q - масса остатка крупного класса в момент t;

t - продолжительность измельчения;

k - постоянный коэффициент, зависящий от условий измельчения

Одним из важных управляющих воздействий, при помощи которого может изменяться крупность продукта на выходе мельницы, является расход воды в мельницу. Густая пульпа (с большим содержанием твёрдого) проходит через мельницу медленнее, чем жидкая. Поэтому при малом расходе воды руда дольше находится под ударным и истирающим воздействием шаров, и готовый продукт получается более тонким. Наоборот, при разжижении пульпы содержание мелких классов в разгрузке мельницы начинает падать.

Рассмотрим работу шаровой мельницы в замкнутом цикле с классификатором. Работа мельницы в замкнутом цикле характеризуется отбором продукта назначенной крупности и возвращением крупного продукта в ту же мельницу (циркулирующая нагрузка). Измельченный в мельнице материал поступает на отсадочную машину, для более эффективной работы классификатора. Отсадка - гравитационный процесс разделения смеси минеральных частиц по плотности в разделяющей среде, разрыхляемой действием вертикального пульсирующего потока воды. Разделяющей средой в процессе отсадки служит постель материала на решете отсадочной машины. Далее материал подаётся в классификацию (механический классификатор), где делится на готовый мелкий продукт (слив) и на крупный продукт (пески), возвращаемый как избыточное зерно в мельницу для доизмельчения. Пески непрерывно циркулируют из классификатора в мельницу и обратно и выходят из цикла только после измельчения до требуемой крупности. Они проходят через мельницу многократно и при установившемся режиме замкнутого цикла количество их стабилизируется. Установившееся количество оборотных песков называется циркулирующей нагрузкой, которая может выражается относительной величиной С - отношением маccы песков к массе готового продукта (твёрдого в сливе классификатора), равной массе исходного материала,



;(1.2)

где С - отношение маccы песков к массе готового продукта;

S - масса оборотных песков;

Q - масса готового продукта.

Чем больше циркулирующая нагрузка, тем меньшую долю составляет в ней готовый продукт при одной и той же эффективности классификации.

Одной из главных особенностей измельчительного агрегата является экстремальная связь между производительностью мельницы по готовому классу и циркуляционной нагрузкой, в соответствии с рисунком 1.3. [2]

гдеgг - производительность мельницы по готовому классу;

gц - циркуляционная нагрузка.

Рисунок 1.3 - Связь между производительностью и циркуляционной нагрузкой.

Так как производительность мельницы прямо пропорциональна содержанию в ней крупного класса, технологическое значение циркулирующей нагрузки заключается в том , что она позволяет увеличить содержание крупного продукта в мельнице.

При работе в замкнутом цикле производительность мельницы повышается без дополнительной затраты энергии, что на первый взгляд кажется необъяснимым. В действительности, при работе мельницы в замкнутом цикле уменьшается переизмельчение материала, готовый продукт, оставаясь кондиционным по размеру максимального предельного зерна, в среднем получается крупнее, средний диаметр его увеличивается, а удельная поверхность уменьшается.

Полезна только та часть циркулирующей нагрузки, которая представлена крупным классом зерен, так как именно эти зерна подлежат измельчению и дают вновь образованный готовый продукт. Добавка крупной части циркулирующей нагрузки к исходному материалу увеличивает количество комбинированной загрузки в мельницу, повышает скорость прохождения материала, сокращая, таким образом, продолжительность измельчения и уменьшая переизмельчение материала, что способствует повышению содержания крупного класса в материале, находящемся в мельнице, и увеличению её производительности. Добавка готового продукта к комбинированной загрузке мельницы, вследствии несовершенства классификации, хотя и увеличивает скорость прохождения материала через мельницу, в целом отрицательно влияет на работу мельницы. Проходя повторно через мельницу, готовый продукт переизмельчается, поглощая бесполезно энергию и затрудняя дальнейшие операции его обогащения.

Повышение средней крупности руды, поступающей в мельницу, или увеличение твёрдости приводит к росту циркулирующей нагрузки, что при неизменной величине исходного питания мельницы рудой приводит к её переполнению. В случае понижения средней крупности и твердости циркулирующая нагрузка снизится и при неизменном питании мельницы рудой резерв производительности её не будет использован.

Основным показателем процесса классификации принято считать средний диаметр твёрдых частиц, выделяемых в слив. Этот показатель зависит от плотности пульпы в сливе; чем больше плотность слива, тем больше количество крупных частиц уходит вместе со сливом, т.е. возрастает средний диаметр твёрдых частиц.

