Автоматизация процессов пневмотранспортирования аэрируемых материалов в технологических системах промышленных предприятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Ковалев, Роман Валерьевич

• Ковалев, Роман Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковалев, Роман Валерьевич

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1. Область применения и общие сведения об установках

1.2. Пневмотранспорт на зарубежных металлургических предприятиях

1.3. Пневматическая подача порошкообразных материалов

1.4. Пневматические камерные насосы (камерные питатели)

1.5. Пневматические струйные насосы.

1.6. Пневматические винтовые насосы.

1.7. Режимы транспортирования аэросмеси.

1.8.Системы автоматического управления процессами пневмотранспорти-рования.

1.9. Выводы и постановка задачи исследований.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПНЕВМОТРАНСПОРТНЫХ

УСТАНОВОК.

2.1. Математические модели статической оптимизации процессов пневмотранспортирования.

2.2. Линеаризованная модель пневмосистемы.

2.3. Структурная динамическая схема пневмосистемы.

2.4. Линейные модели пневмосистемы.

2.5.Анализ моделей пневмотранспорта.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПНЕВ МО

ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ.

3.1. Вероятностные характеристики пневмосистемы.

3.2.0пределение передаточной функции пневмосистемы, как объекта управления.

3.3. Представление пневмосистемы как объекта автоматического управления в виде апериодического звена.

3.4. Определение интервала статической оценки процесса пневмотранспортирования.

3.5. Определение случайных значений параметров пневмосистемы.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПНЕВМОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Основные аэродинамические характеристики схемы замещения пневмотранспортной установки.

4.2. Системы регулирования пневмотранспортной установки по отклонению.

4.3. Оптимальное управление потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.4. Оптимальное управление потоком аэросмеси пневмосистемы при ограничении по скорости двигателя.

4.5. Оптимизация замкнутой системы управления потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.6. Адаптивные системы компенсации отклонений параметров системы управления потоком аэросмеси пневмосистемы.

4.7. Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПНЕВМОСИСТЕМЫ.

5.1. Задачи экспериментальных исследований.

5.2. Методика экспериментальных исследований питателей пневмосистемы.

5.3. Экспериментальные исследования питателей порошкообразных материалов.

5.4. Статистическая картина истечения материала.

5.5.Датчики измерения параметров пневмосистемы.

5.6. Измерение плотности потока.

5.7. Струйный пневматический метод измерения параметров потока аэросмеси.

5.8. Микроволновый расходомер сыпучих и порошкообразных материалов в потоке.

5.9. Математическая обработка экспериментальных данных динамических характеристик.

5.10. Моделирование адаптивной системы регулирования.

5.11. Экспериментальные исследования пневмосистемы.

Выводы к главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация процессов пневмотранспортирования аэрируемых материалов в технологических системах промышленных предприятий»

Снижение затрат и повышение качества выпускаемой продукции путем выявления скрытых резервов и совершенствования существующих технологий является одной из основных задач развития общественного производства

Для современного развития ведущих отраслей промышленности, в первую очередь металлургической, характерно широкое внедрение в технологию производства комплексной механизации и автоматизации с применением пневматического транспорта, который является важнейшим элементом технологических комплексов.

Пневматический (трубопроводный) транспорт, наряду с конвейерным, относится к непрерывному виду транспорта. В условиях переработки и потребления сыпучих материалов этот вид транспорта обеспечивает совершенствование процессов производства на предприятиях, а на их внешних коммуникациях используется как межотраслевой поточный транспорт, технологически связывающий в единые комплексы предприятия различных отраслей промышленности. Отличительной особенностью пневматического транспорта является возможность сочетания транспортирования с выполнением отдельных технологических процессов (окисление и восстановление, дезинтеграция и усреднение, обогащение, охлаждение, фильтрация и др.). Практикой подтверждена эффективность применения этого вида транспорта в металлургии, которые перерабатывают значительные объемы сыпучих материалов на различных стадиях производства, при этом существенная доля энергетических затрат приходится на их транспортировку и складирование. О масштабах применения пневмотранспорта на металлургических заводах можно судить по объему перевозок: трубопроводный транспорт составляет 30% объема всех транспортных работ. В свою очередь эксплуатационные расходы на 1 г • км с увеличением длины трубопровода резко уменьшаются при расстояниях до 400—500 км. В общем случае эксплуатационные расходы на транспортирование 1 т топлива пропорциональны длине трубопровода.

