Система автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера для керамічного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецький національний технічний університет

Автореферат

дисертації на змагання ученого ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”

Система автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера для керамічного виробництва

Левіт Віктор Вікторович

Донецьк 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донецьком національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Спорихін Віктор Якович, професор кафедри “Автоматизовані системи управління” Донецького національного технічного університету, м. Донецьк.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ульшин Віталій Олександрович, завідувач кафедрою “Комп'ютеризовані системи” Східноукраїнського національного університету Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ;

кандидат технічних наук Стаднік Микола Іванович, заступник директора по науковій праці Донецького державного науково-дослідного, проектно-конструкторського й експериментального інституту комплексної механізації шахт “ДОНДІПРОВУГЛЕМАШ” Міністерства палива й енергетики України, м. Донецьк.

Ведуча організація: Національна гірська академія України, кафедра “Автоматизація виробничих процесів” Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 20 грудня 2001 року в 1400 годин на засіданні спеціалізованої ради К11.052.03 у Донецьком національному технічному університеті за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корпус 1, аудиторія 201.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, корпус 2.

Автореферат розісланий 17 жовтня 2001 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради К11.052.03, кандидат технічних наук, доцент Мокрий Г.В.

1. Загальна характеристика роботи

автоматизація шлікер керамічний

Актуальність теми. В даний час керамічне виробництво є однією з перспективних галузей, що генерують розвиток супутніх виробництв. Це пояснюється тим, що кераміка є альтернативою іншим конструкційним матеріалам, при цьому роль неметалічних матеріалів істотно зросла з розвитком електронної промисловості, архітектури і будівництва, в умовах зрослих екологічних вимог. Україна, і, зокрема, Донбас, має у своєму розпорядженні великі родовища глин і інших компонентів для виготовлення керамічних виробів, і ці родовища активно експлуатуються.

Сучасні дослідження впливу параметрів технологічних процесів керамічного виробництва на якість керамічних виробів показують, що найбільш істотними, такими, що визначають хід і результати інших технологічних процесів, є результати одержання шлікера як напівфабрикату керамічного виробництва. Однак, у даний час на підприємствах галузі більшість операцій технологічного процесу готування шлікера здійснюється в механізованому чи напівавтоматизованому режимі, починаючи від завантаження дозаторів і млинів, закінчуючи регулюванням об'єму і температури води при одержанні суспензій. Використовувана апаратура для автоматизації процесу, алгоритми управління і технічні рішення не ефективні, тому що не забезпечують одержання шлікера з необхідними властивостями і не вирішують задач забезпечення якості технологічного процесу.

У зв'язку з підвищенням ролі процесу готування шлікера в управлінні якістю кінцевої продукції необхідна комплексна автоматизація розглянутого технологічного процесу на основі дослідження моделей фізичних процесів, що протікають під час виготовлення шлікера, і ефективного управління цими процесами. При цьому необхідно розглядати технологічний комплекс як систему з керованою структурою, що змінює режими роботи внаслідок цілеспрямованої зміни структури технологічного процесу або структурних збурювань. Разом з тим, світовий і вітчизняний досвід застосування автоматизованих технологій по виробництву кераміки висуває актуальні дослідницькі задачі, зв'язані з розвитком принципів створення систем управління на основі: сучасних інформаційних технологій; розробки методик і алгоритмів управління складними об'єктами; забезпечення адаптивності систем автоматизації до параметричних і структурних збурювань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до планів наукових досліджень Донецького національного технічного університету і Донбаської державної машинобудівної академії за договором про науково-технічне співробітництво, результати роботи використані при виконанні теми Д05-98 “Розвиток методів моделювання, оптимізації і управління при проектуванні виробів машинобудування” (№ДР 0198U009090).

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є підвищення ефективності процесу готування шлікера і керування його якістю за рахунок створення системи автоматизації технологічного процесу з використанням сучасних математичних методів і інформаційних технологій.

Досягнення цієї мети забезпечується рішенням наступних задач.

1. Розробка математичних моделей процесу готування шлікера і його технологічних модулів, процесів перетворення матеріальних і інформаційних потоків;

2. Моделювання технологічного процесу і процесу управління у вигляді дискретно-безупинної системи з керованою структурою;

3. Розробка і дослідження системи автоматизації управління (САУ) виготовленням шлікера (ВШ) з ідентифікацією об'єкта автоматизації і впливів, що обурюють;

4. Розробка алгоритмів роботи підсистем управління складним технологічним комплексом на основі адаптивної моделі САУ ВШ;

5. Створення програмно-технічного комплексу автоматизації технологічного процесу готування шлікера, натурні іспити і промислове впровадження окремих елементів.

