Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет ІМЕНІ Володимира Даля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація процесів керування

Автоматизована система керування процесами згущення шламових вод і освітлення відходів флотації в радіальному згущувачі

Письменський Олексій В'ячеславович

Луганськ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України на кафедрі системної інженерії .

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України

Ульшин Віталій Олександрович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ, завідувач кафедри системної інженерії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Качан Юрій Григорович, Запорізька державна інженерна академія, м. Запоріжжя, завідувач кафедри енергетичного менеджменту;

доктор технічних наук, доцент Погорелов Олег Олексійович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, м. Луганськ, професор кафедри комп'ютерних наук.

Захист дисертації відбудеться «7» грудня 2011 р. о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К29.051.13 в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а, корпус 12, ауд. 224.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, квартал Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий «___» _________ 201_ р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К29.051.13, д.т.н., доц. В.М. Смолій

1. Загальна характеристика роботи

управління згущення автоматизований програмний

Актуальність теми. Якість збагачення вугілля істотно залежить від функціонування водно-шламової системи збагачувальної фабрики, оскільки вихід і зольність продуктів збагачення погіршуються при нестабільному вмісті твердої фази в оборотній воді і щільності пульпи. Останнім часом спостерігається збільшення шламоутворення на збагачувальних фабриках, що обумовлене підвищенням вмісту дрібних класів у зв'язку із зростанням комбайнової здобичі і процесами переробки вугілля. Навантаження на водно-шламовий комплекс може складати до 25% від загального об'єму збагачуваного вугілля.

Найчастіше для цілей згущення і освітлення шламів використовують радіальні згущувачі. В результаті згущення і освітлення шламів отримують оборотну воду, яку використовують в гравітаційних процесах збагачення, і згущений продукт, який направляється на подальшу переробку або виводиться за межі фабрики. Замкнутий цикл, що використовують у вуглезбагаченні, накладає особливі вимоги до якості розділення в згущувачі, від якого залежать ефективність операцій збагачення і зниження втрат води фабрикою.

Аналіз систем автоматизації процесів згущення і освітлення шламів показав, що існуючі системи не забезпечують задану якість оборотної води і згущеного продукту, оскільки в злив потрапляє значна кількість твердої фази, щільність згущеного продукту має велику дисперсію, збільшується витрата дорогих флокулянтів і води з відходами. Це обумовлено відсутністю системності при автоматизації процесів (обліку при дозуванні флокулянту вмісту твердої фази в зливі, рівня осаду і ін.), недостатньою ефективністю методів управління і точністю моделей, що використовуються, неможливістю адаптації систем автоматичного керування до нестаціонарних параметрів об'єкту і збурень, а також неповною інформацією про технологічний процес, що знижує ефективність керування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана в рамках науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за темою ДН-21-02 «Кібернетична модель системи управління складними об'єктами з великим запізненням і нестаціонарними параметрами в умовах змішаної невизначеності (на прикладі вуглезбагачувального виробництва)» (№ ДР 0102U002222), по темі ДН-10-05 «Субоптимальне управління нестаціонарними багатоканальними об'єктами з великим запізнюванням на базі предикторних алгоритмів» (№ ДР 0105U000255).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності процесу згущення шламових вод і освітлення відходів флотації в радіальному згущувачі шляхом розробки автоматизованої системи керування, яка поліпшує якість розділення в збагачувальних апаратах і знижує втрати горючої маси з відходами збагачення, води із замкнутого циклу, а також шкідливі викиди в навколишнє середовище.

Досягнення поставленої мети передбачає розв'язання таких наступних задач:

1. Уточнення математичної моделі процесу осадження шламу як об'єкту автоматичного керування.

2. Статистичний аналіз збурюючих дій.

3. Розробка методу автоматичного керування процесами згущення шламових вод і освітлення відходів флотації.

4. Синтез системи автоматичного керування процесом згущення і освітлення шламу.

5. Розробка автоматизованої системи керування процесом згущення шламових вод і освітлення відходів флотації на основі scada-технології.

Об'єкт дослідження - технологічні процеси згущення і освітлення пульпи в радіальному згущувачі.

Предмет дослідження - автоматизована система керування процесом згущення і освітлення шламу в радіальному згущувачі.

Методи дослідження. При дослідженнях використані методи теорії автоматичного керування, методи синтезу лінійних дискретних оптимальних систем автоматичного керування при неповній інформації, теорії вірогідності і математичної статистики. При оцінці впливу збурень і їх характеристик використані методи теорії випадкових функцій. При розробці автоматизованого робочого місця оператора використані сучасні методи SCADA-технологїї.

Наукова новизна одержаних результатів

Уточнена математична модель процесів згущення і освітлення шламу як об'єкту автоматичного керування, яка на відміну від тих, що існують, враховує зміни вмісту твердої фази в пульпі по висоті згущувача і її характеристик, що впливають на параметри моделі, а також отримані аналітичні залежності щільності згущеного продукту від його витрати, щільності зливу від витрати флокулянту і рівня згущеного продукту від навантаження по твердій фазі, завдяки чому підвищується її точність.

Вперше запропонований метод автоматичного керування радіальним згущувачем, в якому використовується стабілізація рівня згущеного продукту зміною початкового навантаження, введена корекція заданої щільності згущеного продукту пропорційно щільності зливу, а також компенсація зміни навантаження на вході процесу пропорційною витратою флокулянта і його дозування за відхиленням щільності зливу від завдання. Завдяки цьому знижується дисперсія і підвищується точність стабілізації заданої щільності згущеного продукту і зливу, знижуються витрати флокулянту і, як наслідок, поліпшується якість роботи процесів збагачення.