Эффективность применения пневматического транспорта определяется в первую очередь конечными результатами технологического процесса того или иного производства: показателем потерь груза (особенно для пылевидных материалов), который для механического транспорта достигает в отдельных случаях 5 и даже 8%; уменьшением трудоемкости работ, снижением затрат на создание необходимых санитарно-гигиенических условий труда и т. п.

Основные преимущества пневмотранспорта: сокращение производственной площади для внутризаводского транспорта в 4—5 раз по сравнению с механическими видами транспорта, простота сборки и разборки, исключение применения специальных устройств для соединения горизонтальных и вертикальных транспортных путей, безопасность работ и гигиеничность.

Засорение воздуха в помещениях и транспортно-складских цехах заводов, оборудованных механическим транспортом (конвейеры, шнеки, элеваторы) достигает 1,5 г/ж3 воздуха, в то время как при пневмотранспорте 4— 15 мг/м3. На одном из предприятий по производству глинозема (отделение кальцинации) после внедрения пневмотранспорта запыленность снизилась с 200 до 20—30 мг/м воздуха.

В определенных условиях пневмотранспорт эффективнее конвейерного. Применение пневмотранспорта выгодно при расстояниях более 20—25 м по горизонтали. По данным американских фирм, капитальные затраты на пневматическое транспортирование малоабразивных материалов оказываются меньшими по сравнению с конвейерным при расстояниях около 50 м и более (грузопоток около 40— 60 т/ч).

Дальнейшее развитие техники и технологии пневматического транспорта в металлургической промышленности является важной народнохозяйственной задачей. В связи с этим возникают сложные вопросы совершенствования техники, технологии и систем управления этого вида транспорта, а также сочетания подачи материалов с основными производственными процессами. В различных технологических компоновках предприятий трубопроводный транспорт рассматривается теперь как важнейшее звено совершенствования производства.

При наличии устойчивой тенденции к повышению стоимости сырья и энергоресурсов для достижения максимальной эффективности производства предприятиям строительной отрасли приходится ориентироваться в первую очередь на поиск и реализацию резервов снижения материале- и энергоемкости. В этой связи вопросы обеспечения оптимального функционирования высокопроизводительных систем пневмотранспортирования и складирования сыпучих материалов с малыми энергетическими затратами приобретают важное значение для снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения рентабельности производства. Решение этих задач приводит к необходимости внедрения автоматизированных систем управления технологическими режимами систем пневмотранспортирования и складирования на базе современных средств автоматизации, управления и вычислительной техники.

Техника передачи сыпучих грузов по трубопроводам будет еще шире использоваться на погрузочно-разгрузочных работах с целью практически полного устранения потерь сыпучих грузов и резкого сокращения трудоемкости работ. Транспортирование, погрузочно-разгрузочные работы, хранение таких материалов сопровождается пылением, что, помимо потерь дефицитных материалов, ведет к загрязнению окружающей среды. Последнее обстоятельство имеет особое значение в современных условиях. Поэтому транспортировка и складирование подобных материалов должны осуществляться в условиях герметичности и с применением эффективно работающего пылеулавливающего оборудования. Герметичность транспортировки перемещаемого материала, также изолирование его от внешней среды, обеспечивая пневматический способ транспортировки по трубопроводам. Пневмотранспортные установки компактны, хорошо стыкуются с заводским оборудованием.

На металлургических заводах вопросы обеспечения оптимального функционирования высокопроизводительного трубопроводного пневматического транспорта с малыми удельными энергетическими затратами неразрывно связаны с организацией автоматизированных систем управления пневмотранспортными потоками. Для построения таких систем необходимо рассмотреть вопросы моделирования движения пневмотранспортного потока на основе анализа динамики процесса - с одной стороны, и состояния технических средств системы информационного обеспечения пневмотранспорта - с другой.

Управление технологическими объектами реализуется путем обмена информацией между объектом управления и системой управления, который протекает в реальном масштабе времени. Эффективность управляющих воздействий определяется возможностью получения достоверной информации о динамике процесса управления и полностью зависит от наличия и надежности средств контроля состояния перемещаемых дисперсных сред.

Несмотря на существующий определенный опыт реализации автоматизированных систем управления пневмотранспортированием, все они, фактически, являются разомкнутыми из-за отсутствия достоверной информации об основных параметрах пневмопотока и возмущающих факторах. Сложность получения такой информации объясняется скрытым характером протекания процесса и отсутствием измерительных систем с необходимыми характеристиками, а также методической не проработанностью самой проблемы использования таких измерительных систем в контуре системы управления процессами пневмотранспортирования и складирования сыпучих материалов.