Работа классификатора регулируется количеством подаваемой в классификатор воды, в зависимости от чего меняется плотность пульпы на сливе классификатора. Любое увеличение эффективности классификации даёт экономию в расходе энергии на измельчение благодаря уменьшению количества переизмельчаемого материала и позволяет использовать большую часть энергии, необходимой для вращения барабана мельницы, для измельчения некондиционных крупных зерен. Следует учитывать, что изменение количества песков приводит к дополнительному переходному процессу, вызванному изменением плотности слива в зависимости от количества и гранулометрического состава поступающей в классификатор пульпы.

Рассмотрим переходной процесс шаровой мельницы, происходящий при подаче воды в классификатор, в соответствии с рисунком 1.4. [3]

гдеGв - количество подаваемой в классификатор воды;

- плотность пульпы.

Рисунок 1.4 - Переходной процесс по каналу: количество подаваемой в классификатор воды - плотность пульпы.

На рисунке видно, что измельчительный агрегат, работающий в замкнутом цикле с классификатором, имеет сравнительно сложную передаточную функцию, которую можно получить путём структурных преобразований замкнутой схемы измельчительного цикла.

Характер кривой изменения плотности можно объяснить следующим образом: при увеличении подачи воды происходит кратковременное снижение плотности пульпы вследствие её разжижения. В это же время начинается процесс увеличения циркуляционной нагрузки и медленное увеличение плотности. Переходной процесс длится более часа.

Колебания плотности слива классификатора в значительной мере сказываются на изменении величины циркулирующей нагрузки классификатора. Экспериментально установлено, что изменение плотности слива классификатора на 1% вызывает изменение количества циркулирующих песков до 30%. Становится ясным, какое важное значение приобретает вопрос автоматического поддержания на заданном уровне величины плотности слива классификатора.

1.3 Статистическое моделирование процесса измельчения

Эффективное управление процессом измельчения с использованием вычислительной техники автоматизированных систем требует знания математической модели этого процесса, а наличие большого числа возмущающих воздействий на него позволяет применять лишь статистическое моделирование. [4]

Математическое описание технологических объектов автоматизации принципиально возможно детерминистическим и статистическим способами. При детерминистическом способе математическая модель составляется на основании имеющейся теории процесса, т.е. точного знания физико-химических, энергетических и эксплуатационных свойств объекта. Однако получение этим способом модели, которая связывала бы все управляющие и возмущающие воздействия и давала количественную оценку влияния отдельных параметров процесса на его результат, чрезвычайно затруднительно.

Другой метод - статический - позволяет выявить закономерность воздействия одних параметров процесса на другие на основании большого статического материала, собранного в процессе длительной промышленной эксплуатации агрегата (пассивный эксперимент), либо благодаря специально спланированному эксперименту, позволяющему при минимальном количестве воздействий на агрегат выяснить интересующие закономерности (активный эксперимент).

Экспериментальное исследование сложных объектов, не позволяющих осуществлять многократные воздействия и требующих больших материальных затрат на проведение опытов, обусловили разработку методов, которые позволяли бы не только обрабатывать экспериментальные данные, но и наилучшим образом организовывать эксперимент. Математический аппарат, используемый при такой организации эксперимента, базируется на композиции методов математической статистики и методов решения экстремальных задач.

В настоящее время можно выделить два основных направления в математической теории планирования экспериментов: планирование экстремальных экспериментов и планирование экспериментов по выяснению механизма явлений или получению математического описания процесса. Экстремальные эксперименты можно планировать, зная переменные факторы, наиболее сильно влияющие на процесс. При этом прежде необходимо провести эксперименты по выяснению взаимосвязи факторов с параметрами оптимизации.

Так как результаты наблюдений - величина случайная, а процессы стационарные, то связь средних значений исследуемых величин с контролируемыми переменными может быть описана некоторой функцией

(1.3)

Где E(Y/X) - среднее значение исследуемой величины Y при значениях контролируемых переменных X, определяемых координатами вектора X;

з(Х) - функция, зависящая от неизвестных параметров и1, и2, …, иm, для определения которых необходимо проведение исследований лабораторной модели измельчительного агрегата.

Факторное планирование применяется на первых этапах изучения сложных технологических процессов с большим числом независимых переменных с целью выделения наиболее существенных факторов. Исследования, направленные на отыскание оптимальных условий протекания процесса, могут потерять всякий смысл, если некоторые из переменных, существенно влияющие на результаты процесса, не будут включены в программу исследований. [5]

Для выявления существенных параметров, влияющие на оптимальную загрузку мельницы, в исследуемую модель включим четыре возможных переменных фактора: Х1 - количество воды, загружаемой в мельницу (литров); Х2 - количество загружаемого материала (кг); Х3 - гранулометрический состав измельчаемого материала (мм); Х4 - масса измельчающей среды (кг). В качестве параметра оптимизации примем Y - средний диаметр измельчённого материала (мм).