Вперше синтезована цифрова система адаптивного автоматичного керування процесом згущення і освітлення шламу на основі принципу стохастичної еквівалентності і відновлення динамічних параметрів об'єкту за спостереженнями, завдяки чому забезпечується задана якість регулювання.

Практичне значення отриманих результатів

1. Запропонований метод автоматичного керування процесом згущення і освітлення шламу дозволяє підвищити точність керування і, як наслідок, загальну ефективність процесів збагачення і може бути використаний для автоматизації інших існуючих і перспективних апаратів подібного призначення.

2. Методика ідентифікації параметрів об'єкту в процесі нормального функціонування дозволяє виконувати адаптацію системи при нестаціонарних параметрах об'єкту і стохастичних збуреннях, що підвищує точність підтримки щільності згущеного продукту і зливу.

3. Автоматизована система керування процесом згущення шламових вод і освітлення відходів флотації на основі scada-технології дозволяє виконувати моніторинг і централізоване дистанційне керування процесами з автоматизованого робочого місця оператора.

4. Результати наукових і практичних досліджень дисертаційної роботи, алгоритми й програмне забезпечення системи автоматизації захищені патентом на спосіб управління процесом згущення, прийняті до використання науково-дослідним проектно-конструкторським інститутом «Іскра», ТОВ науково-виробничим підприємством «Арікон», а також в навчальному процесі кафедри «Системна інженерія» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля в курсах лекцій «Теорія автоматичного керування», «Оптимальні системи», «Адаптивні системи управління» і «SCADA-системи в управлінні» за напрямом підготовки 6.050201 «Системна інженерія», що підтверджується відповідними актами про впровадження результатів дисертаційної роботи.

5. Очікуваний економічний ефект від впровадження системи на згущувачі за рахунок збільшення виходу концентрату на 0,1%, зниження витрат флокулянту на 32% і споживання води на 10% при річній продуктивності збагачувальної фабрики близько 600 тис. т складає за 5 років 471,4 тис. грн. з терміном окупності 4 місяці.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на: VII міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон” (Луганськ, 5-6 грудня 2001); VIII міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон” (Луганськ, 25-26 грудня 2002); IX міжнародна науково-практична конференція “Університет і регіон” (Луганськ, 10-12 грудня 2003); міжнародна науково-технічна конференція “Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі” (Кривий Ріг, 2006); міжнародна науково-практична конференція „Університетська наука 2008” (Луганськ, 23-26 квітня 2008); міжнародна науково-практична конференція аспірантів і студентів “Інженерія програмного забезпечення 2010” (Київ, 13-15 вересня 2010); X международная научно-техническая конференция “Горная энергомеханика и автоматика” (Донецк, 23-25 ноября 2010); міжнародна науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених (вебінар) (Луганськ, 22-23 грудня 2010).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 20 друкованих роботах, з них 13 - в спеціалізованих виданнях ВАК України, 1 патенті Україні на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, основних висновків, списку використаних джерел із 129 найменувань, 8 додатків на 38 сторінках. Повний обсяг дисертації становить 175 сторінок, у тому числі 54 рисунки і 12 таблиць.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, указано на зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження, визначені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, наведені дані про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації і публікації.

У першому розділі виконаний аналіз стану питання, сформульовані мета і завдання дослідження існуючих методів і систем автоматичного керування процесами згущення і освітлення шламу.

У результаті аналізу діючих і перспективних технологічних схем згущення і освітлення шламу запропонована типова схема, що включає найбільш часто використовувані варіанти компоновки апаратів, що дозволяє використовувати уніфіковану систему автоматизованого керування у повному складі або окремі модулі.

Дослідженнями існуючих систем автоматичного і автоматизованого керування процесами згущення і освітлення шламу, встановлено, що вони мають обмежені функціональні можливості, не враховують зміни параметрів об'єкту в процесі функціонування, реалізовані на морально застарілій елементній базі, не інтегровані в автоматизовану систему керування підприємством, внаслідок чого не забезпечується необхідна якість кінцевих продуктів і знижується ефективність розділення в збагачувальних апаратах. Аналіз відомих методів автоматичного керування процесом згущення показав, що вони не забезпечують необхідну якість, оскільки не використовують всіх можливих каналів регулювання, що корелюються з регульованими координатами.

Вживані в системах автоматизації контролери мають низьку продуктивність і не підтримують стандарт Microsoft ОРС, який необхідний для інтеграції з сучасними апаратними засобами і системами диспетчерського керування і збору даних, такими як SCADA-системи.

Аналіз існуючих моделей радіального згущувача показав, що вони в більшості випадків описують фізичні процеси осадження твердих частинок, необхідні для вибору раціональних параметрів конструкції апарату і не можуть бути використані як моделі для синтезу системи автоматичного керування.

Другий розділ присвячений розробці функціональних і технічних вимог до системи автоматизованого керування, уточненню і дослідженню математичної моделі об'єкту управління з урахуванням нестаціонарних параметрів, статистичному аналізу збурюючих дій, розробці методу автоматичного керування процесами згущення шламових вод і освітлення відходів флотації.

При уточненні математичної моделі об'єкту керування прийнята декомпозиція зон осадження в згущувачі безперервної дії (рис. 1).

