Автоматизация процесса обжига клинкера на основе статистической идентификации динамических параметров вращающейся печи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Порхало, Василий Александрович

• Порхало, Василий Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Порхало, Василий Александрович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ цементной печи обжига как теплотехнологического объекта управления

1.2. Исследование методов идентификации процесса обжига клинкера

1.3. Оценка состояния проблем интенсификации и управления

вращающейся печи обжига клинкера

1.4. Постановка задач исследования

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

ОБЖИГА КЛИНКЕРА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧИ

2.1. Анализ исходных данных и выбор метода идентификации цементной печи как объекта управления

2.2. Получение математической модели процесса обжига на основе корреляционных методов анализа статистической информации

2.3. Представление математической модели цементной печи обжига клинкера как модели многосвязного объекта

2.4. Проверка адекватности полученной математической модели

2.5. Выводы

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ ОПТИМАЛЬНОСТИ, АВТОНОМНОСТИ И КАСКАДНОСТИ

3.1.Анализ методов управления сложными объектами управления и принципов построения систем

3.2. Разработка автономной системы управления процессом обжига клинкера

3.3 Разработка каскадной системы управления процессом обжига

клинкера по управляемой переменной ток нагрузки

3.4. Синтез системы управления процессом обжига клинкера как распределенного объекта с применением принципа оптимальности

3.5. Выводы

4. РАЗРАБОТКА ИЕРАРХИЧЕСКОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ОБЖИГА КЛИНКЕРА С ПРИМЕНЕНИЕМ S С ADA-ТЕХНОЛОГИИ

4. ¡.Функциональный анализ микропроцессорной системы автоматизации и ее места в комплексной системе автоматизации производства цемента

4.2.Разработка структуры микропроцессорной системы автоматизации обеспечивающей выбор и стабилизацию оптимальных рабочих режимов обжига клинкера

4.3. Программы идентификации модели в среде MATLAB с применением средств GUI

4.4. Разработка советующей системы управления обжигом клинкера в форме SCADA-системы

4.5. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Программа расчета математической модели в пакете

MATLAB с применением средств GUI

Приложение 2. Функциональная схема автоматизации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процесса обжига клинкера на основе статистической идентификации динамических параметров вращающейся печи»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В настоящее время в России производство цементного клинкера в основном осуществляется во вращающихся обжиговых печах, работающих по «мокрому» способу производства. Важнейшую роль в производстве цемента по «мокрому» способу играет обжиг клинкера, на который приходится около 80% от общих энергозатрат, связанных с производством цемента[1,2]. Поэтому исследования по интенсификации и оптимизации обжига клинкера являются актуальными.

На существующих вращающихся печах для обжига уровень автоматизации еще не отвечает состоянию развития техники управления, контроль за состоянием технологического процесса осуществляется в основном аналоговыми измерительными средствами. На цементных производствах, где применяются современные средства автоматизации все еще главную роль в управлении занимает оператор, на которого возлагаются функции принятия решения на основе информации формируемой на пульте управления, при этом возможны ошибки в силу человеческого фактора. Создание полностью автоматической системы управления печью обжига с использованием инженерных методов автоматизации затрудняется тем, что процессы в печи являются достаточно сложными с точки зрения математического описания[3], поэтому для разработки системы управления требуется применение научных методов.

Интенсификация процесса обжига в основном должна быть направлена на обеспечение рационального режима обжига материала в печи, что достигается за счет снижения энергозатрат при одновременном обеспечении качества продукта на требуемом уровне[4]. Сформулированные условия могут быть выполнены благодаря построению автоматизированной системы управления, повторяющей функции человека, помогающей оператору

управлять процессом обжига, вовремя корректировать режимы обжига, поддерживать параметры на требуемом уровне.

Процесс обжига клинкера характеризуется тем, что во вращающейся печи обжига происходят взаимосвязанные физические и химические превращения вещества, тепломассобменные процессы, происходит движение материала от холодного конца печи, происходит сжигание топлива. Приведенные процессы являются достаточно сложными. При разработке же автоматизированной системы управления печью обжига как единым агрегатом проявляются взаимные связи между данными процессами, которые накладываются друг на друга. Например процесс декарбонизации, с выделением С02 воздействует на процесс сжигания топлива как углекислотный огнетушитель, тем самым изменяя форму факела, что в свою очередь влияет на разложение СаС03. Или, например при возникновения сильного пыления клинкера пропускная способность холодильника уменьшается, что негативно влияет на тягодутьевой режим и может привести к еще большему пылению[5]. Таким образом, можно сказать, что при управлении вращающейся печью обжига нельзя отдельно воздействовать на какой-либо один процесс или параметр, а нужно учитывать взаимозависимость технологических величин.

Обжиг цементного клинкера во вращающихся печах за достаточно длительный период их использования изучен многими исследователями, такими как Гинзбург И.Б., Тимашев В.В., Гельфанд Я.Е., Классен В.К., Лугинина И.Г., Беседин П.В., Трубаев П.А., Борисов И.Н. При этом научные исследования в основном разделяются на два направления: исследование физико-химических процессов клинкерообразования с глубоким анализом химии процессов и изучение теплотехнических процессов во вращающихся печах[6].

Для цеха обжига клинкера основными технико-экономическими показателями, которые характеризуют работу цеха, выступают производительность печей, качество клинкера и затраты на обжиг. Качество

клинкера характеризуется его активностью, определяемой физико-механическими испытаниями после твердения специально приготовленных образцов цемента, исходным сырьем для которого и является цементный клинкер, поступающий после обжига в цех помола. Большой промежуток времени определения качества клинкера лабораторными испытаниями образцов, служит причиной того, что о качестве клинкера судят по гранулометрическим характеристикам или по содержанию в клинкере

свободной окиси кальция[7].

В работе Е.Я. Гельфанда[8] отмечено, что критерием управления может служить максимум производительности вращающейся печи £т или минимум удельных затрат на обжиг клинкера Я, при этом можно применить для управления функцию этих переменных Щ^Д). Для создания оптимальной системы управления обжигом по некоторому оптимальному критерию, нужна математическая зависимость, которая отражает связь данного показателя и управляющих входов объекта.

Как описано у В.К. Классена[9] основными управляемыми входами могут служить: расход топлива д, тяга к, расход сырья поступающего в печь, и скорость ее вращения V. Помимо этого, в случае твердого топлива можно воздействовать на первичный воздух на печах с колосниковыми холодильниками - и на вторичный воздух, подаваемый в печь.

Возможности совершенствования разработанных систем управления печью далеко не исчерпаны. Перспективным является применение микропроцессорной техники и создание более совершенных алгоритмов управления со статической оптимизацией и динамической стабилизацией на базе адаптивных моделей процессов[10].

Разработка современных автоматизированных систем управления процессом обжига в печи, на основе идентификации математической модели является, таким образом, актуальной задачей, настоятельно требующей своего решения.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса обжига клинкера за счет оптимизации управления обжигом с помощью разработанной автоматизированной системы управления, локальные подсистемы которой реализуют управление вращающейся цементной печью.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

- разработка математической модели динамики процесса обжига и теплообмена в печи на основе реальных технологических параметров, характеризующих переменные состояния объекта управления;

- построение математической модели печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, пригодной для решения задачи оптимизации теплообмена по компенсационному признаку;

- разработка локальных подсистем управления с использованием принципов каскадности и связности;

- параметрический синтез оптимальной системы управления печи обжига как распределенного объекта.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель динамики процесса обжига и теплообмена в печи, построенная на основе корреляционных методов, применяемых к реальным технологическим параметрам, характеризующим переменные состояния объекта управления;

- математическая модель печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, допускающая возможность оптимизации теплового режима печи;

- разработанная советующая автоматизированная система управления, состоящая из локальных подсистем, построенных по принципам оптимальности, каскадности и автономности.

Практическая значимость работы заключается в:

- повышении эффективности процесса обжига клинкера за счет внедрения инновационных технологий процесса управления, благодаря параметрической оптимизации процесса и сочетанию эффектов локальных подсистем в единой советующей системе.

- оригинальном программном приложении расчета и идентификации параметров модели по статистической информации о реальных процессах в печи, которое может применяться для идентификации сложных объектов управления.