Состояние дисперсных сред с твердой и газовой фазой характеризуется плотностью среды, гранулометрическим составом частиц, уровнем или высотой слоя, температурой, давлением, скоростью потока, изменяющимися в широких пределах вследствие разнообразия промышленных условий. Средства контроля этих параметров должны обеспечивать высокую эксплуатационную надежность в условиях запыленности, вибраций, должны быть рассчитаны на массовое изготовление и мало обслуживаемое использование.

При пневмотранспортировании на первый план выходит задача достижения максимальной эффективности транспортирования материалов при наличии устойчивой тенденции к повышению стоимости энергоресурсов и сырья. Поэтому вопросы ликвидации потерь, снижения энергетических затрат, трудоемкости при транспортировании сыпучих материалов приобретают особое значение для снижения себестоимости выпускаемой продукции и повышения рентабельности производства. Эффективное решение этих вопросов, а также оптимизация самого процесса пневмотранспортирования возможно только на основе интегрированных микропроцессорных систем с использованием надежных средств контроля состояния перемещаемых дисперсных сред.

Использование микропроцессорной техники позволяет при создании и реализации систем пневмотранспортирования существенным образом изменить содержание процесса управления, переместив ряд технических аспектов реализации от локальных устройств автоматики в среду алгоритмического и программного обеспечения, решив тем самым вопросы ограничений на сложность систем управления и повысить их качество.

Применение современных средств автоматизации позволяет: повысить технико-экономический эффект от внедрения непрерывной технологии и получить высококачественную продукцию в соответствии с заданными технологическими требованиями; реализовать гибкую, быстро приспосабливающуюся к меняющимся условиям производства, систему автоматизации всего производственного; применить для пневмотранспортирования сыпучих материалов системы различной конфигурации с широким спектром изменения основных технологических показателей; учесть специфику металлургического производства в части рационального уровня автоматизаци; обеспечить максимальную гибкость и универсальность технологических решений, позволяющих сопрягать процесс непрерывного пневмотранспортирования сыпучих материалов с различными схемами организации металлургического производства; обеспечить максимально возможную унификацию как технологических решения, так и основного оборудования, аппаратуры, приборов и средств автоматизации.

Использование средств вычислительной техники позволяет вскрыть новые возможности организации процессов пневмотранспортирования сыпучих материалов металлургического производства, а оптимизация столь многофакторного технологического процесса возможна только на основе автоматизированного управления.

Именно поэтому, особенно актуальным становится решение вопросов повышения технико-экономической эффективности процессов пневмотранспортирования сыпучих материалов металлургического производства за счет использования методов и средств автоматизированного управления.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Ковалев, Роман Валерьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Наиболее перспективными в части надежности, снижения стоимости, гибкости приспособления к меняющимся условиям производства обладают системы оптимального управления процессами пневмотранспортирования сыпучих материалов металлургического производства, структурно и функционально адаптированные к условиям технологического процесса.

2. Колебания нагрузки в пневмоветвях вызывают динамические процессы, которые не обладают свойством самовыравнивания и приводят к неустойчивому режиму транспортирования и завалам трубопровода. Эффективное пневмотранспортирование связано в первую очередь с организацией режима устойчивого транспортирования, за счет использования разработанных оптимальных по быстродействию автоматических систем управления, исключающих возможность выпадения частиц из потока.

3. Разработана, учитывающая случайный характер процессов в трубопроводе, модель пневмотранспортной установки, исходя из принципов построения и методов описания систем, принятых в теории автоматического управления;

4. Для осуществления наиболее эффективного безаварийного режима функционирования пневмотранспортной установки разработана оптимальная по быстродействию система стабилизации режима устойчивого транспортирования, определены алгоритмы и вид процессов управления.

5. На основании принципа максимума решена оптимальная задача управления потоком аэросмеси пневмосистемы по максимуму быстродействия перехода системы из одного состояния в другое

6. Решена задача повышения динамической точности системы на основе применения алгоритмов адаптивного управления, которые позволяют обеспечить требуемое качество динамических процессов при изменении параметров аэросмеси.

7. Определена длина постоянного интервала процесса пневмотранспортирования, за который его случайные изменения будут достаточно полно характеризовать качество процесса.