Об'єкт дослідження: технологічний процес виготовлення шлікера для керамічного виробництва.

Предмет дослідження: система автоматизації технологічного процесу готування шлікера, що забезпечує якість одержуваного шлікера, підвищення продуктивності і зниження енерго- і матеріалоємності процесу.

Методологія і методи досліджень. При описі й у ході структурного аналізу предметної області дослідження використані діаграмні методики. Для моделювання елементів техпроцесу як багаторежимних об'єктів використані мережі Петрі і дискретно-безупинні мережі. При розробці САУ технологічним комплексом використана теорія автоматичного регулювання і управління. Для підвищення адаптивності САУ використані алгоритми динамічної ідентифікації об'єкта управління. При перевірці адекватності отриманих моделей і запропонованих технічних рішень використані методи імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримано результати натурних експериментів на діючих технологічних процесах виготовлення шлікера, що покладені в основу розробки математичних моделей для автоматизації управління процесом.

2. Розроблено моделі технологічних модулів процесу виготовлення шлікера і підсистем управління, які відрізняються від відомих тим, що відображають безупинний і дискретний характер функціонування і враховують властивому технологічному процесу збурюючі впливи.

3. Запропоновано систему адаптивного управління помелом компонентів шлікера на основі моделі, що настроюється, і віброакустичної діагностики стану внутрімлинового заповнення млина періодичної дії з урахуванням умов зміни шихтового складу і збурюючих впливів.

4. Розроблено алгоритми управління технологічними модулями і процесом виготовлення шлікера, які відрізняються тим, що забезпечують синхронізацію паралельних і послідовних технологічних операцій - помелу, розпуску, дозування, змішування і збагачення компонентів і суспензій.

5. Розроблено систему комплексної автоматизації процесу виготовлення шлікера з використанням отриманих моделей, алгоритмів управління і сучасних інформаційних технологій, що забезпечує керування якістю процесу виготовлення шлікера.

Таким чином, наукове значення роботи складається в розвитку теорії управління технологічними агрегатами періодичної дії в керамічному виробництві з урахуванням збурюючих впливів і невизначеності виробничої інформації.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Створено систему автоматизації процесу ВШ на основі сучасних інформаційних технологій і програмно-технічних засобів, що дозволяє підвищити продуктивність процесу, знизити витрату електроенергії і втрати вхідних компонентів, забезпечити задану якість виготовленого шлікера.

2. Отримано експериментальні залежності параметрів окремих агрегатів процесу ВШ (барабанного млина, тарілчастого живильника, стругача, пропелерної мішалки) при різних значеннях характеристик компонентів шлікера, що використовуються при виробленні керуючих впливів у локальні САУ модулями процесу ВШ.

3. Запропоновано методики: динамічної ідентифікації об'єкта управління і підсистем автоматизації управління; оптимізації шихтового складу шлікера по його собівартості при автоматизації ВШ.

4. Розроблено програмне забезпечення, бази даних для динамічної моделі процесу ВШ, що дозволяють здійснювати адаптацію САУ і технологічних агрегатів. Проведено промислові іспити апаратно-програмного комплексу.

Розроблені в дисертаційній роботі моделі і методики, результати синтезу і досліджень САУ ВШ використані: при впровадженні окремих елементів системи автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера на Слов'янському заводі високовольтних ізоляторів; при розробці технічного проекту й у ході будівництва збагачувального цеху в ЗАТ “А/т Глини Донбасу”; у навчальному процесі кафедри “Автоматизовані системи управління” Донецького національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто розроблені: математичні моделі об'єкта управління; моделі системи автоматизації технологічного процесу ВШ; структурні схеми й алгоритми роботи САУ технологічним комплексом; структура баз даних САУ; інженерні методики.

Апробація результатів роботи.

Основні розділи роботи пройшли апробацію на наступних науково-технічних конференціях: на міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології машинобудування і сучасність” (м. Севастополь, 2000 р.); на міжнародних науково-технічних конференціях “Удосконалювання процесів і устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м. Краматорськ і м. Слов'янськ, 2000 р.); на науково-практичній конференції “Економіка України на порозі третього тисячоріччя” (м. Краматорськ, 2000 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційна техніка й електромеханіка на порозі двадцять першого сторіччя” (м. Луганськ, квітень 2001 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна й обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький (Головчинці), травень 2001 р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні й енергетичні технології життєзабезпечення людини” (м. Чернівці, червень 2001 р.).