Внедрение результатов исследований:

- предложенный подход и структура алгоритмов рекомендованы для внедрения в рамках соглашения между БГТУ им. В.Г. Шухова и ОАО «Осколцемент», где проведены испытания оптимальных режимов на печи обжига №1, которые выявили эффективность предложенных алгоритмов управления процессом обжига;

- отдельные элементы автоматизированной системы управления в форме локальных подсистем приняты к внедрению на ОАО «Себряковцемент»;

- алгоритмы и программы внедрены в учебном процессе в рамках реализации учебного плана подготовки специалистов по специальности 220301.

Диссертационная работа выполнена на кафедре ТК в рамках плана НИР БГТУ им. В.Г. Шухова по единому заказ - наряду Министерства образования и науки РФ в 2008-2011 г, а также поддержана грантом УМНИК по теме «Создание структуры системы управления вращающейся печью на основе комбинированных методов» в 2010-2011 г.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным и обоснованным применением положений и методов теории и автоматического управления и статистической динамики систем управления, а также подтверждается совпадением теоретических выводов и результатов

моделирования в плане числовых вероятностных характеристик с обработкой экспериментального материала.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии»

- XX научные чтения (Белгород: 2011), на Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях»

- ММТТ-23 (Смоленск: 2010) и ММТТ-24 (Киев: 2011), на второй Международной научно-технической конференции «КНИТ-2011» (Белгород: 2011), на Всероссийской научной школе «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» (Новочеркасск: 2011), на научно-практическом семинаре «Применение современных средств управления для автоматизации промышленных объектов» (Белгород, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах: 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ[11-13], 8 докладов - в трудах конференций[ 14-21], получено регистрационное свидетельство на программный продукт[22].

Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве состоит в следующем: [12,17,18] - разработана математическая модель обжига клинкера как модель взаимосвязного объекта и программа для получения математической модели в пакетах MathCAD, MATLAB и Delphi 7.0; в [11] -предложен программный продукт для идентификации сложных объектов, обладающих свойством связности; в [14] - получена автономная система управления обжигом клинкера, в [15,16] - каскадная система; в [18,19] -произведен учет динамики работы печи как средства повышения ее эффективности, в [13,22] - представлен адаптивный алгоритм в виде сети Петри и блок-схемы, в [20] - разработана система поддержания свободной окиси кальция по распределенным переменным.

Все разделы диссертационной работы написаны лично автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

Методы исследования. В работе при решении задач были использованы методы статистической динамики, теории тепломассообмена, теории систем и системного анализа, теории управления и методы математического моделирования. Численное моделирование выполнено на ПЭВМ с использованием пакета МАТЬАВ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 131 странице машинописного текста, включая список использованной литературы из 70 наименований, и двух приложений.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ цементной печи как теплотехнологического

объекта управления

Центральной проблемой при производстве цемента является проблема энергосбережения. Поэтому исследования по интенсификации и оптимизации процессов цементного производства были и остаются актуальными. Главной задачей при этом является интенсификация и оптимизация процессов обжига, как наиболее энергоемких[23]. Возможности теории управления, современное состояние развития микропроцессорных приборов контроля и 8САЭА-технологий позволяют решать задачи управления теплотехнологическими процессами обжига клинкера в цементных печах.

Обжиг клинкера на заводах по производству цемента производится во вращающихся печах. Печь обжига является стальным барабаном, на внутренней поверхности которого уложена футеровка, служащая для снижения теплопроводности корпуса и повышения срока службы печи. Печь устанавливается под небольшим углом и в процессе работы вращается вокруг своей оси с периодом оборота 0,6-1,5 мин.

В процессе работы печи используется принцип противотока. С холодного конца печи подается сырьевая смесь, а со стороны горячего конца печи подается топливно-воздушная смесь, при горении которой образуется факел. При сгорании топлива образуются горячие газы, которые двигаясь навстречу материалу, нагревают его. Материал находится в печи 2-4 часа, в зависимости от угла наклона и скорости вращения и занимает в печи только 6-15% от общего объема, что связано с большим термическим сопротивлением материала, поскольку он обладает невысокой теплопроводностью, и низкой степенью перемешивания в движущемся слое[24].

Движущиеся в печи горячие газы нагревают поверхность материала, а также поверхность печи, то есть футеровку. Футеровка передает тепло закрытой поверхности материала через непосредственный контакт, а открытой

поверхности посредством лучеиспускания. Сырьевая смесь получает теплоту либо когда находится на поверхности слоя материала, либо когда происходит соприкосновение с футеровкой. Температура футеровки в каждом секторе печи все время меняется: при нахождении в нижней части траектории вращения печи происходит контакт с материалом и температура снижается, а при нахождении в верхней части траектории происходит контакт с горячими газами и температура футеровки повышается. Данное свойство характеризует сложность установки приборов для непосредственного измерения температуры внутри печи, поскольку происходит постоянное вращение печи и пересыпание материала. Обычно используют принцип периодического измерения температуры, когда термопара, установленная на корпусе печи касается контактов в нижней точке траектории вращения. Конусообразный формы карман устанавливается на корпус печи, и при вращении печи он засыпается материалом в нижнем положении, а в верхнем положении опустошается. Приведенный пример дает представление о сложности определения параметров процесса, что дает предпосылки к косвенному определению некоторых параметров.

Физико-химические превращения материала и процессы происходящие при обжиге клинкера изучены многими учеными. Обобщение этих исследований сделаны В.Н. Юнгом, который предложил разделить вращающуюся печь, работающую по мокрому способу, на шесть зон: зона испарения (сушки), зона подогрева и дегидратации, зона декарбонизации (кальцинирования), зона экзотермических реакций, зона спекания, зона охлаждения [25]. Зоны испарения и подогрева по отношению к длине печи занимают 50-60%, зона декарбонизации 20-25%, зона экзотермических реакций 7-10 %, зона спекания 10-15 % и зона охлаждения 2-4 %, при этом границы зон выбираются достаточно условно.

Температура шлама в начале зоны сушки составляет 100 °С, а в конце зоны вырастает до 200 °С. На сушку и выпаривание влаги тратится 35 % тепла

от общего расхода тепла на печь. В процессе продвижения материала, он сначала становится жидким, затем загустевает и комкуется.

В зоне подогрева происходят процессы дегидратации и разложения глинистых компонентов, при этом температура материала составляет 250-600°С. Здесь происходит удаление из сырьевой смеси химически связанной воды, и образуется ряд промежуточных соединений, которые влияют в дальнейшем на процесс связывания свободной окиси кальция.

Температура материала в зоне кальцинирования (декарбонизации) составляет 900-1200 °С, в данной зоне происходит процесс термической и термохимической диссоциации 1У^С03 и СаС03 с выделением С02, образуются свободные оксиды кальция и магния, продолжается разложение глинистых компонентов [26].

В зоне экзотермических реакций при температуре 1200-1300°С без участия жидкой фазы осуществляется твердофазовый синтез, то есть образование минералов С3А, С4АР и С28. За счет выделения теплоты при реакциях клинкерообразования в данной зоне температура повышается на 200300 °С.

Образование основного клинкерного минерала (алита) происходит в зоне спекания. На поверхности гранул клинкера начинается плавление материала, которое распространяется к их центру. Усвоение СаО и образования С38 в данной зоне протекает в течении примерно 30 мин.

Температура клинкера в зоне охлаждения снижается с 1300 до 1100 °С. Жидкая фаза кристаллизуется и выделяются кристаллы клинкерных минералов, часть фазы затвердевает в виде стекла. Образование основных минералов клинкера и его скорость зависит от скорости передачи тепла материалу.

Скорость процесса обжига зависит от температуры материла в зонах и от качества теплообмена, поэтому интенсификация обжига в форме повышения количества передаваемой теплоты материалу от горячих газов ускоряет процесс обжига. Во вращающиеся печи, работающие по мокрому способу внутрь встраивают теплообменные устройства различных конструкций, которые

интенсифицируют отдачу тепла в зонах испарения и подогрева, что улучшает использование тепла, ускоряет испарение влаги из шлама, снижает унос пыли и повышает производительность. Чаще всего в качестве внутрипечных теплообменников используют цепные завесы. Подвешенные цепные завесы в виде гирлянд, получает тепло от газового потока, а затем при вращении печи попадают в шлам, где отдают его материалу. Шлам, который налипает на цепи интенсивно высушивается. Для повышения срока службы цепей и в целях снижения их выгорания, температура газов держится в пределах 800°С.