Рис. 1 Розподіл зон осадження в радіальному згущувачі: I, II, III, IV - відповідно зони освітленої рідини, живлення, осадження, ущільнення; h1, h2, h3, h4 - відповідно висоти зон I, II, III, IV

У зоні ущільнення осаду (зона IV) відбувається різке підвищення вмісту твердої фази, що веде до істотного зниження швидкості осадження. Для даної зони математичні моделі, в яких швидкість осадження є функцією концентрації флокулянту, не відповідають реальним процесам, оскільки вплив зміни концентрації флокулянту на швидкість осадження у даній зоні малий в порівнянні із вмістом твердої фази. Тому запропоноване математичне описання для даної зони враховує як гранулометричний склад пульпи, так і зміну концентрації пульпи по висоті, через розгляд швидкості осадження як функції вмісту твердої фази .

Нижче наведені лінеаризовані рівняння стаціонарного режиму для кожної зони (зірочкою позначені стаціонарні значення параметрів, а відхилення від цих значень - і так далі).

Зона IV:

. (1)

. (2)

Сумісне рішення (1) і (2):

, (3)

; ; ; ;

; ; ;

; ; ,

де - витрата згущеного продукту (основний регулюючий параметр); - швидкість осадження в зоні; - площа згущувача, м2; - концентрація флокулянту, г/м3; _ час руху від до (), год; - щільність твердої фази в пульпі, кг/м3; - сила («тиск»), що діє в зоні.

Зона III:

, (4)

де .

Зона II:

. (5)

; ; ;

; .

де -

кількість початкової пульпи (навантаження), кг/ч; - відповідно витрата і вміст твердої фази в початковій пульпі (живленні), м3/ч, кг/м3; - витрата флокулянту, м3/ч; .

Зона I:

. (6)

де - витрата зливу, м3/ч.

Сумісне вирішення рівнянь записане у вигляді зображень Лапласа:

· вміст твердої фази в згущеному продукті

(7)

· вміст твердої фази в зливі

(8)

де ;

· рівень згущеного продукту

(9)

де .

Дослідженнями моделі встановлено, що параметри моделі згущувача є нестаціонарними: стала часу залежить від вмісту твердої фази в початковому живленні, витрат флокулянту і змінюється в межах 40%; коефіцієнт підсилення окрім означених чинників залежить від витрат згущеного продукту та зливу і змінюється в межах 50%. Для синтезу системи автоматичного керування при випадкових діях виконаний статистичний аналіз збурень, в результаті якого визначений закон розподілу шуму об'єкту і його характеристики, отримані рівняння регресії вхідних і вихідних координат, а також ступінь їх кореляції.

Дослідження показали, що найбільший кореляційний зв'язок має місце між: витратою згущеного продукту - змістом твердої фази в згущеному продукті (для згущувача відходів флотації і шламових вод коефіцієнти кореляції відповідно К= - 0,81 і К=-0,56), витратою флокулянта - змістом твердої фази в зливі (К= -0,58). Зі збурюючих дій найбільший вплив на згущений продукт і вміст твердої фази в зливі надає вміст твердої фази в початковому живленні (для згущувача відходів флотації відповідно К=0,63 і К=0,54, для згущувача шламу - К=0,51 і К=0,53).

Оскільки між вмістом твердої фази в згущеному продукті і в зливі існує кореляційний зв'язок (відповідно для згущувачів К=0,39, К=0,27) доцільно ввести в систему автоматичного керування корекцію вмісту твердої фази в згущеному продукті залежно від вмісту твердої фази в зливі. Внаслідок достатньої кореляції рівня осаду зі вмістом твердої фази в згущеному продукті (К= 0,32) необхідна стабілізація рівня згущеного осаду для зниження дисперсії щільності згущеного продукту і щільності зливу.

Встановлено, що шум об'єкту розподілений за законом Гауса, даний висновок підтверджений за допомогою перевірки по - критерію згоди для рівня значущості а= 0,05 і m = 6 ступенів свободи. Аналіз показав, що на обмеженій смузі пропускання об'єктів (відповідно 5,5·10-4, с-1 і 5,7·10-4, с-1) можна допустити, що спектр частот збурень відповідає спектральній щільності білого шуму з інтенсивностями відповідно ·1,512•105 і 2,435•105, дисперсіями відповідно 26,02 (г/л)2 і 37,4 (г/л)2.

В результаті статистичного аналізу встановлено, що найбільш доцільним в якості керуючої дії використовувати: для стабілізації вмісту твердої фази в згущеному продукті - витрату згущеного продукту, для підтримки чистоти зливу - витрату флокулянту, для підтримки необхідного рівня осаду - витрату початкового живлення. На основі даних висновків розроблений метод автоматичного керування процесом згущення шламових вод і освітлення відходів флотації, в якому на відміну від тих, що існують, виконана стабілізація рівня згущеного продукту зміною початкового навантаження і введена корекція заданої щільності згущеного продукту і питомої витрати флокулянту залежно від щільності зливу. Адаптація систем управління до умов осадження, що змінюються, здійснюється шляхом відновлення нестаціонарних параметрів об'єкту при стохастичній дії і відповідної зміни параметрів регуляторів. Система управління має три контури управління: головний, компенсації, стабілізації. Завдання головного контуру - стабілізація щільності згущеного продукту. Контур компенсації виконує розрахунок необхідною витрати флокулянту залежно від навантаження на згущувач і вмісту твердої фази в зливі. Контур стабілізації підтримує оптимальний рівень осаду в апараті (рис.2).

Корекція завдання щільності згущеного продукту здійснюється залежно від . Зниження завдання щільності згущеного продукту здійснюється пропорційно перевищенню вмісту твердої фази в зливі, оскільки випуск менш густих пульп веде до зниження вмісту твердої фази в зливі.

У комбінованій системі автоматичного керування щільністю зливу основна збурююча дія (навантаження по твердій фазі) компенсується відповідною зміною витрати флокулянту .