Робота в цілому і її окремі розділи пройшли апробацію на технічних радах заводу високовольтних ізоляторів (м. Слов'янськ) і Науково-дослідного інституту експериментальної кераміки “Кераммаш” (м. Слов'янськ), на семінарах кафедр “Автоматизовані системи керування”, “Автоматика і телекомунікації” (Донецький національний технічний університет) і розширеному семінарі кафедр факультету “Комп'ютерні інформаційні технології й автоматика” Донецького національного технічного університету.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 8-ми друкованих працях у наукових виданнях і в 1-й тезі доповіді на конференції.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить: вступ; п'ять розділів основної частини; висновок; список використаних літературних джерел; додатки. Дисертаційний рукопис представлений на 147 сторінках основного тексту, малюнків - 52, таблиць - 12, бібліографічних джерел - 122, додатків - 7 на 43 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Вступ відображає актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, ціль і задачі досліджень, методи досліджень, наукову новизну отриманих результатів, практичну значимість роботи, особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації.

У першому розділі проведені аналіз і дослідження стану керамічного виробництва (КВ) у світі і на Україні, визначені напрямки розвитку і роль КВ як генеруючої галузі для промисловості України, і Донбасу зокрема. Проаналізовано основні технологічні процеси КВ, визначені місце і роль процесу виготовлення шлікера як базовий з погляду керування якістю керамічних виробів у зв'язку з істотним впливом тонкості помелу і гранулометричного складу сумішей та суспензій, вологості, в'язкості і рівномірності розподілу фракцій по об'єму виготовленого шлікера на наступні технологічні процеси - підготовку керамічної маси, формування, хімічні і фізичні процеси при сушінні і випалі. Проведено аналіз і виявлені недоліки сучасного рівня автоматизації ВШ. Істотний внесок у теоретичні і практичні дослідження в галузі технології кераміки й автоматизації технологічних процесів КВ внесли вчені Байсоголов В.Г., Булавін І.А., Гак Б.Н., Галкін П.І., Леное Є.М., Мороз І.І., Ріттінгер У., Стрелов К.К., Уорелл Б., Утеуш З.В., Янагіда Х. і інші. На основі аналізу підходів до автоматизації процесів КВ, рівня наукових досліджень в галузі технології кераміки, що існує досвіду автоматизації процесу ВШ визначені напрямки досліджень.

В другому розділі проведений системний аналіз предметної області дослідження за допомогою діаграмних методик, технічні вимоги до функціонування технологічного процесу виготовлення лікеру в умовах керамічного підприємства. Виконано декомпозицію процесу ВШ на технологічні модулі, схема взаємодії яких приведена на малюнку 1. Отримана схема дозволила виділити найбільш істотний з погляду продуктивності процесу і керування якістю шлікера і керамічної продукції - процес тонкого помелу компонентів у барабанних млинах періодичної дії з тілами, що мелють, (МТ). Розроблено математичну модель помелу відповідно до розрахункової схеми, наведеної. Кут відриву внутрімлинового заповнення від поверхні барабана визначається в такий спосіб:

, ,

де - внутрішній радіус барабана млина; - внутрішній радіус внутрімлинового заповнення; - приведений радіус; - швидкість обертання барабана млина; - прискорення вільного падіння. При цьому критична швидкість обертання барабана, при досягненні якої продуктивність наближається до нуля:

.

Число циркуляцій шарового заповнення за один оберт барабана складає:

,

де - час помелу; - період повороту барабана; - кут відриву внутрімлинового заповнення. Таким чином, при досягненні швидкості менш критичної величини, продуктивність помелу підвищується за рахунок збільшення числа ударів МТ по частках вхідних компонентів, збільшення нормальної складової швидкості падіння МТ і енергії удару. Однак позитивний ефект від зміни швидкості обертання барабана спостерігається лише у визначених межах, що залежать від ряду параметрів процесу. Ефективний діапазон регулювання швидкості складає не більш 35% .