Интенсификация процесса обжига клинкера - это комплекс мероприятий, направленный на повышение производительности печи обжига, снижение удельного расхода топлива при сохранении качества клинкера на требуемом уровне. При этом стремятся оптимизировать режим работы печи с целью достижения максимума либо минимума определенного параметра, либо рассматривается функционал, куда входят технологические величины.

Применяют различные мероприятия для интенсификации процесса обжига клинкера[27], при этом данные мероприятия должны приводить к следующим результатам:

- уменьшение времени физико-химических процессов клинкерообразования,

- увеличение количества тепла, которое передается материалу во всех зонах печи,

- улучшение теплообмена в зоне сушки и подогрева,

- повышение качества сжигания топлива и т.п.

Методы и средства, которые ведут к увеличению производительности

печей, можно разделить на:

- увеличение скорости горячих газов, поступающих навстречу материалу,

- повышение качества теплообмена и совершенствование конструкции внутренних теплообменников в печи.

При этом возникает противоречие между стремлением повысить

производительность печи, что приводит к повышению расхода топлива и

стремлением снизить энергопотребление, что подразумевает снижение

удельных затрат топлива. Очевидно, что данные задачи, которые могут быть записаны в форме оптимальных критериев должны решаться с применением методов теории управления.

Автоматизация технологического процесса обжига и управление обжигом во вращающихся печах. Производство цемента является непрерывным технологическим процессом, для которого нежелательны остановки любого из агрегатов, для вращающейся печи такая остановка вызывает дополнительный расход топлива, связанный с последующим запуском печи, поэтому данную процедуру проводят как можно реже, при ремонте корпуса и обновлении футеровки внутри корпуса. Целью производства при этом является получения цемента заданного качества с определенной производительностью. Возможным и желательным является механизация и автоматизация производства цемента, при этом возникает задача организации слаженной работы технологического оборудования. Полная автоматизация трудно осуществима, поскольку агрегаты входящие в технологический процесс, являются сложными с точки зрения протекающих процессов. Для печи обжига трудность автоматизации заключается в большом количестве протекающих химико-физических процессов и протяженностью в пространстве. Однако развитие микропроцессорных средств автоматизации и приборов контроля технологических параметров позволяет в настоящее время решать задачи автоматического управления и для таких сложных объектов, как вращающаяся цементная печь.

Различают следующие методы автоматизированного контроля и управления производством в зависимости от целей управления и возможности автоматизации[28]:

1) автоматизированный контроль технологического процесса;

2) дистанционное диспетчерское управление технологическими процессами и агрегатами;

3) автоматическое регулирование и автоматизированное управление.

Проблемы контроля процесса обжига состоят в следующих технологических операциях: приготовление однородного сырья заданного качества, непрерывная подача шлама в печь и дозирование компонентов, обеспечение подачи заданного количества топлива и воздуха для процесса обжига. Для контроля и управления указанными операциями измеряют влажность, плотность и тонкость помола шлама, температуру материала, давление, состав и температуру газов.

Дистанционное диспетчерское управление технологическим процессом и агрегатами подразумевает контроль технологических процессов и оборудования по приборам пульта оператора, которые установлены на щите, а также дает возможность производить действия по управлению технологическими процессами: закрывать и открывать задвижки на подаче шлама и топлива, изменять положение шиберов дымососов для изменения тягодутьевого режима печи, управлять работой приводов вращающих цементную печь.

Автоматическое регулирование и автоматизированное управление служит для автоматического поддержания технологических величин в заданных пределах, тем самым позволяет поддерживать рациональные режимы работы оборудования и технологических агрегатов.

Применение современных технических средств автоматизации и приборов контроля технологических величин, и разработка на их основе автоматизированных систем управления процессом обжига с применением методов теории управления, увеличивает объем производимой продукции, повышает энергоэффекивность производства, улучшая тем самым конкурентоспособность предприятия[29].

Поддержание качества клинкера на должном уровне требует осуществления оперативного контроля параметров продукта, но точное определение качества производится физико-механическими испытаниями после длительного интервала времени, когда происходит твердение образцов. Вследствие длительного промежутка времени определения качества клинкера

лабораторными методами, качество клинкера определяют по содержанию в нем свободной окиси кальция, гранулометрическим характеристикам, то есть используются косвенные методы.

Выделяют следующие технологические величины и переменные, характеризующие процесс обжига, которые используются при автоматическом контроле и управлении[30]:

- температура и разрежение отходящих газов;

- температура материала по зонам печи (чаще всего измеряют температуру в зоне подогрева, кальцинирования и спекания);

- расход, температура, давление и калорийность газообразного топлива;

- гранулометрический состав клинкера;

- нагрузка на главном приводе печи;

- содержание С02 02 и СО в отходящих газах.

На входе печи всегда имеются неконтролируемые возмущения, которые возникают из-за изменения свойств сырья, внешних условий либо других неучитываемых факторов. Для компенсации неконтролируемых возмущений, измеряются промежуточные переменные, такие как температуры по зонам печи, учитываются показания гранулометра клинкера, то есть косвенно определяются показатели качества клинкера и отслеживаются значимые параметры технологического процесса. Если переменные покидают интервал нормального протекания процесса, то это говорит о нежелательных режимах, что требует управления. При этом в силу случайного характера возмущений измеряемые технологические величины являются стохастическими процессами. По результатам измерений рассчитывается добавка необходимого тепла, изменяется тягодутьевой режим, либо корректируются другие управляющие воздействия для компенсирования этих возмущений. Соответственно управляющие воздействия как реакция на входные случайные изменения тоже будут носить стохастический характер, что позволяет применять методы статистической динамики для идентификации математической модели.

На рис 1.1 приведена схема системы управления качеством обжига, построенная на основе принципов автоматизированного управления и критериев, изложенных Е.Я. Гельфандом[31]. Измерение и контроль параметров процесса обжига производится с целью стабилизации температурного режима, повышения энергоэффективности печного агрегата, поддержание качества на требуемом уровне и повышения производительности печи.

На представленной функциональной схеме устройство сбора и первичной обработки информации является информационно-измерительной подсистемой,

и и

устройство принятия решения служит для выдачи управляющих воздействии (расход топлива) и к (разрежение за обрезом печи - тяга), отрабатываемых регулирующими органами Р исполнительных устройств. Управляющие воздействия выдаются в соответствии с используемыми алгоритмами

управления и на основе вектора состоянии процесса обжига клинкера. Также в качестве управляющих переменных воздействующих на тепловой режим печи выступают расход сырья, поступающего в печь {ц) и скорость вращения печи.

Важным также является использование для управления следующих технологических переменных: температура материала в зоне подогрева Тзп, кальцинирования Тзк, спекания Тзс и охлаждения Т30, содержание в отходящих газах С02, 02 и СО, содержание в материале СаОсв, определяемое косвенным путем и гранулометрические характеристики / при наличии соответствующих приборов контроля.

Качество цемента в форме содержания свободной окиси кальция в клинкере на выходе печи в силу сложности и длительности лабораторного измерения можно оценить по температурам в зонах печи, поскольку процесс изменения СаОсв прямо зависит от температуры[3]. Для этого необходимо строить систему управления печью как распределенным объектом, разбивая печь на зоны и выделяя переменные по каждой зоне, характеризующие протекающие физико-химические процессы.

Проведенный анализ показывает, что процесс обжига клинкера во вращающейся печи характеризуется большим количеством технологических переменных, которые в большинстве случаев имеют стохастический характер. На измеряемые технологические величины влияют случайные возмущающие воздействия, которые появляются вследствие температурных, механических и других случайных изменений внешней среды, износа оборудования, изменения состава шлама, погрешностей настройки и регулировки агрегатов, естественного дрейфа параметров, поэтому для получения математической модели следует обратить внимание на применение статистических методов.

1.2.Исследование методов идентификации процесса обжига клинкера

При построении автоматизированной системы управления сложным объектом возникает задача идентификации текущего состояния параметров объекта и его математической модели с целью прогноза протекания процесса, а

также синтеза управляющего устройства, которое обеспечивает заданное значение переменных объекта. В процессе обжига клинкера происходят физико-химические, механические, температурные воздействия на сырье, которые воспринимаются большим количеством контролируемых величин, поэтому система управления и контроля технологическим процессом обжига клинкера имеет множество измерительных приборов, регистрирующих, управляющих и исполнительных устройств. Наиболее значительные трудности при разработке автоматизированных систем связаны с тем, что отсутствуют удобные математические модели процесса обжига, позволяющие синтезировать системы регулирования технологическими величинами.