Опыты для получения статических характеристик проводят в следующем порядке. В мельницу, загруженную измельчающей средой массой Х4 (шарами), поступает сырьё крупностью Х3 и массой Х2, и вода объёмом Х1. Материал измельчается и постоянно выдаётся из мельницы. Через определённые промежутки времени, в зависимости от смены факторов, берутся пробы измельчённого материала. После предварительного обезвоживания проба помещается в сушильный шкаф, где подвергается сушке. Затем измельчённый материал рассеивается на классы на стандартных ситах, взвешивается на аналитических весах и определяется средний диаметр измельчённого материала Y.

Для определения статистических характеристик объектов управления в процессе их нормальной эксплуатации, то есть выявления наиболее значимых факторов цикла измельчения из четырёх выбранных применим корреляционный и регрессионный анализ. Экспериментальные данные, полученные в результате специального опробования технологического процесса обработаем с помощью электронного табличного процессора «EXCEL». Множественный корреляционно-регрессионный анализ ориентирован на средства дополнительного пакета «Анализ данных». [6]

1.4 Корреляционно-регрессионный анализ

В электронную таблицу «EXCEL» внесём данные 13 испытаний.

Таблица 1.1

Данные опытов для получения статических характеристик

X1 X2 X3 X4 Y 7 26 6 60 1,784 1 29 15 52 1,689 11 56 8 20 2,37 11 31 8 47 1,99 7 52 6 33 2,179 11 55 9 22 2,482 3 71 17 6 2,334 1 31 21 44 1,648 2 54 18 22 2,116 21 47 4 26 2,634 1 40 23 34 1,904 11 66 9 12 2,575 10 68 8 12 2,486

С помощью инструмента «Корреляция» получим корреляционную матрицу парных коэффициентов.



Таблица 1.2

Матрица парных коэффициентов

	X1	X2	X3	X4	Y
X1	1
X2	0,228579	1
X3	-0,82641	-0,12745	1
X4	-0,24545	-0,97295	0,019037	1
Y	0,73054	0,816323	-0,52514	-0,8214	1

На основе полученной матрицы проведём корреляционный анализ:

- среди независимых переменных имеется пара Х1, Х3 с сильной обратной связью (-0,82641). Следовательно, одновременное участие Х1 и Х3 нецелесообразно;

- имеется ещё одна пара независимых переменных Х2, Х4 с весьма сильной обратной связью (-0,97295). Следовательно, одновременное участие Х2 и Х4 ещё более нецелесообразно;

- независимая переменная Х3 имеет с зависимой Y менее выраженную связь, наименьшую по модулю из всех независимых. Поэтому Х3 - явный кандидат на исключение из четырёх факторной модели;

Поиск наилучшего уравнения будем выполнять методом исключения, планируя получить и исследовать уравнения:

- с факторами Х1, Х2, Х3, Х4;

- с факторами Х1, Х2, Х3;

- с факторами Х1, Х2.

Расчёт параметров четырёхфакторного уравнения с полным набором независимых переменных показывает значимость в целом уравнения, но, как показано в таблице 1.3, t - статистика выявляет незначимость отдельных факторов, которая у Х4 ниже всех.



Таблица 1.3

Результат расчёта параметров четырёхфакторного уравнения

	Коэффициенты	Стандартная ошибка	t-статистика	P-Значение
Y-пересечение	0,750427807	1,601672622	0,468527586	0,651908528
X1	0,042518127	0,017221921	2,468837647	0,038780666
X2	0,018328444	0,016430838	1,115490484	0,297024257
X3	0,009947225	0,017728682	0,561080885	0,590107988
X4	0,003398965	0,016188693	0,209959202	0,838948039

Х4 - кандидат на исключение в следующем шаге.

Расчёт параметров трёхфакторного уравнения с набором независимых переменных Х1, Х2, Х3 показывает значимость в целом уравнения, но, как показано в таблице 1.4, t - статистика выявляет незначимость отдельных факторов, которая у Х3 ниже всех.

Таблица 1.4

Результат расчёта параметров трёхфакторного уравнения

	Коэффициенты	Стандартная ошибка	t-статистика	P-Значение
Y-пересечение	1,086146901	0,087879521	12,35949959	5,98569E-07
X1	0,039051047	0,004622977	8,447164912	1,42971E-05
X2	0,014885681	0,000992116	15,00397176	1,12551E-07
X3	0,006346726	0,004252512	1,492465012	0,169776471

Х3 - кандидат на исключение в следующем шаге.

Расчёт параметров двухфакторного уравнения с набором независимых переменных Х1, Х2 показывает, что они являются наиболее значимыми факторами , как показано в таблице 1.5, t - статистика выявляет значимость отдельных факторов.