8. Решена задача выбора числа уровней квантования N и шага квантования выходного сигнала пневмосистемы по амплитуде gj, исходя из того, чтобы, с одной стороны, квантованный по амплитуде сигнал как можно меньше отличался от сигнала на выходе, а с другой стороны - число уровней квантования было бы наименьшим.

9. Проведена экспериментальная проверка полученных результатов, которая подтвердила эффективность разработанных систем оптимального управления процессами устойчивого пневмотранспортирования сыпучих материалов металлургического производства.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковалев, Роман Валерьевич, 2010 год

1. Калинушкин М.П., Коппель М.А., Серяков B.C., Шапунов М.М. Пневмотранспортное оборудование. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1986.

2. Малевич И.П., Серяков B.C., Мишин А.В. Транспортировка и складирование порошкообразных материалов. — М.: Стройиздат, 1984.

3. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. Основы расчета. — М.: Недра, 1980.

4. Эсман В. Критерии принятия решения при выборе системы пневмотранспорта фирмы «Бюллер-Миаг» //Ауфберайтунгс — техник. — ФРГ,1984. №8.

5. Пат. 4502819 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

6. А.с. 1133199 СССР, МКИ В 65 G 53/58, 1985.

7. Пат. 59-48219 Японии, МКИ В 65 G 53/04, 1985.

8. Пат. 4482275 США, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

9. Пат. 59-17700 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

10. Пат. 2440888 ФРГ, МКИ В 65 G 53/60, 1978.

11. Пат. 2721899 ФРГ, МКИ В 65 G 53/60, 1982.

12. Пат. 4490077 США, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

13. Пат. 59-48221 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1984.

14. Пат. 60-39607 Японии, МКИ В 65 G 53/04, 1985.

15. Пат. 2562046 Франции, МКИ В 65 G 53/28, 1985.

16. Пат. 3323739, ФРГ, МКИ В 65 G 53/58, 1985.

17. Пат. 643513 Швейцарии, МКИ В 65 G 53/04, 1984

18. Пат. 4420279 США, МКИ В 65 G 53/66, 1983.

19. Пат. 2626411 ФРГ, МКИ В 65 G 53/12, 1985.

20. Пат. 4515503 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

21. Пат. 3332261 Франции, МКИ В 65 G 53/16, 1985.

22. А.с. 1081096 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

23. А.с. 1106766 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

24. Пат. 4501518 США, МКИВ 65 G 53/28, 1985.

25. Пат. 3230315 ФРГ, МКИВ 65 G 53/12, 1986.

26. Пат. 5402820 США, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

27. Пат. 58-445678 Японии, МКИ В 65 G 53/16, 1983.

28. А.с. 831693 СССР, МКИ В 65 G 53/40, 1981.

29. А.с. 1071553 СССР, МКИ В 65 G 53/ 40, 1984.

30. Пат. 4381897 США, МКИ В 65 G 53/40, 1984.

31. Пат. 3309210 КАНАДА, МКИВ 65 G 53/16, 1984.

32. Пат. 4475849 США, МКИ В 65 G 53/40,1985.

33. Пат. 3219813 Франции, МКИ В 65 G 53/22, 1985.

34. Пат. 60-39608 Японии, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

35. Пат. 4529336 США, МКИ В 65 G 53/66, 1985.

36. Пат. 4473327 США, МКИ В 65 G 53/48, 1984.

37. Пат. 3303927 Германия, МКИ В 65 G 53/48, 1997.

38. Пат. 4615647 США, МКИ В 65 G 53/48, 1995.

39. А.с. 1134503 СССР, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

40. А.с. 1122156 СССР, МКИВ 65 G 53/48, 1985.

41. Пат. 3444816 Японии, МКИ В 65 G 53/48, 1985.

42. Пат. 4500228 США, МКИ В 65 G 53/48, 1995.

43. Пат. 4183702 США, МКИВ 65 G 53/48, 1990.

44. Пат. 4480947 Германия, МКИ В 65 G 53/66, 1994.

45. Пат. 3319076 Германия , МКИВ 65 G 53/12, 1996.

46. Пат. 4184793 США, МКИ В 65 G 53/48, 1990.

47. А.с. 1255765 СССР, МКИ В 65 G 53/14, 1986.

48. А.с. 1283197 СССР, МКИВ 65 G 53/14, 1986.