Отсутствие математических моделей, пригодных для целей управления, объясняется следующими особенностями процесса обжига:

- сложностью технологического процесса и особенностью цементных печей (протяженность в пространстве, большие размеры);

- недоступностью некоторых зон обработки материала в печи для установки приборов и оценки технологических параметров;

- сложными условиями в печи и высокой агрессивностью процесса (высокая температура, влажность, запыленность).

Математические модели процесса обжига, представленные в литературе, в основном разделяются на два направления: изучение физико-химических процессов клинкерообразования со значительным химическим уклоном, и изучение теплотехнических процессов протекающих в печах обжига. Для построения же системы регулирования процессом требуется математическая модель, содержащая в форме переменных модели измеряемые величины и управляющие воздействия, и отражающая связь между данными переменными в динамике. Имеющиеся математические модели технологического процесса обжига страдают излишней сложностью и отражают большое количество физических параметров, которые трудно измерить или рассчитать на основе измеряемых данных. Причем, если структура модели разработана достаточно

хорошо, то значения параметров модели определяются, как правило, только теоретически, что затрудняет практическое использование моделей.

Для преодоления этих трудностей можно использовать методы статистической идентификации, позволяющие получить динамическую связь между переменными без детального изучения физики и химии процесса. В последнее время с развитием микропроцессорной техники и БСАОА-технологий применение данных методов приобретает особую актуальность, поскольку имеется возможность обработки больших массивов данных и проведения идентификации в реальном режиме времени[32].

Применение статистических методов требует вместе с формированием перечня информативных переменных о состоянии объекта управления определение общего характера изменения этих переменных во времени. Для этого была получена и проанализирована база данных на ЗАО «Осколцемент», где записаны с помощью имеющейся аппаратуры процессы изменения температуры в различных точках исследуемого объекта, разрежения в пыльной камере, расхода топлива, а также данные о составе и изменении концентрации отходящих газов углекислого газа и кислорода.

Анализ записанных во времени переменных и статистическая обработка показали, что они представляют собой случайные процессы, обладающие свойствами стационарности и эргодичности, что также отмечено в исследованиях цементного производства[33].

Рассчитанные корреляционные функции, полученные при обработке массивов данных, содержащих значения записанных во времени технологических величин, с достаточной степенью точности аппроксимируются аналитическими выражениями вида Щт)=Ве ат и

Щт) = Ве олсо8(оЛ).

Таким образом, модель процесса обжига клинкера должна строиться на множестве стационарных случайных сигналов, причем требуется иметь математическую модель процесса обжига в динамике, так как на ее основе

возможно прогнозирование процессов и синтез динамических систем управления.

При применении статистических методов к сложным объектам управления, часто для построении математической модели процессов применяют метод регрессионного анализа. При этом, обычно, регрессионные модели ограничивают вторым порядком. В исследованиях Ю.В. Васильченко[34] получена функциональная связь предела прочности цемента при изгибе (у) от состава шихты:

у = 3,75+0.7351 х/+0.265x2-0,193x^+0,0025 х7 х2+0,02х;хз-0,07х2х5, (1.1) где хI - коэффициент насыщения, х2 - сульфосиликатный, а х3 -сульфоалюмитный модули.

Следует отметить, что статические модели процесса обжига довольно распространены и их получение гораздо проще, чем идентификация динамической модели обжига. Однако разработка системы управления позволяющей регулировать технологические величины в реальном режиме, требует наличия именно динамической модели, задача получения которой решается в настоящей работе.

В статье Г.М. Гофмана[35] описано получение статической и динамической модели процесса обжига, модель в динамике задается таблицей (смотри табл 1.1). Для обработки экспериментальных данных был применен метод корреляций. Недостатки данной модели следующие: в таблице имеется большое количество пробелов, то есть по некоторым каналам модели не были получены; в списке переменных имеются абстрактные технологические величины, например «аэродинамический режим», что затрудняет синтез регулирования.

В настоящее время современные средства контроля и БСАВА-технологии позволяют получить математическую модель с применением корреляционных методов, полностью описывающих связь между входными и выходными параметрами объекта как модели взаимосвязного объекта, кроме того имеется возможность получения математической модели в реальном режиме времени.

Динамические характеристики печи и холодильника

Таблица 1.1

Воздействие Температура перед зоной кальцинирования Перепад давления в пыльной камере Содержание 02 в отходящих газах

т Т К г Т К Т Г К

Аэродинамический 15 мин. 48 мин 63° С 6 сек 21 сек 0,1мм вод.ст. 5,5 мин 2 мин 0„45%0?

режим мм вод.ст %открытия %открытия

Топливо 18 мин 76 мин 0,2° С _ _ _ 4 мин 3,2 мин 0,00125%0?

мм вод.ст нм /ч

Скорость решеток холодильника — — — — — — — — —

Количество охлаждающего воздуха в горячей камере холодильника — — — — — — — — —

Питание печи шламом 85 мин 14 мни 16,6°С сек — — — — — —

Большинство переменных процесса обжига клинкера имеют допусковый интервал, в пределах интервала качество технологического процесса считается приемлемым и управление не производится.

Для вращающейся печи с рекуператором в качестве холодильника, работающей на газообразном топливе, допусковые интервалы для управляющих воздействий можно записать в следующем виде [31]:

qn<q(t)<qв, кН < кЦ) < кВ, 0Н<Я®<0В, Vн<v(t)<vв.

В представленных неравенствах индексы V и V обозначают соответственно нижнее и верхнее значение расхода топлива д, тяги к, расхода сырья которое подается в в печь, скорости вращения V печи.

Допусковые интервалы имеются и для управляемых технологических величин, что отражает требуемое качество протекания процесса обжига, например тепловой режим характеризуется температурой по зонам печи, для которых заданы некоторые интервалы. Также имеются ограничения для технологического оборудования, например температура в зоне спекания Тзс должна быть не выше определенного значения, что проистекает из требований стойкости футеровки

ТЗС(Х^) <—Твзс,

ГТ1 и

а температура отходящих газов Тог кроме того, что имеет интервал заданный требованиями технологического процесса обжига в печи, в случае если используются циклонные теплообменники имеет дополнительные ограничения, с целью предотвращения появления расплава сырья в циклонах

тог(х,0 <=твог.

Системы управления обжигом должны поддерживать значимые переменные процесса в заданных пределах, что может быть осуществлено за счет применения различных принципов построения систем, при этом желательно использовать принципы каскадности, автономности, оптимальности, применяемые к сложным, многосвязным объектам, к которым относится печь обжига.

В современной литературе посвященной задачам идентификации [36], математическая модель строится на основе измерений, которые получают в процессе работы объекта по входным и выходным технологическим величинам. При решении задачи идентификации в широком смысле, структура модели неизвестна и ее приходится получать на основе внутренних связей объекта, задача же идентификации в узком смысле требует нахождения только параметров модели при известной структуре.

При разработке автоматизированной системы управления процессом обжига клинкера во вращающейся печи затруднительно использовать структурные и параметрические модели представленные в литературе, поскольку некоторые модели используют избыточное число контролируемых переменных, которые нет возможности отследить, другие представлены только в форме структур без численных значений параметров [37], третьи не имеют в качестве переменных значимые управляющие и управляемые технологические величины процесса обжига.

Задачу идентификации динамических параметров процесса обжига по статистическим данным при производстве цемента можно сформулировать следующим образом.

На интервале времени ^оЛд наблюдаются управляемые технологические величины и производятся управляющие воздействия, с помощью рабочих органов. Измеряемыми переменными являются такие параметры как температура в зоне спекания, сушки и кальцинирования, расход и калорийность газообразного топлива, температура отходящих газов и разрежение в пылеосадительной камере, химический состав и влажность шлама и т.п. Требуется с достаточным для целей построения системы управления качеством определить матрицу передаточных функций, отражающих взаимосвязь между управляющими и управляемыми переменными, где каждый элемент матрицы представляет взаимосвязь между конкретной входной и выходной переменной.

Целый ряд трудов посвящены решению задачи идентификации сложного объекта с использованием статистических методов. Изучение данных работ позволяет сделать вывод, что статистическая идентификация динамических процессов приобретает все большую актуальность.