Таблица 1.5

Результат расчёта параметров двухфакторного уравнения

	Коэффициенты	Стандартная ошибка	t-статистика	P-Значение
Y-пересечение	1,194870502	0,052081407	22,94236211	5,58795E-10
X1	0,033354093	0,00276336	12,07012222	2,76559E-07
X2	0,015051656	0,001044618	14,40876799	5,14241E-08

Наилучшее уравнение для вычисления зависимой переменной Y:

(1.4)

На основании корреляционно-регрессионного анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что основными возмущающими воздействиями влияющими на загрузку мельницы, являются количество воды и количество материала загружаемые в мельницу.



2. Создание системы автоматизации процесса измельчения

2.1 Назначение и цель создания системы автоматизации

Обогатительные комплексы занимают промежуточное положение в цепи производственных процессов добычи и использования полезных ископаемых. На вход обогатительных фабрик поступает сырьё, вещественный состав которого отличается значительным непостоянством во времени, а на выходе должен быть получен кондиционный продукт, удовлетворяющий потребителя по своим качественным показателям. Решение этой задачи невозможно без автоматизации контроля процессов обогащения, регулирования режимов работы машин и механизмов.

Одной из важнейших задач автоматизированного управления производственным процессом является установление и поддержание оптимального технологического режима, то есть такого комплекса значений основных технологических параметров, которые обеспечивают наиболее высокие экономические показатели процесса. Успешное выполнение этой задачи при сложности процессов обогащения невозможно без применения средств автоматики и вычислительной техники.

Автоматизация обогатительных процессов - высшая ступень получения и использования информации, обеспечивающая достижение поставленных целевых функций, а также облегчающая труд обслуживающего персонала, расширяющая их возможную зону обслуживания и, в итоге, повышающая производительность труда.

Основа систем автоматизации - автоматические системы регулирования (АСР) отдельными параметрами. На их основе создаются автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Автоматизированные системы управления решают следующие основные задачи:

- измерение параметров процесса и контроль состояния оборудования;

- централизованный сбор и первичная обработка информации;

- мониторинг технологических показателей;

- расчёт технико-экономических показателей.

Основной целью создания автоматизированной системы управления является повышение эффективности функционирования действующей обогатительной фабрики за счет следующих факторов:

- оптимизации управления технологическими процессами на основе качественных измерений, физико-химических и математических моделей технологических процессов;

- модернизации и замены физически изношенных средств и систем автоматизации;

- интеграции разрозненных систем и контуров управления технологическими процессами.

Особо важное значение в интеграции систем приобретает централизованное автоматизированное управление на обогатительных фабриках вследствие наличия большого числа технологических потоков и механизмов. Централизованное управление одним контуром измельчения реализуется в виде операторской панели, на которой сведены управление и контроль за работой основных механизмов технологической цепи.

Переменные качества исходной руды по крупности, влажности, твёрдости и другим факторам сильно осложняют задачу автоматической оптимизации режима измельчения. Процесс измельчения физически тесно связан с процессом классификации. Эти два процесса находятся, как правило, в замкнутом цикле. Поэтому технологические параметры, характеризующие каждый процесс в отдельности, находятся между собой в динамической связи. Отсюда видно, что решать вопрос автоматизации измельчения и классификации отдельно друг от друга нельзя; в данном случае необходимо рассматривать как один объект «мельница-классификатор». Конечным критерием, определяющим работу измельчительно-классифицирующего агрегата, является максимальная производительность при заданных классах крупности в готовом продукте. Для решения данной задачи применяются автоматические системы регулирования.

Основная цель классических автоматических систем регулирования - стабилизация y(t) на заданном уровне yо путём изменения его входной величины x(t) в условиях, когда на входе объекта действует возмущение z(t), в соответствии с рисунком 2.1 [7]

Рисунок 2.1 - Структурная схема объекта автоматизации.

Величины x(t) и y(t), с одной стороны, и y(t) с другой стороны, связаны как причина и следствие; количественно такие причинно-следственные связи оценивают математическими закономерностями, которые для статического режима объекта имеют вид функциональной зависимости y = f (x, z). [8]

В автоматических системах регулирования без обратной связи (по возмущению) регулятор управляет входной величиной x(t) объекта (процесса) без измерения выходной величины y(t), но с измерением возмущения z(t), сигнал которого подаётся от измерительной системы на вход регулятора.

В автоматических системах регулирования с обратной связью регулятор управляет входной величиной x(t) объекта (процесса) на основе измерения только его выходной величины y(t); возмущения z1, z2,.. не измеряются. Выходная величина объекта y через измерительную систему передаётся на вход регулятора, в котором определяется отклонение от задания:

(2.1)

Затем формируется алгоритм управляющего воздействия на входе объекта . В простых типовых пропорциональных регуляторах (П - регуляторах) воздействие регулятора пропорционально отклонению , т.е.

(2.2)

где - статический коэффициент передачи.