Рис. 2 Функціональна схема системи автоматичного керування процесом згущення: - завдання вмісту твердої фази в згущеному продукті; - корекція завдання ; ; - максимально допустиме значення вмісту твердої фази в зливі; - висота згущеного осаду; - завдання висоти згущеного продукту; - завдання витрати флокулянту; , - сигнал керування з регуляторів; - фазовий вектор; - вектори параметрів об'єкту; ДФ - дозатор флокулянту; ОП1-ОП2 - обчислювальні пристрої; ВМ1-ВМ2 - виконавчі механізми; Д1-Д5 - датчики; ІПО - ідентифікатор параметрів об'єкту

Необхідність підтримки заданого рівня згущеного продукту в радіальному згущувачі обумовлено тим, що при його збільшенні зростає небезпека перевантаження електродвигуна, а також зростання віднесення в злив твердої фази і підвищення щільності згущеного продукту, що призводить до зашламовки регулюючого органу. При недостатній величині осаду знижуються щільність згущеного продукту і продуктивність згущувача.

Для згущувачів відходів флотації і шламових вод по каналу запропоновано використовувати оптимальний цифровий регулятор при квадратичному критерії якості, для каналів і - дискретний PID-регулятор. Для обчислювальних пристроїв корекції завдань щільності і витрати флокулянту отримані такі алгоритми управління:

ОП1 корекції заданої щільності згущеного продукту

де - допустиме відхилення від заданого вмісту твердої фази в згущеному продукті;

-

коефіцієнт, який встановлюють експериментально; - максимально прогнозований вміст твердої фази в зливі;

ОП2 корекції витрати флокулянту

де - номінальна питома витрата флокулянту; - коефіцієнт, який встановлюють експериментально.

У третьому розділі виконаний синтез оптимального дискретного регулятора стабілізації щільності згущеного продукту, дискретних PID-регуляторів рівня осаду і щільності зливу, які забезпечують заданий перехідний процес. Розраховані оптимальні періоди дискретизації для кожного каналу регулювання і значення коефіцієнтів квадратичного функціонала, визначений вплив зміни параметрів моделі об'єкту на якість процесу регулювання. Виконано дослідження моделі систем автоматичного керування рівнем осаду, щільністю згущеного продукту і зливу, оптимального оцінюючого фільтру, алгоритму ідентифікації параметрів моделі об'єкту за наявності шуму.

При допустимій абсолютній похибці вихідної координати е= 0,04 період дискретизації розраховувався за формулою:

(10)

де - максимальне значення B-характеристики.

Для згущувачів відходів флотації і шламових вод розраховані відповідно наступні значення періодів дискретизації: по каналу - с і с; по каналу - с і с; по каналу

- с.

На рис.3 показаний приклад відновлення фільтром Калмана вмісту твердої фази в згущеному продукті з урахуванням шуму об'єкту (вміст твердої фази в живленні).



Рис. 3 Відновлення вихідної координати

Дослідженнями встановлено, що оптимальна точність відновлення (дисперсія помилки оцінювання менше 2%) фазового вектора за допомогою фільтру Калмана досягається при n=10 попереднім значенням вихідної координати. Точність оцінки виражена через дисперсію помилки оцінювання, яка визначається слідом дисперсійної матриці. На рис.4 наведені результати дослідження дисперсії помилки оцінювання d, (%)2 як функції від числа спостережень .

Рис. 4 Дисперсія помилки оцінювання фільтром: а - згущувача відходів флотації; б - згущувача шламових вод

На рис.5 приведена структурна схема системи автоматичного керування для каналу .

Рис. 5 Структурна схема з PID-регулятором по каналу

Для забезпечення монотонного перехідного процесу для даного каналу визначені параметри регулятора:

;

; , (11)

де - коефіцієнт, який визначає швидкодію системи.

Синтез дискретного PID-регулятора для каналу виконаний аналогічно синтезу регулятора для каналу . Згідно технічним вимогам до системи автоматичного керування величина перерегулювання не повинна перевищувати 20%.

В результаті досліджень встановлено, що при незмінних налагоджувальних параметрах регулятор не забезпечує необхідної якості, величина перерегулювання більше 20%. При збільшенні сталої часу перехідний процес триває в середньому на 50% довше, унаслідок меншого коефіцієнта і диференційної складової регулятора . При зміні сталої часу спостерігається аперіодичний процес з . Дослідженнями системи автоматичного керування встановлена наявність приблизної пропорційної залежності часу регулювання і перерегулювання від коефіцієнта підсилення регулятора. Вплив зміни параметрів об'єкту на якість регулювання (канал ) є аналогічним впливу параметрів для системи автоматичного керування стабілізацією рівня згущеного продукту (канал ). Встановлено, що монотонний перехідний процес (канал ) має місце при величині коефіцієнта швидкодії , для забезпечення аперіодичного перехідного процесу (канал , %) - .

При синтезі системи автоматичного керування щільністю згущеного продукту для об'єкту по каналу , як критерій оптимальності, використано мінімум дисперсії помилки щільності згущеного продукту при обмеженнях на управління:

, (12)

де F, Q(j) - симетричні невід'ємно-визначені матриці, R(j) - додатний коефіцієнт (R(j) >0, ); - оптимальне управління із зворотним зв'язком.

Встановлено, що для можливості реалізації сигналу управління коефіцієнти квадратичного функціонала повинні бути , для згущувача відходів флотації і для шламових вод. На рис. 6 показана зміна кута повороту валу виконавчого механізму Дцим при максимальному початковому відхиленні.