Млин розглянутий як багатомірна система з урахуванням різноманіття фізичних процесів, що протікають, і циклічності роботи, визначені вхідні, вихідні сигнали і змінні стану. Процес помелу вхідних компонентів у млині визначений рівнянням:

,

де - вага залишку великого класу в момент від початку циклу помелу; - вага вихідного великого класу, що надійшов на помел у даному циклі; - нестаціонарний коефіцієнт, обумовлений завданням на тонкість помелу й умовами помелу; - нестаціонарний коефіцієнт, що залежить переважно від властивостей вхідних компонентів. Проведено експериментальні дослідження параметрів і закономірностей процесу тонкого помелу компонентів шлікера, отримані регресійні залежності продуктивності від різних факторів, загальною характеристикою яких є вираз для часу помелу:

де - задана тонкість помелу; - коефіцієнт внутрімлинового заповнення; - вологість маси; - умови тертя МТ; - стан МТ (у тому числі співвідношення матеріал /МТ, загальна поверхня кульового навантаження, гранулометричний склад і т.і.); - конструктивні характеристики млина. За результатами дослідження обґрунтована необхідність регулювання швидкості обертання барабана млина з умов досягнення стану внутрімлинового заповнення (СВЗ), близького до оптимального. Непрямою характеристикою СВЗ у процесі циклу помелу є доступний для спостереження віброакустичний сигнал (ВАС) від барабана млина. Обґрунтовані найбільш інформативні діагностичні ознаки ВАС - інтегральна амплітуда ВАС і домінуюча частота. Відповідно до нелінійності характеристик млина запропонована структурна схема адаптивної САУ помелом з динамічною моделлю процесу.

Для спрощення математичної моделі млина проведена лінеаризація. У ході експериментального визначення динамічних характеристик млина K/TN-24 отримана передатна функція каналу “швидкість барабана - СВЗ” у наступному вигляді:

,

де й істотно залежать від параметрів функції (4). Передатна функція каналу “СВЗ - тонкість помелу” отримана в наступному вигляді:

,

 де істотно залежить від характеристик вхідних компонентів та параметрів помелу і складає від 115 до 630 і більш хв-1. Такий аперіодичний вигляд розглянутих ланок характерний і для інших барабанних млинів періодичної дії. Показано, що особливості функціонування технологічного комплексу процесу ВШ (високий ступінь невизначеності в системі, неможливість спостереження деяких параметрів процесу, параметричні і структурні збурювання) вимагають динамічної ідентифікації ланок САУ і завад для перебудови моделей процесу, для чого розроблена відповідна методика на основі регресійного аналізу.

У третьому розділі показано, що процес ВШ може бути віднесений до класу дискретних техпроцесів, тому що в його склад входять багаторежимні об'єкти (бункери, дозатори, млини періодичної дії, мішалки і т.д.). Однак для ефективного й оптимального управління цим процесом необхідно враховувати динаміку змін параметрів технологічних об'єктів між переходами з одного режиму в іншій.

Для перевірки правильності функціонування елементів і виконливості виробничих завдань при різних режимах роботи підсистем розроблені дискретно-безупинні мережі (ДБ-мережі), які є логічним розвитком мереж Петрі. Наведені відповідні схеми і фрагменти мереж на прикладі технологічного модуля помелу. Аналіз ДБ-мереж дозволив досліджувати досяжність маркірувань, активність мереж, можливість повернення в початковий або базовий стан, стабільність (безконфліктність у роботі). Динаміка отриманих ДБ-мереж у просторі станів (переміщення по дереву маркірувань, починаючи з маркірування , яка характеризує, наприклад для модуля помелу, початковий стан устаткування) описується наступним рекурентним рівнянням:

, ,

де - стан, у який модуль переходить після стану в результаті -го керуючого впливу ; - керуючий вектор, елементи якого керують спрацьовуванням переходів (для модуля помелу - переходів , , ); - матриця інцидентності; - вектор, компоненти якого описують надходження міток від зовнішнього джерела (САУ чи диспетчера) у відповідні позиції (для модуля помелу - у позиції , ,).