В более сложных типовых пропорционально-интегрально-дифференциальных регуляторах применяется ПИД - алгоритм

(2.3)

где - статический коэффициент передачи;

- постоянная времени интегрирования;

- постоянная времени дифференцирования.

Постоянные времени интегрирования и времени дифференцирования выбирают в зависимости от статических и динамических характеристик объекта(т.е. от вида математического уравнения, связывающего выход y и вход x объекта). [9]

С состав системы автоматизации процесса измельчения входят две подсистемы: система управления циклом измельчения и система стабилизации параметров измельчения.

2.2 Cистема управления циклом измельчения

Cистема управления циклом измельчения предназначена для пуска в работу, согласно заданному алгоритму, агрегатов входящих в состав цикла измельчения, останова, сигнализации состояния, контроля за периодичностью выполнения технического обслуживания, аварийного останова всех агрегатов. При достижении электродвигателями агрегатов 50 запусков, на панели оператора загораются соответствующие лампы технического обслуживания, сигнализирующие мастеру смены о необходимости проведения ревизии. Кнопка аварийного отключения прерывает работу всей технологической цепи измельчения.

В состав системы входят панель управления и агрегаты:

Панель оператора, в соответствии с рисунком 2.2

Рисунок 2.2 - Панель оператора

Агрегаты, входящие в состав системы управления циклом измельчения, в соответствии с рисунком 2.3

Описание работы системы управления циклом измельчения, в соответствии с рисунком 2.4:

На панели оператора включаем кнопку пуска насоса пульпы, загорается лампа пуска двигателя насоса. После включения насоса, снимается блокировка на запуск двигателя классификатора. Запускаем классификатор, затем отсадочную машину. Перед запуском мельницы, необходимо запустить двигатель масляного насоса. Затем, через 10 секунд опрашивается датчик расхода масла и если давление масла в пределах нормы, разрешается пуск мельницы. После включения мельницы разрешается запуск конвейера №1 и конвейера №2. При превышении температуры подшипников мельницы, двигатель мельницы отключается.

Рисунок 2.3 - Агрегаты системы управления циклом измельчения

Работа агрегатов постоянно контролируется: проверяется состояние сигнала аварийного отключения, значение температуры подшипников мельницы, наличие протока масла в магистрали смазки подшипников мельницы, а также количество пусков для сигнализации необходимости ревизии, в соответствии с рисунком 2.5



Рисунок 2.4 - Алгоритм запуска цикла измельчения



Рисунок 2.5 - Алгоритм контроля работы системы запуска цикла измельчения.



Перечень сигналов системы управления циклом измельчения приведён в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Перечень сигналов системы управления циклом измельчения.

Объект управления	Контроллер	Система визуализации и управления
№	Наименование измеряемого, управляемого или регулируемого параметра	Кол-во точек	Предел измерения	Дискретный вход	Аналоговый вход	Дискретный выход
1	Насос для пульпы	1	0/1			1	Отображение состояния работы насоса
2	Двигатель классификатора	1	0/1			1	Отображение состояния работы классификатора
3	Отсадочная машина	1	0/1			1	Отображение состояния работы отсадочной машины
4	Двигатель мельницы	1	0/1			1	Отображение состояния работы мельницы
5	Масляный насос	1	0/1			1	Отображение состояния работы масляного насоса
6	Контроль подачи масла	1	0/1	1			Отображение наличия подачи масла
7	Двигатель конвейера 1	1	0/1			1	Отображение состояния работы конвейера 1
8	Двигатель конвейера 2	1	0/1			1	Отображение состояния работы конвейера 2
9	Температура подшипников мельницы	2	0-100oC		2		Отображение текущей температуры. Аварийное отключение.

2.3 Система стабилизации параметров измельчения

В состав системы стабилизации параметров измельчения входит ряд систем стабилизирующих отдельные параметры цикла измельчения:

2.3.1 Система поддержания постоянства питания (исходная руда и циркулирующая нагрузка), в соответствии с рисунком 2.6. Система осуществлена методом раздельного замера и суммирования сигналов конвейерных весов и датчика песковой нагрузки.

Рисунок 2.6 - Система поддержания постоянства питания.

Суммарный сигнал датчика песковой нагрузки и исходной руды сравнивается с заданной величиной уставки. Разность сигналов отрабатывается частотным преобразователем, изменяющим количество исходного материала, поступающего в мельницу.

2.3.2 Система поддержания постоянного отношения «руда-вода», в соответствии с рисунком 2.7. Система осуществлена методом измерения питания мельницы (исходная руда и циркулирующая нагрузка), выполнения необходимых вычислений (расчёт оптимального соотношения «руда-вода») и задания количества воды, поступающей на загрузку мельницы.

Рисунок 2.7 - Система поддержания постоянства питания.