Рис. 6 Зміна кута повороту виконавчого механізму

З рис. 6 видно, що навіть при максимально можливому відхиленні значення допустимого сигналу управління не перевищує Дцим = .

Моделюванням роботи системи автоматичного керування (рис.7) щільністю згущеного продукту встановлено, що забезпечується стійке функціонування у всьому діапазоні зміни параметрів об'єкту, початкового відхилення і характеристик шуму.

Рис. 7 Моделювання роботи дискретної оптимальної системи з оцінкою вектора стану

Встановлено, що час регулювання і дисперсія змінюються пропорційно сталій часу. Так, для згущувача відходів флотації при зміні сталої часу на 10% час регулювання змінюється на 8,5%, дисперсія на 7% (для згущувача шламових вод відповідно на 11% і 8%). При зміні коефіцієнта підсилення об'єкту (10%) приблизно зворотньо пропорційно змінюється час регулювання (5,6%) і пропорційно дисперсія (5,8%). Відповідно для згущувача шламових вод - 4,6% і 8%. Зміна інтенсивності шуму об'єкту на 10% призводить до пропорційної зміни часу регулювання (для згущувачів відповідно на 1,58% і 1,62%).

Внаслідок великого діапазону зміни параметрів об'єкту регулятори при незмінних настройках не забезпечують задану якість, тому виконана їх адаптація і поточна ідентифікація параметрів об'єкту. Для ідентифікації вектора параметрів об'єкту використаний рекурентний метод найменших квадратів.

На рис.8 наведені результати зміни помилки апроксимації і точність обчислення як функції від числа спостережень при відновленні параметрів моделі об'єкту по каналу . При моделюванні прийнято: коефіцієнт апроксимації а = 105, експоненціальний чинник забування в = 0,5, задана похибка обчислень Emin = 10-2, початкове значення вектора параметрів нульове.

Рис. 8 Зміна помилки апроксимації МНК: а - помилка апроксимації ; б - похибка обчислень

Дослідження показали, що задана точність оцінки () досягається за 17-20 ітерацій при встановлених характеристиках шуму об'єкту. Збільшення коефіцієнта апроксимації веде до підвищення точності оцінки, вплив експоненціального чинника забування зворотний .

Четвертий розділ присвячений розробці автоматизованого робочого місця оператора процесу згущення і освітлення шламу і технічної реалізації на основі сучасних контролерів, виконавчих механізмів і засобів збору інформації.

На рис.9 представлена інформаційна модель, яка на відміну від тих, що існують, окрім обліку основних параметрів процесу згущення і освітлення шламу, обробляє і надає дані про зольність живлення, рівні згущеного продукту, інтегральних показників за годину, зміну, добу (витрата живлення, зливу, згущеного продукту, флокулянту і так далі).

Рис. 9 Інформаційна модель автоматизованої системи керування.

Вихідними даними, що вводяться оператором з автоматизованого робочого місця (рівень SCADA) для функціонування системи управління є: номінальна питома витрата флокулянту ; концентрація флокулянту в робочому розчині ; задане і допустиме відхилення від заданого вмісту твердої фази в згущеному продукті; максимально допустимий вміст твердої фази в зливі ; максимальний вміст твердої фази в оборотній воді ; рівень згущеного продукту .

З рівня SCADA формується інформація про економічні показники процесу за зміну (година, доба і так далі за вимогами) для рівня MES: витрата початкового живлення ; витрата згущеного продукту .

З рівня Control на рівень SCADA поступає інформація про наступні параметри процесу: витрати флокулянту ; витрата початкового живлення ; витрати зливу , ; вміст твердої фази в початковому живленні , ; вміст твердої фази в згущеному продукті , ; вміст твердої фази в зливі , ; вміст твердої фази в оборотній воді ; момент на валу двигуна ферм ; рівень згущеного продукту .

Інформація про значення зольності відходів флотації і шламових вод поступає на рівень MES для ухвалення рішення про значення величин процесу згущення, що задаються.

З рівня Control на рівень I/O поступають наступні сигнали: значення керуючих дій .

На рис. 10 наведена мнемосхема технологічного процесу згущення, яка розроблена на основі пакету програм SCADA Genesis32.



Рис. 10 Мнемосхема технологічного процесу згущення

Програмне забезпечення робочого місця оператора дозволяє: оперативно обробляти технологічні й аварійні ситуації; виконувати дистанційне керування апаратами; контролювати основні показники технологічного процесу; задавати необхідні значення щільності згущення і зливу, рівня згущеного продукту; зберігати (архівувати) дані; відображати дані в цифровому, індикаторному і графічному вигляді.

Розроблені вимоги до мікропроцесорного комплексу, який зокрема, підтримує стандарти Microsoft OPC і DDE, та дозволяє виконати побудову автоматизованої системи керування підприємством на основі сучасної SCADA-технології.

У додатках приведені таблиці експериментальних даних, розрахунки, акти впровадження результатів дисертаційної роботи, описання програм моделювання, ілюстрації допоміжного характеру, аналіз статичних характеристик, результати моделювання систем автоматичного управління.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішено актуальне науково-технічне завдання підвищення ефективності процесу згущування шламових вод і освітлення відходів флотації в радіальному згущувачі шляхом розробки автоматизованої системи керування, завдяки чому поліпшується якість розділення в збагачувальних апаратах, зменшується забруднення навколишнього середовища внаслідок зниження втрат горючої маси і флокулянту з відходами збагачення і води із замкненого циклу.