В силу перечисленных факторов можно сделать вывод об актуальности задачи получения математической модели процесса обжига с помощью статистической идентификации динамических параметров вращающийся печи. При этом модель печи должна быть представлена как модель взаимосвязного объекта, с той целью, чтобы была возможность применить методы управления сложными объектами основанные на принципах оптимальности, автономности и каскадности. Вместе с тем для печи обжига как протяженного в пространстве объекта важно также построение модели как распределенного объекта, поскольку такая разбивка дает нам возможность регулировать температуры по отдельным зонам и одновременно температурное поле печи обжига в целом.

1.3. Оценка состояния проблем интенсификации и управления вращающейся печи обжига клинкера

Построение автоматических и автоматизированных систем управления печами обжига зависит от особенностей производства: применяемого топлива (твердое или газообразное), способа охлаждения (колосниковые или рекуператорные холодильники), размеров печи, наличия приборов контроля. Физико-химические процессы, которые протекают в процессе обжига и характеризуются сложностью и взаимосвязностью тоже затрудняют разработку эффективной автоматической или автоматизированной системы управления.

Система регулирования процессом обжига[38] во вращающихся печах малых размеров, работающих на газообразном топливе (диаметр не более 2 м, длина не более 85 м), включает датчики температуры в зонах подогрева, кальцинирования и спекания, температуры отходящих газов и содержания кислорода в отходящих газах, датчик измерения гранулометрических

характеристик клинкера, а также регулирующие блоки, которые выдают сигналы управления подачей топлива, шлама и тягодутьевым режимом (рис.1.2).

Рис. 1.2. Функциональная схема регулирования процесса обжига в печи, работающей на газообразном топливе: Рг - давление газа, Сг - расход газа, Тзс - температура в зоне спекания, Гр -гранулометрический состав клинкера, Тзк - температура в зоне кальцинирования, Сшл -расход шлама, Т„ - температура в зоне подогрева, ¿> - содержание кислорода в отходящих газах, Тог ~ температура отходящих газов, Р1 - регулятор давления газа, Р2 - позиционный регулятор, РЗ - регулятор температуры зоны кальцинирования, Р4 - регулятор шлама, Р5 -позиционный регулятор вторичного прибора газоанализатора, Р6 - регулятор температуры отходящих газов, ИМ - исполнительные механизмы.

Представленная система регулирования процессом обжига управляет подачей тепла по длине печи, причем может корректировать длину зон спекания и кальцинирования в случае нежелательного теплового режима в данных зонах, нарушения газодинамического сопротивления и соответственно уменьшения скорости продвижения горячих газов по печи, возмущений связанных с подсосом воздуха. Плюсы системы в том, что она позволяет управлять печью при минимальных энергозатратах и экологических выбросах.

Недостатком данного принципа построения автоматической системы является то, что система регулирования не способна выборочно контролировать температуру материала по зонам печи и соответственно

данная система не обеспечивает надежный и постоянный контроль температуры материала по всей длине прохождения материала, не производит регулирование температурами материала по отдельным зонам, что снижает качество получаемого клинкера и срок службы печи.

Достаточно приемлемые показатели регулирования температуры отходящих газов дает оригинальная система, представленная в патенте № 2068162[39]. На рис. 1.3. показана блок-схема системы управления вращающейся печью, где: 1 - печь обжига клинкера, 3 - камера ввода горячих газов, 4 - топливный трубопровод, 6 - устройство для сжигания топлива, 7 -датчик температуры отходящих газов, 8 - корректирующий регулятор, 9 -задатчик температуры отходящих газов, 10 - блок суммирования, 11 -задатчик расхода топлива, 12 - регулирующий блок, 13 - датчик расхода топлива, 14 - исполнительный механизм, регулирующий подачу топлива.

9 11

Рис. 1.3. Функциональная схема системы управления вращающейся печью по температуре отходящих газов

В системе производится измерение температуры отходящих газов, далее осуществляется сравнение измеренного значения с заданием, и корректор вырабатывает воздействие, которое подается на сумматор вместе с заданием на расход, результат суммирования поступает на регулирующий блок как задание. Регулирующий блок по рассогласованию между задающим воздействием с сумматора и текущим значением расхода, управляет подачей топлива в камеру сгорания, которая соединена с корпусом печи в зоне сушки.

Представленная система регулирования обладает следующими недостатками: нет возможности обеспечить управление температурами материала по всем зонам печи, в зависимости от изменения параметров материала и по критериальному подходу. Устройство хотя и имеет дополнительные регулирующие воздействия, которые обеспечивают влияния на почти все зоны печи, не может поддерживать оптимальные температурные режимы перерабатываемого материала, то есть не обеспечивает поддержание заданного оптимального распределения температурного поля по всей длине печи или во всех ее зонах по длине, поскольку отсутствуют необходимые датчики контроля температур по зонам. Это снижает срок службы элементов вспомогательного оборудования и корпуса печи, уменьшает надежность процесса обжига из-за опасности прожога корпуса, а также приводит к снижению качества производимого клинкера.

Построение системы управления для печей обжига клинкера с применением рекуператорного холодильника должно учитывать особенности управления охлаждением клинкера и отличается от печей, где применяются другие типы холодильников. Для печей с рекуператорами, где применяется газообразное топливо, конструкторское бюро предприятия Севзапмонтажавтоматика разработало систему автоматического регулирования, стабилизирующую процесс обжига[40].

Система управления состоит из нескольких систем регулирования, которые связаны между собой логическими элементами (рис. 1.4).

Присутствуют подсистемы стабилизации входных переменных: уровень шлама в печи и давление газообразного топлива.

6 7 10

Рис. 1.4. Функциональная схема регулирования процесса обжига в печи, работающей на газообразном топливе с рекуператорным холодильником:

1 - клапан трубопровода подачи газа, 2 и 3 - заслонка для правой и левой форсунки печи, 4 - корпус вращающейся печи, 5 - электропривод, 6 - шламовый питатель, 7 -электропривод шламового питателя, 8 - пылеосадительная камера, 9 и 10 - шиберы дымососа, 11 - дымосос, Д1 - датчик расхода газа, Д2 - датчик пирометр, ДЗ и Д7 -датчики-термопары, Д4 и Д5 - датчики тахогенераторы, Дб - датчик-газоанализатор, Р1 -регулятор подачи газа, Р2 - регулятор температуры в зоне спекания, РЗ - регулятор температуры в зоне кальцинирования, Р4 - регулятор подачи шлама, Р5 - регулятор температуры отходящих газов, Рб - сумматор, ИМ2 и ИМЗ - исполнительные механизмы форсунок, ИМ4 - исполнительный механизм электропривода шлампитателя, ИМ5 и ИМ6 -исполнительные механизмы шиберов дымососа, Р1 - регулятор системы давления газообразного топлива

В представленной автоматической системе управления подсистемы регулирования стабилизируют температурные режимы основных зон печи обжига: зоны спекания, зоны кальцинирования, зоны сушки. Поскольку отсутствует достаточное число регулирующих величин, которые управляют выборочно температурными режимами отдельных зон печи, затрудняется разработка системы стабилизации температурного режима печи, что объясняет некоторую сложность схемы.

Для данной системы управления испытания на производстве показали, что функционирование системы не исключает участия оператора в управлении обжигом, но результаты управляющих воздействий позитивно сказываются на режиме обжига, тем самым облегчая работу оператора и

снижая риск неверных решений. Качество клинкера при работе системы также несколько возрастает, по сравнению с ручным управлением.

Автоматическая система регулирования процесса обжига клинкера во вращающейся печи с газообразным топливом при мокром способе производства внедрена и дала положительные результаты на заводе в Сан-Андреас (США). Принципы построения данной системы являются предпочтительными при разработке автоматизированного управления, поскольку оцениваются практически все значимые переменные процесса обжига, при этом возможно управление температурой материала по зонам печи.

Исследование систем и способов управления процессом обжига показало, что вопросы построения схем автоматического управления хорошо проработаны, в литературе имеется большое количество структур систем управления с использованием различных контуров регулирования, но вопросы синтеза регуляторов и моделирования разработанных систем управления освещены в гораздо меньшей степени. При этом вопросы идентификации процесса обжига рассматриваются в основном для статической стабилизации. Вследствие этого идентификация динамических параметров процесса обжига, и построение на основе математической модели динамической системы управления являются актуальными задачами, требующими своего решения.