Сигнал датчика расхода воды сравнивается с расчитанной величиной уставки. Разность сигналов отрабатывается клапаном подачи воды на загрузку, изменяющим количество воды, поступающей в мельницу.

2.3.3 Система стабилизации плотности слива классификатора, в соответствии с рисунком 2.8. Система осуществлена методом измерения плотности пульпы на выходе из классификатора и сравнивания её с заданной.

Рисунок 2.8 - Система стабилизации плотности слива классификатора.

Сигнал рассогласования подаётся на клапан подачи воды на разгрузку мельницы, тем самым меняется соотношение «жидкое-твёрдое» и соответственно плотность пульпы.

2.3.4 Система стабилизации количества воды, подаваемой в подрешеточное пространство отсадочной машины, в соответствии с рисунком 2.9

Рисунок 2.9 - Система стабилизации количества воды, подаваемой в подрешеточное пространство отсадочной машины

Расходомер сравнивает количество воды подаваемое в подрешеточное пространство отсадочной машины с заданной уставкой и подаёт сигнал рассогласования на трёхходовый клапан.

Рассматриваемые системы составляют два контура: контур стабилизации питания и контур стабилизации плотности пульпы, в соответствии с рисунком 2.10

Рисунок 2.10 - Контуры стабилизации питания и плотности пульпы



Перечень сигналов системы стабилизации параметров измельчения приведён в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Перечень сигналов системы стабилизации параметров измельчения.

Объект управления	Контроллер	Система визуализации и управления
№	Наименование измеряемого, управляемого или рег-ого параметра	Кол-во точек	Предел измерения	Дискретный вход	Аналоговый вход	Аналоговый выход
1	Частотный преобразователь	1	0 - 1,5 м/с			1
2	Весы конвейерные	1	0-100т/час		1		Отображение текущего расхода руды
3	Двигатель классификатора	1	0-50кВт		1		Отображение активной мощности
4	Расход воды в загрузку мельницы	1	0-50м3/час		1		Отображение текущего расхода воды
5	Регулирование расхода воды в загрузку мельницы	1	0-50м3/час			1	Отображение работы ИМ подачи воды
6	Регулирование расхода воды в разгрузку мельницы	1	0-50м3/час			1	Отображение работы ИМ подачи воды
7	Плотность пульпы на сливе классиф-ра	1	1-2т/м3		1		Отображение плотности пульпы
8	Регулирование расхода воды в подрешетное пространство	1	0-50м3/час			1	Отображение работы ИМ подачи воды
9	Расход воды в подрешетное пространство	1	0-50м3/час		1		Отображение текущего расхода воды

Для реализации автоматизированной системы управления процессом измельчения необходимо предусмотреть следующие контуры управления и контроля:

а) Контур стабилизации питания.

Состав контура:

- конвейерные весы «Schenk», входящие в состав контура стабилизации загрузки мельницы, для получения информации о количестве исходной руды;

- магнито-индукционный расходомер «Promag 50W», для получения сигнала о количестве воды, подаваемой в загрузку мельницы;

- преобразователь активной мощности привода классификатора WM 600, для получения значения песковой нагрузки классификатора;

- пневматический клапан с электропневматическим позиционером «SAMSON», для регулирования объема воды с целью стабилизации соотношения «руда/вода».

Целью работы данного контура является поддержание постоянной величины плотности продукта в зоне измельчения.

Описание работы контура стабилизации питания:

Регулирование заключается в стабилизация соотношения подаваемых в мельницу руды и воды, а также циркулирующей нагрузки. Стабилизация входных параметров для замкнутых циклов возможна только при небольшом разбросе свойств измельчаемости руды с ориентировкой на наилучшие условия помола наиболее твёрдой руды. Количество исходной руды измеряется конвейерными весами «Schenk». Измерение величины циркулирующей нагрузки производится косвенным методом, с помощью преобразователя активной мощности привода классификатора WM 600 - мощность потребления электропривода спирали классификатора пропорциональна величине перемещаемых спиралью циркуляционных песков. Оптимальное питание мельницы обеспечивается поддержанием определённого соотношения между величиной изменения количества циркулирующих песков и величиной исходного питания. Сумма рудного питания и песков подаётся в определённом соотношении с водой в мельницу. Функциональная схема контура стабилизации питания показана на рисунке 2.11

Рисунок 2.11 - Функциональная схема контура стабилизации питания

гдеSP1 - сумма значений исходного питания и песков;

SP2 - вычисленное значение уставки объёма воды, в соответствии с формулой 1;

LMN1 - управляющее воздействие на частотный преобразователь;

LMN2 - управляющее воздействие на клапан загрузки воды;

PV1 - фактическое значение показаний конвейерных весов;

PV2 - фактическое значение показаний расхода воды на загрузку;



б) Контур стабилизации плотности слива классификатора.