1. Аналіз існуючих систем автоматизації процесів згущення і освітлення шламів показав, що відсутня системність: автоматизовані лише окремі функції, оператор не володіє повною інформацією про процес, відсутня адаптація системи до нестаціонарних параметрів об'єкту управління. Математичні моделі, які використовують при синтезі систем автоматичного керування, недостатньо точно описують реальні процеси, внаслідок чого не забезпечується задана якість згущення і освітлення, що призводить до збільшення дисперсії щільності згущеного продукту і зливу, а також перевитрати флокулянту, що знижує ефективність процесів збагачення і збільшує втрати води із замкненої водно-шламової системи.

2. Уточнена математична модель з основного каналу управління «витрата згущеного продукту - щільність згущеного продукту», яка на відміну від тих, що існують, враховує залежність швидкості осадження від вмісту твердої фази, завдяки чому модель точніше відображає реальні процеси. Встановлено, що модель об'єкту по каналу управління «витрата згущеного продукту - щільність згущеного продукту» апроксимується аперіодичною ланкою першого порядку, а по каналах управління «початкове навантаження по твердій фазі - рівень згущеного продукту» і «витрата флокулянта - щільність зливу» - аперіодичною ланкою другого порядку з часом чистого запізнення.

3. Вперше розроблений метод автоматичного управління радіальними згущувачами шламових вод і відходів флотації, в якому на відміну від тих, що існують, для підтримки заданої щільності зливу введена корекція заданої щільності згущеного продукту, виконана стабілізація рівня осаду, введений зворотний зв'язок з щільності зливу при розрахунку дозування флокулянта, а також контур компенсації збурення (зміни початкового навантаження), що дозволяє знизити витрату флокулянту, оскільки побічно враховуються такі характеристики як зміна температурного режиму, зольності початкового продукту і так далі, а також підвищити точність регулювання і швидкість реакції на збурення. Адаптація систем керування до умов, що змінюються, здійснюється завдяки застосуванню оптимального оцінюючого фільтру, методики відновлення нестаціонарних параметрів моделі об'єкту при стохастичній дії і перерахунку параметрів регуляторів.

4. Вперше розроблена система автоматичної стабілізація рівня згущеного продукту на базі дискретного PID-регулятора шляхом зміни початкового навантаження по твердій фазі, що знижує дисперсію керованих вихідних координат, ризик аварійної зупинки згущувачів.

5. Вперше розроблена комбінована система автоматичного керування щільністю зливу на базі дискретного PID-регулятора з компенсацією збурення по твердій фазі в живленні, яка підвищує точність регулювання і знижує витрату дорогого флокулянту. Дисперсія щільності зливу зменшилася в порівнянні з ручним керуванням на 35-40 %, витрати флокулянту знизилися на 32%.

6. Вперше для стабілізації щільності згущеного продукту з використанням методу синтезу оптимальних систем за інтегральним квадратичним критерієм синтезований дискретний оптимальний регулятор з урахуванням шумів об'єкту і вимірювань, обмежень на керування. Як критерій оптимальності прийнятий мінімум дисперсії помилки щільності згущеного продукту. Моделюванням роботи системи автоматичного керування встановлено, що дисперсія щільності згущеного продукту зменшилася в порівнянні з існуючими на 80-85 %.

7. Вперше розроблена інформаційна модель обміну даними, яка, на відміну від тих, що існують, надає інформацію про зольність живлення, рівень згущеного продукту, інтегральних показників за годину, зміну, добу (витрата живлення, зливу, згущеного продукту, флокулянту і так далі), що приводить до підвищення якості прийнятих рішень.

8. Вперше на основі сучасної SCADA-технології розроблено автоматизоване робоче місце оператора, що забезпечує централізоване управління і діагностику стану процесів згущення і освітлення шламу.

9. Розроблені рекомендації з реалізації системи управління на базі сучасних засобів відбору інформації, IBM РС сумісного комплексу, що підтримує стандарти Microsoft OPC і міжзадачного інтерфейсу DDE, що дозволяє уніфікувати технічні рішення і забезпечувати інтеграцію в автоматизовану систему керування підприємством.

10. Показано, що використання запропонованої системи управління забезпечує задану якість процесів, унаслідок чого знижуються втрати води із замкнутого циклу водно-шламового комплексу, поліпшуються умови розділення в збагачувальних апаратах, знижуються втрати горючої маси з відходами збагачення. Завдяки цьому збільшується вихід концентрату на 0,1 %, знижується споживання води на 10%, флокулянту на 32%. При річній продуктивності збагачувальної фабрики близько 600 тис. т додатково можна отримати за 5 років близько 471,4 тис. грн., з терміном окупності 4 місяці.

11. Результати наукових і практичних досліджень дисертаційної роботи, алгоритми й програмне забезпечення системи автоматизації захищені патентом на спосіб управління процесом згущення, прийняті до використання науково-дослідним проектно-конструкторським інститутом «Іскра», ТОВ науково-виробничим підприємством «Арікон», а також в начальному процесі кафедри «Системна інженерія» Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля в курсах лекцій «Теорія автоматичного керування», «Оптимальні системи», «Адаптивні системи управління» і «SCADA-системи в управлінні» за напрямом підготовки 6.050201 «Системна інженерія», що підтверджено відповідними актами про впровадження результатів дисертаційної роботи.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ульшин В.А. Водно-шламовый комплекс как объект автоматизированного управления / В.А. Ульшин, А.В. Письменский // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2001. - №3 (37). - С. 93-100.

2. Письменский А.В. Анализ технологических схем и задачи автоматизированного управления водно-шламовым комплексом обогатительной фабрики / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2002. - №1(47). - С. 173-180.