Побудовані в такий спосіб графи операцій дозволили визначити алгоритми функціонування і управління технологічними модулями процесу ВШ. На прикладі модуля помелу відповідний алгоритм наведений. Логічні функції, при виконанні яких змінюється режим роботи агрегатів, мають наступний вигляд:

,

Тут - керуючі сигнали для запуску-відключення агрегатів, - технічні умови зміни стану агрегатів. Так, при розгляді модуля помелу як вузла рівня технічні умови мають наступний вигляд: , , , . За результатами аналогічного дослідження функціонування і управління іншими технологічними модулями, на основі отриманих графів операцій і розроблених алгоритмів отримані кінцеві автомати для управління дискретними агрегатами системи автоматизації і технологічного комплексу процесу ВШ. Безупинна частина ДБ-мереж разом з розробленими математичними моделями безупинних процесів дозволила здійснити моделювання технологічного процесу і здійснити безупинне управління його ходом. Запропоновано окремі технічні рішення для розробки локальних САУ в технологічних модулях процесу ПШ. Дозавантаженням тіл, що мелють, у млин при кожнім циклі помелу запропоновано керувати на основі визначення стану МТ по діагностичних ознаках ВАС при контрольному обертанні барабана зі злитою суспензією.

Визначено кількісну оцінку якості ВШ, що забезпечується шляхом ефективного управління основними технологічними агрегатами з забезпеченням критерію якості у вигляді:

,

де - момент закінчення операції; і - енергія і матеріали, затрачувані на операцію; і - відносні вартості енергоносіїв і матеріалів у визначений період часу. Для забезпечення якості шлікера поставлена і вирішена з використанням алгоритмів лінійного програмування задача оптимізації виготовлення шлікера заданого шихтового складу з мінімальною собівартістю вихідних компонентів, що дозволило в 92% випадків одержати менші значення собівартості сумішей, ніж при рішенні оптимізаційних задач у ручному режимі (методом експертних оцінок).

Управління властивостями кінцевого продукту в каналі “завдання на якість шлікера - якість шлікера” в умовах багатомірності керованого процесу запропоновано здійснювати з використанням САУ на базі моделей процесу, що перебудовуються, підсистеми логічного управління і бази даних про передісторію процесу ВШ і алгоритми управління. Верхній рівень САУ формує вектор керуючих впливів для локальних регуляторів і вектор дискретних сигналів для переключення режимів роботи агрегатів. Впливи формуються по алгоритму, представленому у вигляді операторної моделі:

,

де - вектор завдань на одержання продукції; - фізико-хімічні характеристики отриманої продукції в поточному циклі процесу ВШ; - критерій якості процесу ВШ; - виробнича інформація і дані про передісторію процесу; - матриця керуючих впливів; - оператор адаптації моделі процесу; - оператор вибору алгоритму управління; - оператор, що описує вироблення на основі адаптивної моделі, обраного алгоритму і додаткових даних.

У четвертому розділі визначені вимоги до системи автоматизації процесу ВШ, що повинна забезпечувати: управління млинами тонкого помелу з забезпеченням ефективного режиму помелу, малого зносу тіл, що мелють, і футеровки, зниження енергоспоживання і збільшення продуктивності; управління транспортуванням, дозуванням і живленням при завантаженні млинів періодичної дії з підвищенням продуктивності підсистем, зниженням втрат матеріалів і забезпечення точності дозування; управління перекачуванням, сепарацією, збагаченням і змішуванням суспензій кам'янистих і глинистих матеріалів із забезпеченням заданої якості і підтримкою об'ємного фракційного складу шлікера, із забезпеченням заданої продуктивності, зниженням утрат вихідних компонентів і енерговитрат. На основі розроблених моделей і алгоритмів управління запропонована САУ ВШ у вигляді багатомірної системи, у якій властивості вхідних компонентів для готування шлікера послідовно перетворяться в кожнім технологічному модулі. Вихід системи визначається керуючими впливами, збурюючими впливами і завадами відповідно до виразу:

,

На прикладі технологічного модуля помелу як складової частини загальної системи автоматизації відповідно до (11) докладно досліджена підсистема САУ помелом, структурна схема якої наведена, а математична модель представлена у вигляді:

,

,

де являють собою внесок у результуючі властивості одержуваної суспензії відповідно керуючого сигналу у вигляді швидкості обертання барабана, збурюючих впливів у вигляді вектора властивостей вхідних компонентів, завад у вигляді вектора умов проведення помелу. Індекси в позначеннях відповідають положенню локальної підсистеми САУ помелом у загальній САУ процесу ВШ. Показано, що властивістю, яка істотно змінюється в ході помелу, є гранулометричний склад компонентів, і в зв'язку з цим прийняте допущення про відсутність багатозв'язковості в підсистемі. Керуючий сигнал визначається завданням-вектором на якість шлікера (для модуля помелу - на тонкість помелу вхідних компонентів). При визначенні завдання використовуються і - оцінки завад і результату перетворення модуля (для модуля помелу - результати лабораторного аналізу і ВАС).