Состав контура:

- пневматический клапан с электропневматическим позиционером «SAMSON» - для регулирования объема воды с целью стабилизации плотности слива классификатора;

- трехходовой пневматический клапан с электропневматическим позиционером «SAMSON» - для стабилизации количество воды, подаваемой в подрешеточное пространство отсадочной машины;

- магнито-индукционный расходомер «Promag 50W» - для получения сигнала о количестве воды, подаваемой в подрешетное пространство;

- плотномер на сливе классификатора для получения сигнала плотности слива классификатора;

Описание работы контура стабилизации плотности слива классификатора:

Регулирующий клапан подачи воды в отсадочную машину и в разгрузку мельницы регулирует плотность слива классификатора путем изменения подачи общей воды. Для стабилизации работы отсадочной машины при изменении расхода воды при стабилизации плотности слива классификатора в месте подачи воды в отсадочную машину и разгрузку мельницы установлен трехходовой клапан, который поддерживает постоянный расход воды в подрешеточное пространство отсадочной машины по данным расходомера, установленного на входе воды в отсадочную машину. Такая схема позволяет исключить взаимное влияние расхода воды в отсадочную машину и в разгрузку мельницы на регулирование плотности слива классификатора. Функциональная схема контура стабилизации питания показана на рисунке 2.12

гдеSP1 - задание-уставка величины плотности слива классификатора (пульпы);

SP2 - задание-уставка величины открытия трёхходового клапана;

LMN1 - управляющее воздействие на клапан разгрузки воды;

LMN2 - управляющее воздействие на открытие трёхходового клапана;

PV1 - фактическое значение показаний плотности пульпы;

PV2 - фактическое значение показаний расхода воды под отсадочную машину;

Рисунок 2.12 - Функциональная схема контура стабилизации плотности слива классификатора

2.4 Контроллерное оборудование

В настоящее время автоматизация любых производственных процессов выполняется на базе универсальных микропроцессорных контроллерных средств - программируемых логических контроллеров (ПЛК). На вход ПЛК от датчиков поступают измеренные значения величин, характеризующих производственный процесс. Контроллеры реализуют заданные функции контроля, учета, регулирования, последовательного логического управления и выдают результаты на экран дисплея рабочей станции оператора и управляющие воздействия на исполнительные механизмы объекта автоматизации.

В качестве дисплейных рабочих станций почти всегда используются персональные компьютеры в обычном или промышленном исполнении; большей частью с двумя типами клавиатур: традиционной алфавитно-цифровой и специальной функциональной и оснащенные одним или несколькими мониторами с большими экранами.

SIMATIC S7-300 - это модульный программируемый контроллер фирмы SIEMENS, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Модульная конструкция, работа с естественным охлаждением, возможность применения структур локального и распределенного ввода-вывода, широкие коммуникационные возможности, множество функций, поддерживаемых на уровне операционной системы, удобство эксплуатации и обслуживания обеспечивают возможность получения рентабельных решений для построения систем автоматического управления в различных областях промышленного производства. Эффективному применению контроллеров способствует возможность использования нескольких типов центральных процессоров различной производительности, наличие широкой гаммы модулей ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов, функциональных модулей и коммуникационных процессоров.

Контроллеры SIMATIC S7-300 имеют модульную конструкцию и могут включать в свой состав:

- модуль центрального процессора (CPU), в зависимости от степени сложности решаемой задачи в контроллерах могут быть использованы различные типы центральных процессоров, отличающихся производительностью, объемом памяти, наличием или отсутствием встроенных входов-выходов и специальных функций, количеством и видом встроенных коммуникационных интерфейсов и т.д;

- модули блоков питания (PS), обеспечивающие возможность питания контроллера от сети переменного тока напряжением 120/230В или от источника постоянного тока напряжением 24/48/60/110В;

- сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода-вывода дискретных и аналоговых сигналов с различными электрическими и временными параметрами;

- коммуникационные процессоры (CP) для подключения к сетям PROFIBUS, Industrial Ethernet, AS-Interface или организации связи по PtP (point to point) интерфейсу;

- функциональные модули (FM), способные самостоятельно решать задачи автоматического регулирования, позиционирования, обработки сигналов, модули снабжены встроенным микропроцессором и способны выполнять возложенные на них функции даже в случае отказа центрального процессора ПЛК;

- интерфейсные модули (IM), обеспечивающие возможность подключения к базовому блоку (стойка с CPU) стоек расширения ввода-вывода, контроллеры SIMATIC S7-300 позволяют использовать в своем составе до 32 сигнальных и функциональных модулей, а также коммуникационных процессоров, распределенных по 4 монтажным стойкам, все модули работают с естественным охлаждением.