3. Письменский А.В. Определение допустимого периода дискретизации для представления параметрической модели радиального сгустителя шламовых вод в пространстве состояний / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - Луганськ. - 2002. - №1(4). - С. 41-45.

4. Письменский А. В. Дискретная модель аппаратов водно-шламовой системы углеобогатительной фабрики / А.В. Письменский // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2002. - №4 (50). - С. 224-228.

5. Письменский А.В. Управляемость и наблюдаемость дискретных математических моделей объектов водно-шламового комплекса углеобогатительной фабрики / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник

6. Письменский А.В. Исследование влияния параметров регулятора радиального сгустителя шламовых вод на переходные процессы / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2003 - №6(64). - С. 152-160.

7. Письменский А. В. Корреляционный анализ возмущающих воздействий и выходных параметров для выбора канала управления радиальным сгустителем / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2004. - №11(81). - С. 117-121.

8. Письменский А.В. Синтез оптимального цифрового регулятора радиального сгустителя / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2005. - №3 (85). - С. 146-155.

9. Письменский А.В. Интегрированная система управления процессом сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации на основе scada-технологии / А.В. Письменский // Академический вестник Криворожского территориального отделения Международной Академии компьютерных наук и систем. - 2006. - № 17-18. - С. 9-13.

10. Письменский А.В. Программное обеспечение автоматизированного рабочего места оператора по обслуживанию радиальных сгустителей / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - Луганськ. - 2007. - №2 Ч.2.(15). - С. 95-101.

11. Письменский А.В. Синтез цифрового регулятора стабилизации уровня осадка / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2009. - №1(131). - С. 127-136.

12. Письменский А.В. Моделирование работы оценивающего фильтра при восстановлении фазового вектора процесса сгущения / А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Вісник СНУ ім. В.Даля. - 2009. - №12(142). - C. 98-104.

13. Письменский А.В. Метод автоматического управления процессами сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации / А.В. Письменский // Восточно-Европейский журнал передовых технологий, Харьков. - 2010. - № 5/6(47) - С.38-43.

14. Письменский А.В. Идентификация параметров радиального сгустителя как объекта управления / А.В. Письменский // Наукові праці ДонНТУ. Серія “Гірнично-електромеханична”. - Донецьк. - 2010. - №20(176) . - С.92-98.

15. Спосіб автоматичного управління процесом згущення відходів флотації та освітлення шламових вод: Пат. 54394; Україна: МПК (2009) В03 В13/00 / В.О. Ульшин, О.В. Письменський, - № 201004531; Заявл. 19.04.10; Опубл. 10.11.10; Бюл. № 21. - 4 с.

16. Письменский А.В. Задачи автоматизированного управления водно-шламовым комплексом обогатительной фабрики / А.В. Письменский // Збірник наукових праць СНУ ім. В. Даля (Проблеми педагогіки вищої школи на сучасному етапі, науковці - підприємствам і установам регіону, студентська наука - регіону, довузівська підготовка - Мала академія наук України Матеріали VII Міжнародної науково-практичної конференції „Університет і регіон”, Луганськ, 5-6 грудня 2001 р.». - Луганськ: Вид-во СНУ ім.В.Даля. - 2001 - с.118.

17. Письменский. А.В. Дискретная математическая модель пирамидального отстойника / А.В. Письменский// Збірник наукових праць СНУ ім. В. Даля (матеріали VIII міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Луганськ, 25-26 грудня 2002 року). - Луганськ: Вид-во СНУ ім.В.Даля.- 2002. - Ч.2. - С.40-41.

18. Письменский. А.В. Разработка оптимального управления процессами сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации/ А.В. Письменский, В.А. Ульшин // Збірник наукових праць СНУ ім. В. Даля (матеріали IX міжнародної науково-практичної конференції “Університет і регіон”, Луганськ, 10-12 грудня 2003 року). - Луганськ: Вид-во СНУ ім.В.Даля. - 2004. - Ч.2. - С.245-246.

19. Письменский А.В. Моделирование работы оценивающего фильтра при восстановлении фазового вектора процесса сгущения / А.В. Письменский // Тези доповідей міжнародної науково-практичної конференції аспірантів і студентів «Інженерія програмного забезпечення 2010», м. Київ, 13-15 версня 2010 р. - Київ: Вид-во НАУ. - 2010. - С. 34.

20. Письменский А.В. Метод автоматического управления процессами сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации / А.В. Письменский, Е.И. Кравцова, Е.А. Сорочинская // Тези доповідей міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених (вебінар): Комп'ютерні науки для інформаційного суспільства

Анотація

Письменський Олексій В'ячеславович. Автоматизована система керування процесами згущення шламових вод і освітлення відходів флотації в радіальному згущувачі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової задачі - підвищенню ефективності автоматичного управління технологічним процесом згущення шламових вод і освітленню відходів флотації в радіальному згущувачі за рахунок удосконалення методу і способу управління, а також розробці нового програмного забезпечення автоматизованого робочого місця оператора.

У дисертації уточнена математична модель процесів згущення й освітлення шламу, яка враховує зміни вмісту твердої фази в пульпі за висотою згущувача. Запропонований метод автоматичного управління процесами згущення шламу, в якому вперше виконана стабілізація рівня згущеного продукту зміною початкового навантаження, введена корекція заданої щільності згущеного продукту залежно від щільності зливу, для підтримки чистоти зливу використана комбінована система автоматичного управління з компенсацією збурень. Розроблені системи автоматичного управління процесами згущування і освітлення шламу шляхом синтезу оптимального дискретного регулятора щільності згущеного продукту, синтезу дискретних ПІД-регуляторів стабілізації рівня осаду, і щільності зливу з відновленням за допомогою фільтру Калмана фазового вектора в умовах дії збурень, ідентифікації параметрів математичної моделі й адаптації налагоджувальних параметрів регуляторів при змінах динамічних характеристик об'єкту управління в ході його функціонування. Розроблено програмне забезпечення автоматизованого робочого місця оператора на основі SCADA-технології, яке забезпечує дистанційне керування процесами згущення шламу перед флотацією і освітлення її відходів з одного робочого місця з візуалізацією даних на екрані монітора у вигляді графіків, таблиць й індикаторів, що дозволяє ідентифікувати стан устаткування, розпізнавати аварійні і передаварійні ситуації.