1.4. Постановка задач исследований

Цементная печь обжига клинкера - это сложный теплотехнический объект. Интенсификация и оптимизация обжига в этом объекте и синтез системы управления обжигом представляют собой актуальные задачи.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса обжига клинкера за счет оптимизации управления обжигом с помощью разработанной автоматизированной системы управления, локальные подсистемы которой реализуют управление вращающейся цементной печью.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

- разработка математической модели динамики процесса обжига и теплообмена в печи на основе реальных технологических параметров, характеризующих переменные состояния объекта управления;

- построение математической модели печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, пригодной для решения задачи оптимизации теплообмена по компенсационному признаку;

- разработка локальных подсистем управления с использованием принципов каскадности и связности;

- параметрический синтез оптимальной системы управления печи обжига как распределенного объекта.

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЛИНКЕРА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧИ

2.1. Анализ исходных данных и выбор метода идентификации цементной печи как объекта управления

Обжиг цементного клинкера во вращающейся печи представляет собой сложный технологический процесс, при котором происходят физические и химические превращения материала. Цементная печь для мокрого способа производства (рис.2.1) имеет протяженность 60-120 м, схема автоматизации такой печи содержит от двадцати до тридцати управляющих технологических параметров[41].

Рис.2.1. Значимые управляющие и управляемые технологические параметры печи обжига

На предприятии ЗАО «Осколцемент» была получена база данных для печи №1, содержащая массивы фиксируемых параметров АСУ ТП обжига. Поскольку анализируемые массивы были выгружены из базы данных, они были обработаны, произведена выборка требуемых технологических параметров и исключены параметры, прямо не влияющие на ход технологического процесса, например такие как температура подшипников главного привода, давление газа до газораспределительного узла и др. Выгруженные из базы данных технологические параметры приведены в табл.2.1.

34 Выбор анализируемых технологических па; Таблица 2.1. )аметров

Значимость Обозначение Название Имя файла Шаг Ат, мин Дата/Время

Измеряемые параметры

е Т404 Температура вторичного воздуха (в головке печи) 247 1 2008/05/11 16:16:41

е Т301 Температура в зоне кальцинирования, 239 1 2008/05/11 16:16:41

е Т302 Температура в зоне подогрева 238 1 2008/05/11 16:16:41

Ь401 Уровень слоя клинкера в холодильнике 220 2008/05/11 16:14:41

е Е70-1 Нагрузка на 1-й электродвигатель 255 1 2008/05/11 16:16:41

е Е70 Нагрузка на 2-й электродвигатель 254 1 2008/05/11 16:16:41

Р205 Разреженность отходящих газов после электрофильтров 60 265 2008/05/11 16:14:41

Т406 Температура клинкера на выходе из холодильника 250 1 2008/05/11 16:15:41

е 0201 Концентрация С02 в отходящих газах 235 1 2008/05/11 16:16:41

Т202 Температура отходящих газов до электрофильтров 56 204 1 2008/05/11 16:15:00

е Р201 Разреженность отходящих газов в пылеосадительной камере 231 1 2008/05/11 16:16:41

е Т201 Температура отходящих газов в пылеосадительной камере 232 1 2008/05/11 16:16:41

Т204 Температура отходящих газов 56 после электрофильтров 56 203 5 2008/05/11 16:14:41

Р204 Разреженность отходящих газов после электрофильтров 56 205 5 2008/05/11 16:14:41

Исполнительные механизмы

Н63 Положение шибера вентилятора острого дутья (холодильник) 209 5 2008/05/11 16:15:00

® Н56 Положение шибера дымососа 56 229 1 2008/05/11 16:16:41

е Н60 Положение шибера дымососа 60 230 1 2008/05/11 16:16:41

е С^аг Расход газа С^аг 1 2008/05/11 16:16:41

е (^Ы Расход шлама 274 1 2008/05/11 16:16:41

е Репос^оЬокЛа Период оборота печи 271 1 2008/05/11 16:16:41

Для построения математической модели из всей массы переменных необходимо выделить значимые, управляемые переменные, которые характеризуют состояние процесса обжига, и измеряются с помощью датчиков, и управляющие переменные, изменяя которые оператор печи управляет технологическим процессом.

На основе опроса операторов на таких заводах как ЗАО «Осколцемент», ЗАО «Белгородский цемент» и ОАО «Себряковцемент», а также анализа литературы [42] был сформирован перечень основных для оператора измеряемых и управляющих переменных: Qgaz - количество газа(топлива), подаваемого в печь; Ни Н2 - положение шиберов дымососов; Тог, Р0г температура и давление отходящих газов; С02 - концентрация углекислого газа в отходящих газах; ТЬТ2 - температуры материала в зонах подогрева и кальцинирования; 1нагр ~ нагрузка на главном приводе печи; Твт, Рвт -температура и давление вторичного воздуха; ()шл - количество подаваемого шлама; ¿0б - время оборота печи.

В табл.2.1 технологические параметры, которые будут использоваться для построения математической модели отмечены знаком «©». Все массивы данных для возможности оценки корреляции между сигналами были выровнены относительно единого стартового времени 2008/05/11 16:16:41, а предыдущие значения были отброшены.

Получение математической модели предполагает определение дифференциальных уравнений объекта, которые описывают его поведение в динамике. Такие уравнения легко находятся по выражениям для передаточных функций Жф процессов, характеризующих объект, поэтому задача анализа сводится к нахождению передаточных функций этих процессов.

В ТАУ существует несколько методов определения динамических характеристик системы, основанных на исследовании реакции системы на стандартные возмущения[43]. В качестве стандартных возмущений используют: единичную функцию, 8 - функцию и гармонический сигнал.

Реакцией системы на единичную функцию является переходная функция, по которой можно определить передаточную функцию. В случае гармонического возмущения мы получаем комплексную частотную характеристику (КЧХ) системы W(jco), из анализа которой можно определить выражение для W(s). Воздействие S - функции вызывает реакцию импульсной переходной функции w(t), которая также как и передаточная функция полностью описывает динамические свойства системы[44]. Различие между ними состоит в том, что передаточная функция дает описание динамических свойств, используя плоскость комплексного переменного s, импульсная переходная функция используется же при исследовании объекта в области вещественного переменного t. Функции w(t) и W(s) являются преобразованиями Фурье друг для друга. Следовательно, имея выражение для w(t) можно определить передаточную функцию W(s) системы.

Для исследуемого нами объекта не применимы описанные методы теории автоматического регулирования по таким причинам:

1) нежелательна подача на вход объекта возмущающих воздействий специального вида, так как это ведет к нарушению нормального хода процессов в объекте;

2) очень часто на эти воздействия накладываются случайные неконтролируемые возмущения.

В результате оказывается невозможным определить динамические характеристики системы по типовым входным сигналам.

Поэтому для нахождения динамических характеристик объекта использован метод статистической динамики линейных систем автоматического управления, поскольку как было отмечено, объект управления в перовом приближении может быть отнесен к классу линеаризованных.

Сущность метода состоит в том, что если в нормальных условиях работы, воздействие, приложенное ко входу исследуемой системы может рассматриваться как стационарная случайная функция, то можно определить

корреляционную функцию входа Rq{г) и взаимную корреляционную функцию между входом и выходом RQq{г).

Известно[45], что эти функции связаны интегральным уравнением вида:

о

решая которое относительно w(X), можем найти импульсную переходную функцию w(t), а по ней и передаточную функцию tV(s).

Таким образом, задача определения динамических характеристик объекта сводится к выполнению следующих этапов:

- запись случайных процессов на входе и выходе системы;

- определение оценок вероятностных характеристик полученных сигналов;

- определение динамических характеристик объекта w(t) и W(s).

Модель вращающейся печи обжига, изображенной на рис.2.1, может быть представлена в виде распределенных в пространстве, примыкающих друг к другу зон, преобразования материала [21]. В этом случае целесообразно разделить печь на п зон по количеству контролируемых переменных. На каждом участке последовательной цепи моделей происходят физико-химические превращения материала, отражаемые модельными переменными в форме оператора преобразования, причем контролируемая переменная на выходе предыдущей зоны влияет на последующие зоны печи вплоть до выхода объекта. Такой подход к математическому описанию сложного объекта управления существенно упрощает теоретическое описание исследуемого объекта, поскольку декомпозиция его на более простые объекты позволяет глубже проанализировать реальные процессы в условиях, присущих конкретной зоне.