49. Транспортировка и складирование порошкообразных строительных материалов/ И.П. Малевич, B.C. Серяков, А.В. Мишин. —М.: Стройиздат, 1984. 184 с.

50. Клячко М.С., Одельский Э.Х., Хрусталев Б.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов. -Мн.: Наука и техника, 1983. 216 с.

51. Справочник по аспирационным и пневмотранспортным установкам / М.П. Володин, М.Г. Касторных, А.И. Кривошеин. -М.: Колос, 1984- 288 с.

52. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. JL: Химия, 1984 — 104 с.

53. Воробьев В.А., Суэтина Т.А. Информационное обеспечение процесса пневмотранспорта и хранения цемента //Науч. тр./ Моск. Автомоб.-дорожн. Ин-т, 1992. С. 4 — 8.

54. Воробьев В. А., Суэтина Т. А. Автоматизация пневмотранспортирования цемента в строительстве на базе микропроцессорных информационно-измерительных систем: Учебное пособие / МАДИ. -М., 1993. 87 с.

55. Суэтина Т. А. Моделирование процессов технологии строительных материалов и изделий с использованием ЭВМ. —М.: МИКХИС, 1992.- 33 с.

56. Бушуев С.Д., Михайлов B.C. Автоматика и автоматизация производственных процессов. —М.: Высшая школа, 1990. — 256 с.

57. Суэтина Т.А. Измерение уровня тонкодисперсного сыпучего материала. -М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1988. 40 с.

58. Филимонова Т.А. Эжекторный пневматический датчик плотности газа // Промышленная и санитарная очистка газов. —М.: ЦИНТИХимнефтемаш, 1983, № 4, с. 17.

59. Спиваковский А.О., Смолдырев А.Е., Зубакин Ю.С. Автоматизация трубопроводного транспорта в горной промышленности. М.: Недра, 1972.-344 с.

60. Адаптивные системы автоматического управления // Под ред. В.Б. Яковлева. Д.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. 204 с.

61. В. А. Воробьев, Т. А. Суэтина. Автоматизация пневмотранспортирования цемента в строительстве на базе микропроцессорных информационно-измерительных систем.

62. М. В. Кузнецов, В. И. Марсов. Выбор статически достоверного интервала оценки ошибок измерений непрерывного процесса транспортирования. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. М. МАДИ. 1999.

63. М. В. Кузнецов, А. А. Кальгин. Автоматизация процесса транспортирования сыпучих материалов. // Автоматизация технологических процессов в строительстве. Сб. науч. тр. М. МАДИ. 2000.

64. М.В.Кузнецов. Проблемы автоматизации процессов пневмотранспортирования. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2000.

65. М. В. Кузнецов, С. Е. Солодников, Е. В. Марсова. Автоматическое транспортирование мелкодисперсных строительных материалов. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2000.

66. М. В. Кузнецов, С. Е. Солодников. Моделирование автоматической системы пневмотранспортирования тонкодисперсных1 материалов. // Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2000.

67. Адаптивные системы автоматического управления // Под ред. В.Б. Яковлева. JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984. — с.204.

68. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Структурная динамическая схема модели пневмотранспортной установки //Электронные системы автоматического управления на транспорте и в строительстве. Сб. науч. тр. — М. МАДИ. 2003, с. 30-34.

69. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Задачи автоматизированного управления пневмотранспорта сыпучих материалов //Юбилейная научно-техническая конференция аспирантов и студентов МИКХиС.-М.:2004, с. 104106.

70. В.М.Панаморенко, Т.А.Суэтина. Автоматизация экологически безопасного пневматического транспорта сыпучих материалов //Трудымеждународной научно-практической конференции «Экология: оборазование, наука, промышленность и здоровье» Белгород, 2004, с.78-81

71. Вентцель Е.С. Теория вероятностей М.: «Физматгиз»,1962, с.386

72. Траксел Д. Синтез систем автоматического регулирования. -М.: Машиностроение, 1989, 759 с.

73. Фельдбаум А. А., Бутковский А.Г. Методы теории автоматического управления. М.: Наука, 1981, 744 с.

74. Фельдбаум А.А. Электрические системы автоматического регулирования. Оборонгиз. 1957. -539 с.

75. Цирлин A.M. Оптимальное управление технологическими процессами. М.: «Энергоатомиздат», 1986, 396 с.

76. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1978, 309с.

77. Цирлин А.М. Оптимальное управление технологическими процессами. -М.: Энергоатомиздат, 1986, 463 с.