Ключові слова: згущення, оптимальне управління, флокулянт, вміст твердої фази в пульпі, згущений осад, стабілізація щільності суспензії.

Аннотация

Письменский Алексей Вячеславович. Автоматизированная система управления процессами сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации в радиальном сгустителе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2011.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи - повышению эффективности автоматического управления технологическим процессом сгущения шламовых вод и осветлению отходов флотации в радиальном сгустителе за счет усовершенствования метода и способа управления, а также разработке нового программного обеспечения автоматизированного рабочего места оператора.

В диссертации уточнена математическая модель процессов сгущения и осветления шлама, учитывающая изменения содержания твердой фазы в пульпе по высоте сгустителя. Получены математические модели объекта управления по возможным каналам управления: «расход сгущенного продукта - плотность сгущенного продукта» аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка; «исходная нагрузка по твердой фазе - уровень сгущенного продукта» и «расход флокулянта - плотность слива» - апериодическим звеном второго порядка со временем чистого запаздывания. Исследованиями математической модели установлено, что параметры математической модели являются нестационарными, определены диапазоны их изменения. В результате статистического анализа определены характеристики возмущающих воздействий и степень их корреляции с регулируемыми координатами.

Предложен метод автоматического управления процессами сгущения шламовых вод и осветления отходов флотации, в котором впервые выполнена стабилизация уровня сгущенного продукта изменением исходной нагрузки, введена коррекция заданной плотности сгущенного продукта в допустимом диапазоне пропорционально плотности слива, дозирование флокулянта осуществляется с учетом обратной связи по плотности слива, для поддержания чистоты слива использована комбинированная система автоматического управления с компенсацией возмущения, что повышает эффективность процессов флотации и фильтрации, а также гравитационных процессов обогащения.

Разработаны системы автоматического управления процессами сгущения и осветления шлама путем синтеза оптимального дискретного регулятора плотности сгущенного продукта на базе метода динамического программирования, синтеза дискретных ПИД-регуляторов стабилизации уровня сгущенного осадка и плотности слива на базе метода параметрической оптимизации. Восстановление фазового вектора в условиях действия возмущений выполнено при помощи фильтра Калмана. Для синтеза цифровых систем автоматического управления определены оптимальные периоды квантования как функции от заданной погрешности регулирования и скорости изменения выходной координаты.

Для адаптации системы автоматического управления используются идентификация параметров математической модели и перерасчет настроек регуляторов при изменении динамических характеристик объекта управления в ходе его нормального функционирования. Идентификация параметров объекта управления выполняется в реальном масштабе времени на основе рекуррентного метода наименьших квадратов. Моделированием работы идентификатора определена оптимальная точность оценки параметров объекта как функция от числа наблюдений при заданных характеристиках возмущающих воздействий.

Разработано программное обеспечение автоматизированного рабочего места оператора на основе SCADA-технологии, обеспечивающее дистанционное управление процессами сгущения шлама перед флотацией и осветление ее отходов с одного рабочего места с визуализацией данных на экране монитора в виде графиков, таблиц и индикаторов, что позволяет идентифицировать состояние оборудования, распознавать аварийные и предаварийные ситуации.

Ключевые слова: сгущение, оптимальное управление, флокулянт, содержание твердой фазы в пульпе, сгущенный осадок, стабилизация плотности суспензии.

Annotation

Pismenskiy A. Automated system of control of process of sludge thickening and clarification of flotation wastes in radial thickener. - Manuscript.

The thesis for a scientific degree of candidate of technical sciences, speciality 05.13.07 - Automation and Control Processes. - Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, Luhansk, 2011.

Dissertation is devoted to the decision of an actual scientific problem - improving the efficiency of sludge thickening and clarification of flotation wastes in radial thickener control process by means of the method and control improvement as well as to the development of the new software for the operator's workstation.

In this thesis the mathematical model of thickening and sludge clarifying processes is specified, the model takes into account the changes of the solid phase in the pulp according to the thickener height. The radial thickener automatic control method is proposed. It firstly performs the stabilization of sludge level by the initial load change, the correction of the given sludge density depending on the density of the flow rate is introduced, to maintain a clean drain a combined automatic control system with compensation for the disturbance is used. There were developed the automatic control systems of the sludge thickening and clarifying processes by means of optimal discrete control synthesis of the condensed product density, the discrete PID controllers synthesis of stabilizing the sediment level and sludge density discharge with state vector of conditions and the perturbation parameter recovery by the Kalman filter, mathematical models parameters identification and options regulators adaptation depending on dynamical characteristics changes of object control during its operation. The software is developed for operator's workstation based on SCADA-technology that provides remote control of the sludge thickening processes before the wastes flotation and clarification from one operator's workstation with the data visualization on the screen in the form of graphs, tables, and indicators that can identify the equipment state, identify accident and pre-accident situations.

Key words: condensation, optimal control, flocculant, solids content in the pulp, condensed sludge, stabilization of the suspension density.

Размещено на Allbest.ru