Для иллюстрации подхода к построению динамической модели объекта управления рассмотрим более подробно один из участков, например, «температура материала в зоне спекания - температура материала в зоне кальцинирования». Данный участок печи можно представить в виде

функционального блока передаточной функцией Щ», которую необходимо определить, используя методы статистической динамики. Из рис.2.2 видно, что на вход объекта подается случайная функция 2 - температура материала в зоне подогрева, на выходе получаем также случайную функцию, которая представляет собой температуру материала в зоне кальцинирования д.

та.°с

4

а)

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Порхало, Василий Александрович

Основные результаты диссертационной работы следующие.

1. Разработана математическая модель динамики процесса обжига и теплообмена в печи, построенная на основе корреляционных методов, применяемых к реальным технологическим параметрам, характеризующим переменные состояния объекта управления.

2. Построена математическая модель печи как распределенного объекта, состоящего из нескольких зон преобразования материала, на основе которой проведена параметрическая оптимизация теплового режима печи.

3. Разработан алгоритм и программа идентификации структуры и параметров модели по экспериментальным данным, пригодная для широкого использования для идентификации других сложных объектов управления.

4. Получены условия автономности связной системы управления и предложена структура автономной системы управления по двум переменным -температуре отходящих газов и содержанию С02.

5. Показана целесообразность применения каскадной системы регулирования тока нагрузки главного привода вращающейся печи обжига клинкера в связи с наличием переменных, изменяющихся с существенно различной скоростью, и синтезирована структура каскадной системы, используемой в качестве подсистемы советующей системы.

6. Решена задача оптимизации теплообмена в печи по компенсационному признаку и предложена структура системы, обеспечивающая минимум свободной окиси кальция.

7. Разработана структура микропроцессорной системы автоматизации, обеспечивающей выбор и стабилизацию оптимальных рабочих режимов обжига клинкера.

8. Разработана советующая система управления теплообменом в печи, состоящая из локальных подсистем, построенных по принципам оптимальности, каскадности и автономности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Порхало, Василий Александрович, 2012 год

Список литературы

1. Дуда, В. Цемент, электрооборудование, автоматизация, хранение, транспортирование. Справочное пособие/В. Дуда. -М.: Стройиздат, 1987374 с.

2. Мазуров, Д. Я. Теплотехническое оборудование заводов вяжущих материалов. / Д. Я. Мазуров. - М.: Стройиздат, 1982. - 288 с.

3. Беседин, П. В. Энерготехнологический анализ процессов в технологии цементного клинкера / П. В. Беседин, П. А. Трубаев. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ: БИЭИ, 2005. - 456 с.

4. Силенок, С. Г. Печные агрегаты цементной промышленности / С.Г. Силенок,

Ю. С. Гризак, В. Н. Лямин и др. - М.: Машиностроение, 1984. - 168 с.

5. Гольдштейн, Л. Я. Комплексные способы производства цемента / JI. Я. Гольдштейн. - JL: Стройиздат, 1985. - 160 с.

6. Лисиенко, В. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология: Справочное издание. Книга 2 / под ред. В. Г. Лисиенко. - М.: Теполотехник, 2004. - 592 с.

7. Зозуля, П. В. Проектирование цементных заводов / Ред. П. В. Зозуля, Ю. В. Никифоров. - СПб.: Синтез, 1995.-446 с.

8. Гелъфанд, Я. Е. Статистические методы в управлении цементным производством / Я.Е. Гельфанд. - Л.: Стройиздат, 1979. - 127 с.

9. Классен, В. К Обжиг цементного клинкера / В. К. Классен. - Красноярск: Стройиздат, 1994. - 322 с.

10. Кочетков, В. С. Автоматизация производственных процессов и АСУП промышленности строительных материалов / В. С. Кочетков, Л. Р. Немировский и др. - Л.: Стройиздат, 1981. - 456 с.

11. Рубанов, В. Г. Применение среды MATLAB и расширения GUI для идентификации сложного объекта / В. Г. Рубанов, В. А. Порхало // Известия ТулГУ. - 2011. - Вып. 6. - Ч. 2. - С. 14 - 20.

12. Рубанов, В. Г. Получение математической модели обжига клинкера с применением статистических методов / В. Г. Рубанов, В. А. Порхало // Научные ведомости Белгор. гос. ун-та. - 2010. - № 7 (78). - выпуск 14/1. -С. 80-88.

13. Порхало, В. А. Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций / В. А. Порхало, А. Г. Бажанов, В. 3. Магергут //Научные ведомости Белгор. гос. ун-та. - 2011. - № 1 (96). - выпуск 17/1. - С. 162168.

14. Порхало, В. А. Проектирование каскадной системы управления печью обжига клинкера / В. А. Порхало, В. Г. Рубанов // Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения): сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., Белгород, 11-12 окт. 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 74-78.

15. Рубанов, В. Г. Проектирование системы управления печью обжига клинкера как многосвязного объекта. / В. Г. Рубанов, В. А. Порхало // Компьютерные науки и технологии: сб. тр. II Междунар. науч.-техн. конф., Белгород, 3-7 окт. 2011 г. / Белгор. гос. нац. исслед. ун-т. - Белгород: Изд-во НИУ «БелГУ», 2011. - С. 339-342.

16. Рубанов, В. Г. Автономная двусвязная система управления печью обжига / В. Г. Рубанов, В. А. Порхало // Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы: сб. докл. Всерос. науч. шк., Новочеркасск, 5-7 сен. 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: Изд-во ЮРГУ «НПИ», 2011. - С. 91-95.

17. Порхало, В. А. Математическая модель обжига клинкера как многосвязного объекта / В. А. Порхало, В. Г. Рубанов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24 [текст]: сб. Трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 6. Секция 6,7 / под общ. ред. В.С. Балакирева. - Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011. С. 83-85.

18.Порхало, В. А. Получение математической модели обжига клинкера на основе решения уравнения Винера-Хопфа / В. А. Порхало, В. Г. Рубанов // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф., Саратов, 22-25 июня 2010 г. / Сарат. гос. техн.ун-т. - Саратов, 2010. - Т.10. - С. 132-135.

19. Магергут, В. 3. Повышение эффективности работы вращающейся печи с применением комбинированных методов управления / В. 3. Магергут, В. Г. Рубанов, А. Г. Бажанов, В. А. Порхало, А. С. Копылов // Сб. трудов XXIII Междун. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях» (ММТТ-23). Том 10. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т - 2010 . - С.41-45.

20. Бажанов, А. Г. Повышение эффективности работы вращающейся печи с применением комбинированных методов управления / А. Г. Бажанов, В. А. Порхало, А. С. Копылов // Сборник докладов участников программы «УМНИК». Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова - 2010. - С. 6 -14.

21. Рубанов, В. Г. Управление качеством обжига с применением современных средств автоматизации / В. Г. Рубанов, В. А. Порхало // Цемент Известь Гипс (специальный выпуск) - 2009. - №4. - С. 141-144.

22. Порхало, В. А. Программа адаптивного трехпозиционного регулирования с насыщением / В. А. Порхало, А. Г. Бажанов, В. 3. Магергут // Свидетельство Российской Федерации о государственной регистрации программы для ЭВМ. Заявитель и правообладатель Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - № 2011616238 от 09.08.2011.

23. Древицкий, Е. Г. Повышение эффективности работы вращающихся печей/ Е.Г. Древицкий, А.Г. Добровольский, A.A. Коробок. - М.: Стройиздат, 1990. - 225 с.

24. Ходоров, Е. И. Печи цементной промышленности / Е.И. Ходоров. - Д.: Стройиздат, 1968. - 456 с.

25. Юнг, В. Н. Основы технологии вяжущих веществ / В.Н. Юнг. - М.:

Госстройиздат, 1961. - 232 с.

26. Колбасов, В. М. Технология вяжущих материалов / В. М. Колбасов, И. И. Леонов, Л. М. Сулименко. - М.: Стройиздат, 1987. - 432 с.

27. Лощинская, А. В. Интенсификация процессов обжига цементного клинкера /

A. В. Лощинская, А. Е. Мягков и др. - М.: Стройиздат, 1966. - 175 с.

28. Острейковский, В. А. Теория систем / В. А. Острейковский. - М.: Высшая школа, 1997.-240 с.