Досліджено завади, що виникають у каналах управління і зворотних зв'язків САУ ВШ, запропоновані методики компенсації їхнього впливу. Передатні функції ланок САУ ПШ запропоновано апроксимувати функціями аперіодичних ланок першого і другого порядків, а присутні в системі збурювання - нормальними марківсьскими процесами або стаціонарними випадковими процесами з прихованою періодичністю.

У ході імітаційного моделювання з використанням пакета MatLAB і спеціалізованого програмного забезпечення отримані перехідні процеси підсистеми помелу як типової підсистеми САУ ВШ.

У п'ятому розділі наведена технічна реалізація системи автоматизації технологічного процесу ВШ, що містить у собі: інтеграцію в більшість технологічних агрегатів засобів виміру, керуючих та регулюючих пристроїв; організацію локальних САУ окремими модулями процесу ВШ і інформаційно-вимірювальної системи техпроцесу; побудова верхнього рівня САУ ВШ на основі засобів обчислювальної техніки і координацію функціонування локальних САУ шляхом організації підсистеми логічного управління; зв'язок з рівнем управління масштабу підприємства. Описано методику програмної реалізації функціонування компонентів САУ ВШ, методика і результати експериментальних досліджень компонентів, які показали: збільшення швидкості завантаження дозаторів на 20,5% і точності дозування компонентів у 1,6 рази; скорочення часу помелу на 21%; зменшення витрати тіл, що мелють, на 12%, і енергоспоживання на 23%; зменшення розбіжності величини залишку на ситі після проходження суспензії в 1,4 рази. Виконано узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень, проведених у даній роботі. Визначено джерела економічної ефективності впровадження компонентів САУ ВШ на дільницях готування шлікера керамічних підприємств, а також напрямки подальших досліджень.

Висновок

У дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера для керамічного виробництва з використанням сучасних математичних методів і інформаційних технологій. Розроблено адаптивна САУ ВШ, алгоритми управління елементами процесу і процесом виготовлення шлікера в цілому як системи з керованою структурою. Отримані наукові результати і запропоновані технічні рішення дозволяють підвищити продуктивність, здійснити енерго- і ресурсозбереження, забезпечити необхідну якість шлікера і, у кінцевому рахунку, зниження браку керамічних виробів.

За результатами роботи зроблені наступні основні висновки.

1. Обґрунтовано актуальність розвитку керамічного виробництва як однієї з перспективних галузей, що генерують розвиток супутніх виробництв. Встановлено особливості функціонування елементів процесу ПШ для КП, що дозволили досліджувати параметри окремих агрегатів технологічного комплексу і всього техпроцесу як об'єктів автоматизації і управління.

2. Розроблені математичні моделі підпроцесу тонкого помелу компонентів шлікера в барабанних млинах з тілами, що мелють, а також проведені експериментальні дослідження дозволили виявити найбільш істотний з погляду забезпечення якості шлікера і керамічних виробів технологічний модуль помелу вихідних компонентів, обґрунтувати необхідність управління швидкістю обертання барабана по відхиленню діагностичних параметрів віброакустичного сигналу для компенсації збурюючих впливів у млині.

3. Експериментальне вивчення впливу різних факторів на процес помелу дозволило одержати регресійні залежності параметрів роботи модуля, загальною характеристикою яких є залежність тонкості помелу і продуктивності від СВЗ (коефіцієнта внутрімлинового заповнення, вологості маси, умов тертя тіл, що мелють, стану тіл, що мелють, (у тому числі співвідношення компоненти шлікера / МТ, загальної поверхні кульового навантаження, гранулометричного складу і т.д.), конструктивних характеристик млина, характеристик вихідних компонентів).

4. Проведено структурний аналіз технологічного процесу і досліджена система автоматизації. Розроблено математичні моделі функціонування технологічних модулів, у тому числі графи операцій у вигляді мереж Петрі і дискретно-безупинних мереж, що дозволили одержати кінцеві автомати для керування переходами станів технологічних агрегатів у ході ВШ.

5. Запропоновано методи управління окремими модулями процесу ВШ (живленням, помелом, дозавантаженням МТ, розпуском, змішанням), розроблені структурні схеми локальних САУ, визначені експериментальні залежності параметрів модулів і алгоритми управління, розроблене апаратне і програмне забезпечення локальних САУ.