Конструкция контроллера отличается высокой гибкостью и удобством обслуживания:

- все модули легко устанавливаются на профильную рейку DIN и фиксируются на установленных местах винтом;

- во все модули (кроме модулей блоков питания) встроены участки внутренней шины контроллера, соединение этих участков выполняется шинными соединителями, устанавливаемыми на тыльной стороне корпуса;

- наличие фронтальных соединителей, позволяющих производить замену модулей без демонтажа всех внешних соединений и упрощающих выполнение операций подключения внешних цепей модулей;

- подключение внешних цепей через фронтальные соединители с контактами по винт или пружинными контактами, механическое кодирование фронтальных соединителей, исключающее возможность возникновения ошибок при замене модулей;

- применение модульных и гибких соединителей SITOP TOP Connect, существенно упрощающих монтаж шкафов управления;

- единая для всех модулей глубина установки, все кабели располагаются в монтажных каналах модулей и закрываются защитными дверцами;

- произвольный порядок размещения модулей в монтажных стойках, фиксированные места должны занимать только блоки питания, центральные процессоры и интерфейсные модули.

Рисунок 2.13 - Монтажная стойка контроллера

Контроллеры SIMATIC S7-300 оснащены широким набором функций, позволяющих в максимальной степени упростить процесс разработки программы, ее отладки, снизить затраты на обслуживание контроллера в процессе его эксплуатации:

- высокое быстродействие, обеспечивающее существенное расширение спектра допустимых областей применения контроллеров;

- поддержка математики с плавающей запятой, позволяющая выполнять эффективную обработку данных;

- удобный интерфейс для настройки параметров: для настройки параметров всех модулей используется единый набор инструментальных средств с общим интерфейсом;

- человеко-машинный интерфейс, функции обслуживания человеко-машинного интерфейса встроены в операционную систему контроллера, эти функции позволяют существенно упростить программирование;

- диагностические функции, встроенные в операционную систему контроллера, с их помощью осуществляется непрерывный контроль функционирования системы, и выявляются все возникающие отказы, все диагностические сообщения с отметками даты и времени накапливаются в кольцевом буфере для последующего анализа;

- парольная защита: обеспечивает эффективную защиту программы от несанкционированного доступа, попыток копирования и модификации программы;

- переключатель режимов работы: переключение режимов работы производится специальным ключом (в SIMATIC S7-300C встроенным переключателем), после удаления ключа из замочной скважины заданный режим работы системы изменить невозможно.

Большое количество модулей программируемого контроллера S7-300 оснащено набором встроенных интеллектуальных функций, существенно упрощающих эксплуатацию системы управления:

- мониторинг сбора сигналов (диагностика);

- мониторинг сигналов аппаратных прерываний.

Диагностика используется для определения работоспособности модулей ввода дискретных и аналоговых сигналов. Для передачи диагностической информации применяются маскируемые и не маскируемые сообщения:

- маскируемые диагностические сообщения, которые могут пересылаться только в том случае, если это разрешено соответствующими параметрами настройки;

- не маскируемые диагностические сообщения, пересылка которых производится независимо от соответствующих параметров настройки.

Если диагностическое сообщение готово к передаче (например, сообщение об отсутствии напряжения питания датчика), то модуль генерирует диагностическое прерывание (для маскируемых сообщений только в случае определения параметров разрешения передачи). Центральный процессор прерывает выполнение программы пользователя или задач с более низким приоритетом и вызывает соответствующий организационный блок (OB 82). В зависимости от типа модуля диагностические сообщения могут носить различный характер.

Контроллеры SIMATIC S7-300 обладают широкими коммуникационными возможностями:

- коммуникационные процессоры для подключения к сетям PROFIBUS (с встроенным оптическим или электрическим интерфейсом), Industrial Ethernet и AS-интерфейсу;

- коммуникационные процессоры PPI для использования последовательных (RS 232, TTY, RS 422/ RS 485) каналов связи;

- MPI интерфейс, встроенный в каждый центральный процессор и позволяющий создавать простые и недорогие сетевые решения для связи с программаторами, персональными ЭВМ, устройствами человеко-машинного интерфейса, другими системами SIMATIC S7/ C7/ WinAC, параметры конфигурации MPI интерфейса могут быть определены встроенными средствами STEP 7;

- центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP.

Подключение контроллеров SIMATIC S7-300 к сети PROFIBUS-DP может производиться с помощью коммуникационного процессора или через встроенный интерфейс центрального процессора. Центральные процессоры с встроенным интерфейсом PROFIBUS-DP позволяют создавать распределенные системы автоматического управления со скоростным обменом данными между ее компонентами через сеть PROFIBUS-DP. В такой системе центральный процессор способен выполнять функции ведущего или ведомого DP-устройства. Обращение к входам-выходам устройств распределенного ввода-вывода производится теми же способами, что и к входам-выходам системы локального ввода-вывода. Система локального ввода-вывода образована набором модулей, установленных в монтажных стойках контроллера.