29. Афанасьев, В. Н. Математическая теория конструирования систем управления / В. Н. Афанасьев, В. Б. Колмановский, В. Р. Носов. - М.: Высшая школа, 2003. - 615 с.

30. Кафаров, В. В. Автоматизация управления цементным производством / В.В. Кафаров, В. И. Сатарин, В. Б. Шифрин. - Киев: Буд1вельник, 1982. -320 с.

31. Гелъфанд, Я. Е. Управление цементным производством с использованием вычислительной техники. / Я. Е. Гельфанд. - Л.: Стройиздат, 1973. - 178 с.

32. Магергут, В. 3. Разработка и применение программ логического управления и адаптивной настройки регуляторов в управлении технологическими процессами / В.З. Магергут, Д.П. Вент, A.B. Ермолаев// Вестник БГТУ им.

B.Г. Шухова, №3, 2003. - С. 164-166.

33. Рубанов, В. Г. Основы теории и методы проектирования микропроцессорных систем автоматизации технологических процессов цементного и асбесто-цементного производства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - Белгород: БТИСМ, 1992.-31 с.

34. Васильченко, Ю. В. Тампонажный магнезиальный сульфоцемент для низкотемпературных скважин. Автореферат диссертации канд. техн. наук -Белгород: БТИСМ - 1990. - 22 с.

35 .Гофман, Г. М. Система автоматической стабилизации процесса обжига во вращающейся печи 4,5x170 м // труды НИИцемент. - 1971. - № 25. - С. 6267.

36. Семенов, А. Д. Идентификация объектов управления: Учебн. пособие / А. Д. Семенов, Д. В. Артамонов, А. В. Брюхачев. - Пенза.: Изд-во Пензенского государственного университета, 2003. -215 с.

37.Кузнецов, В. А. Математическое моделирование тепловой работы цементной вращающейся печи: учебн. Пособие / В.А. Кузнецов. - Белгород: БелГТАСМ, 1994. - 78 с.

38. Пат. 2068162 РФ, МПК6 Р27В7/24. Система управления вращающийся печью для обжига клинкера / Ровинский С. В., Здасюк А. О.; заявитель и патентообладатель ОАО «Всероссийский алюминиево-магниевый институт». - 5036206/02; заявл. 07.04.1992; опубл. 20.10.1996, Бюл. №20. -13 с.

39. Пат. 2232959 РФ, МПК7 Б27В7/42. Система управления процессом обжига во вращающейся печи / Салихов 3. Г., Шубин В. И., Бекаревич А. А., Салихов К. 3.; заявитель и патентообладатель ООО Научно-экологическое предприятие «ЭКОСИ». - 2002102511/02; заявл. 01.02.2002; опубл. 27.08.2003, Бюл. №10.-5с.

40. Холин, И. И. Справочник по производству цемента / И. И. Холин. - М.: Госстройиздат, 1963. - 853 с.

41. Ицелев, Р. И. Автоматизированное управление обжигом при производстве клинкера / Р. И. Ицелев, А. Д. Кацман, В. И. Шидлович. - Л.: Стройиздат, 1978.- 151 с.

42. Нусс, М. В. Автоматизация процесса обжига цементного клинкера во вращающихся печах на основе нечеткой модели / М. В. Нусс, П. А. Трубаев, В. К. Классен // Математические методы в технике и технологиях: сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф., Саратов, 22-25 июня 2010 г. / Сарат. гос. техн.ун-т. - Саратов, 2010. - Т. 10. - С. 36-41.

43. Бессекерский, В. А. Теория систем автоматического управления / В. А. Бессекерский, Е. П. Попов . - Спб.: Профессия, 2003. - 757 с.

44. Афанасьев, В. Н. Математическая теория конструирования систем управления / В. Н. Афанасьев, В. Б. Колмановский, В. Р. Носов. - М.: Высшая школа, 2003. - 615 с.

45. Рубанов, В. Г. Статистическая динамика систем управления / Рубанов В. Г. -Белгород.: БелГТАСМ, 2000. - 113 с.

46. Пупков, К. А. Методы классической и современной теории автоматического управления: учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб. и доп. Т.2: Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. - М.: Издательство МГТУ им. НЭ. Баумана, 2004.- 640 с.

47. Прохоров, С. А. Прикладной анализ случайных процессов / Под ред. С.А. Прохорова. - М.: СНЦ РАН, 2007. - 582 с.

48. Воронов, A.A. Основы теории автоматического управления: Особые линейные и нелинейные системы / A.A. Воронов. - М.: Энергоатомиздат, 1981.-230 с.

49. Симою, М. П. Определение коэффициентов передаточных функций по временным характеристикам линеаризованных систем / М. П. Симою II «Автоматика и телемеханика». - 1957. - t.XVIII. - № 6.

50. Бутт, Ю. М. Портландцементный клинкер / Ю.М. Бутт, В.В. Тимашев. -

Стройиздат, 1967. -340 с.

51. Копылов, А. С. Нечеткое управление вращающейся печью для обжига цементного клинкера / А. С. Копылов, В. 3. Магергут, А. Г. Бажанов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24 [текст]: сб. Трудов XXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 6. Секция 6,7 / под общ. ред. B.C. Балакирева. - Киев: Национ. техн. ун-т Украины «КПИ», 2011. С. 28-29.

52. Федоренко, А. Б. Анализ и оптимизация теплообменник процессов в колосниковых холодильниках цементных печей // Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии:

Материалы Междунар. науч.-практич. конф. - Белгород: Вестник БГТУ им. В.Г.Шухова.- 2005. -№ 11.-С. 97- 109.

53.Классен, В. К. Основные принципы и способы управления вращающейся цементной печью // Цемент и его применение. - 2004. - № 2. - С. 39 - 42.

54. Кацман, А. Д. Математическая модель процесса обжига и ее использование для построения алгоритмов управления // Труды НИИцемента. - 1976. -Вып.35 -с. 44-50.

55. Круглое, В. В. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети / В. В. Круглов, М. И. Дли, Р. Ю. Голунов. - М.: Физматлит. 2001. - 224 с.

56. Леоненков, А. В. Нечеткое моделирование в среде MATHLAB и fuzzy TECH /

A. В. Леоненков. - Спб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с.

57. Кафаров, В. С. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В. С. Кафаров, М. Б. Глебов. - М.: Высшая школа, 1991.-400 с.

58. Гинзбург, И. Б. Автоматизация цементного производства. Справочное пособие. / И. Б. Гинзбург, А. Б. Смолянский. - Л.: Стройиздат, 1986.-192 с.

59. Дудников, Е. Г. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник для вузов / Под ред. Е. Г. Дудникова. - М.: Химия.1987. - 368с.

60. Мееров, М. В. Системы многосвязного регулирования. - М.: Наука, 1965. -384 с.

61. Морозовский, В. Т. Многосвязные системы автоматического регулирования /

B. Т. Морозовский. - М.: Энергия, 1970. - 288 с.

62. Магергут, В.З. Описание и применение пакета прикладных программ «Выбор регулятора и расчет его оптимальных настроек» (ППП «РЕГВИНА») / В.З. Магергут. - Белгород: БГТУ, 2007. - 28 с.

63. Красовский, А. А. Справочник по теории автоматического управления / Под редакцией А. А. Красовского. - М.: Наука, 1987. - 712 с.

64. Фаронов, В. В. Delphi 7 / В. В. Фаронов. - М.: Издатель Молгачёва C.B., 2001.-672 с.

65. Очков, В. Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров / В. Ф. Очков. СПб.:

БХВ - Петербург, 2007. - 528 с.

66. Макаров, Е. Mathcad: учебный курс (+ CD) / Е. Макаров. СПб.: Питер, 2009.

-384 с.

67. Мироновский, Л. А. Введение в MATLAB: Учеб. пособие / Л. А. Мироновский, К. Ю. Петрова; ГУАП. - СПб., 2006. - 164 с.

68. Половко, А. М. MATLAB для студента / A.M. Половко, П.Н. Бутусов. - Спб.: БХВ-Петербург, 2005. - 320 с.

69. Мелихов, А. Н. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой / А. Н. Мелихов, Л. С. Бернштейн, С. Я. Коровин. - М.: Наука, 1990. - 272 с.

70. Петров, И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приёмы прикладного проектирования / Под ред. проф. В. П. Дьяконова. -М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 256 с.