6. На основі отриманих моделей, алгоритмів функціонування і управління, баз даних розроблена і реалізована адаптивна САУ ВШ із використанням інформаційних технологій, яка здійснює динамічну ідентифікацію об'єкта управління і збурюючих впливів, а також забезпечує якість функціонування технологічного процесу. Проведено імітаційне моделювання функціонування елементів процесу ПШ як дискретно-безупинних систем з використанням розроблених моделей. Розроблено структуру баз даних для адаптивної моделі процесу.

7. Промислові іспити розроблених на основі отриманих моделей і запропонованих методів автоматизації технологічних модулів процесу ВШ і їхнє впровадження показали наступне: у ході автоматизації точність дозування збільшена в 1,6 рази; швидкість завантаження дозаторів сипучих матеріалів збільшена на 20,5%, час помелу при використанні САУ скорочений на 21%; енергоспоживання зменшене на 23%; розбіжність величини залишку на ситі №0063 після проходження суспензії зменшена у середньому в 1,4 рази; знос тіл, що мелють, зменшений на 12%.

8. Розроблені методики, апаратно-програмні засоби і компоненти САУ ВШ упроваджені на ділянці виготовлення керамічної маси Слов'янського заводу високовольтних ізоляторів, використані при розробці технічного проекту й у ході будівництва збагачувального цеху в ЗАТ “А/т Глини Донбасу”, у навчальному процесі кафедри “Автоматизовані системи управління” Донецького національного технічного університету, що підтверджено відповідними актами. Очікуваний річний економічний ефект складає 1,34% від вартості напівфабрикату, що виготовляється.

По темі дисертації опубліковані наступні роботи

1. Сагайда И.М., Левит В.В., Сагайда П.И. Интеллектуальная система автоматизированного управления технологическим комплексом подготовки керамической массы // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов, вып. 13. - Донецк: ДонГТУ, 2000. Вып. 13. - С. 148-152.

2. Сагайда И.М., Левит В.В. Современные принципы автоматического управления процессами прессования в технологическом комплексе приготовления керамической массы // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Краматорськ, 2000. - С. 450-452.

3. Сагайда П.И., Левит В.В. Современные информационные технологии в автоматизации управления процессами обработки давлением // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у металургії і машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Краматорськ-Слов'янськ, 2000. - С. 320-323.

4. Левит В.В. Интеллектуальная система управления технологическим комплексом керамического производства с использованием современных технологий // Наук. пр. Донецького державного технічного університету. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація, вип. 20 - Донецьк: ДонДТУ, 2000. - С. 67-74.

5. Левит В.В., Сагайда П.И. Динамическая идентификация объекта управления и возмущающих воздействий в системах автоматизации технологических процессов // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. пр. - Краматорськ, 2001. - С. 167-172.

6. Левит В.В. Автоматизация технологического процесса приготовления шликера как объекта с управляемой структурой // Зб. тез та докладів за результатами МНТК “Перспективи розвитку гірнорудної, вуглевидобувної й збагачювальної галузей промисловості” - Краматорськ, 2001. - С. 54-55.

7. Левит В.В. Система автоматизации технологического процесса приготовления смесей и шликеров для керамического производства // Наук. пр. Донецького державного технічного університету. Серія: обчислювальна техніка та автоматизація, вип. 25. - Донецьк: ДонДТУ, 2001. - С. 78-84.

8. Левит В.В. Разработка и исследование модели САУ ТП приготовления шликера для керамического производства // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: зб. наук. пр. №8. - Хмельницький, 2001. - С. 475-479.

9. Левит В.В. Модели и методы автоматизации процесса приготовления шликера // Сучасні інформаційні та енергетичні технології життєзабезпечення людини: зб. наук. пр., вип. 9. - Київ: ФАДА ЛТД, 2001. - С. 347-350.

Анотація

Левіт В.В. “Система автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера для керамічного виробництва”. - Рукопис.

Дисертація на змагання ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.07 - “Автоматизація технологічних процесів”. Донецький національний технічний університет, м. Донецьк, 2001.

На основі експериментальних і теоретичних досліджень у роботі вирішена актуальна науково-технічна задача автоматизації технологічного процесу виготовлення шлікера (ВШ) для керамічного виробництва на основі сучасних математичних методів і інформаційних технологій. Процес ВШ визначений як базовий з погляду управління якістю керамічних виробів, а технологічний модуль (ТМ) помелу розглянутий як типовий модуль, що визначає якість шлікера. Отримано математичні моделі, побудовані графи операцій і розроблені алгоритми функціонування й управління ТМ. Створено адаптивна САУ ВШ, розроблені алгоритми управління технологічними модулями і процесу готування шлікера як системи з керованою структурою. Отримані наукові результати і запропоновані технічні рішення дозволяють підвищити продуктивність технологічних агрегатів, здійснити енерго- і ресурсозбереження, підвищити якість процесу ВШ, забезпечити необхідна якість шликера і, у кінцевому рахунку, знизити брак керамічних виробів.

Ключові слова: технологічний процес готування шлікера, барабанний млин періодичної дії, система автоматизації управління, віброакустичний сигнал, математична модель, ідентифікація, мережа Петрі, дискретно-безупинна мережа, алгоритм управління, адаптивність.

Аннотация

Левит В.В. “Система автоматизации технологического процесса приготовления шликера для керамического производства”. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - “Автоматизация технологических процессов”. Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, 2001.

На основании экспериментальных и теоретических исследований в работе решена актуальная научно-техническая задача автоматизации технологического процесса приготовления шликера (ПШ) для керамического производства на основе современных математических методов и информационных технологий. Процесс ПШ определен как базовый с точки зрения управления качеством керамических изделий, а технологический модуль (ТМ) помола рассмотрен в качестве типового модуля, определяющего качество шликера. Получены математические модели, построены графы операций и разработаны алгоритмы функционирования и управления ТМ. Создана адаптивная САУ ПШ, разработаны алгоритмы управления технологическими модулями и процесса приготовления шликера как системы с управляемой структурой. Полученные научные результаты и предложенные технические решения позволяют повысить производительность технологических агрегатов, осуществить энерго- и ресурсосбережение, повысить качество процесса ПШ, обеспечить требуемое качество шликера и, в конечном счете, снизить брак керамических изделий.

В работе решены следующие задачи.

1. Получены экспериментальные зависимости и разработаны новые регрессионные модели функционирования основных технологических модулей, в том числе модуля помола компонентов шликера в барабанных мельницах с мелющими телами. Разработанные модели позволили определить управляемый (скорость вращения барабана) и информационные (параметры виброакустического сигнала) параметры подпроцесса, а также алгоритм управления мельницей.

2. Разработана новая модель технологического процесса ПШ в виде дискретно-непрерывных сетей, интегрирующая физические модели протекающих подпроцессов и модели переходов состояний элементов процесса ПШ как многорежимных объектов.

3. Разработана и реализована система автоматизации процесса ПШ на основе современных программно-технических средств, позволяющая повысить производительность процесса, снизить потери исходных компонентов и улучшить качество приготовляемого шликера.

4. Предложены инженерные методики для проектирования и моделирования компонентов САУ технологическими процессами, разработано аппаратное и программное обеспечение САУ ПШ, проведены экспериментальные исследования и выполнено промышленное внедрение отдельных элементов САУ. Доказана эффективность разработанных моделей и предложенных технических решений, сходимость теоретических и экспериментальных результатов.

Ключевые слова: технологический процесс приготовления шликера, барабанная мельница периодического действия, система автоматизации управления, виброакустический сигнал, математическая модель, идентификация, сеть Петри, дискретно-непрерывная сеть, алгоритм управления, адаптивность.

Annotation

Levit V.V. “System of automation of technological process of preparation shliker for ceramic manufacture”. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.13.07 - “Automation of technological processes”. Donetsk national technical university, Donetsk, 2001.

On the basis of experimental and theoretical researches in work the urgent scientific and technical task of automation of technological process of preparation shliker (PS) for ceramic manufacture is solved on the basis of modern mathematical methods and information technologies. The process PS is determined as base from the point of view of quality control of ceramic products, and the technological module (ТМ) of mill is considered as the typical module determining quality shliker. The mathematical models are received, the columns of operations are constructed and the algorithms of functioning and control ТМ are developed. Is created adaptive system automation control of PS, the algorithms of control of technological modules and process of preparation shliker as systems with controlled structure are developed. The received scientific results and offered technical decisions allow to increase productivity of technological units, to carry out and saving resources and energy, to increase quality of process PS, to ensure required quality shliker and, at the end, to lower a spoilage of ceramic products.

Key words: technological process of preparation shliker, drum-type mill of periodic action, system of automation of control, signal of vibration, mathematical model, identification, network Petri, discrete - continuous network, algorithm of control, adaptation.

Размещено на Allbest.ru