Разработка и применение алгоритмического обеспечения АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Утешев, Константин Алексеевич

• Утешев, Константин Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Утешев, Константин Алексеевич

Введение.

1. Исследование технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.1. Общие вопросы производства глинозема.

1.2. Автоклавное выщелачивание бокситов.

• 1.3. Аппаратурно-технологическая схема автоклавного выщелачивания боксита.

1.3.1 Периодическое и непрерывное выщелачивание бокситов.

1.3.2 Схема непрерывного выщелачивания бокситов в автоклавах.

1.3.3 Автоклавы, подогреватели, сепараторы, игольчатые регуляторы.

1.3.4 Особенности низовой автоматики технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.4. Подходы к математическому описанию и автоматизации технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов.

1.5. Выводы по первой главе и постановка задачи исследования.

2. Математическое моделирование процессов контактного нагрева пульпы паром высокого давления при выщелачивании бокситов.

2.1. Основные закономерности технологического процесса и общие принципы построения математической модели.

2.2. Статическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов.

I 2.3. Динамическая модель контактного нагрева пульпы паром высокого давления в процессе выщелачивания бокситов.

2.3.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара.

2.3.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара.

2.4. Расчет удельной теплоты реакции выщелачивания.

2.5. Динамическая модель, устанавливающая зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений.

2.5.1 Автоклавная батарея с верхним подводом пара.

2.5.2 Автоклавная батарея с нижним подводом пара.

2.6. Выводы по второй главе.

3. Построение многоуровневой АСУ ТП автоклавного выщелачивания бокситов.

3.1. Подсистемы регулирования расхода пульпы на батарею, давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени.

3.2. Подсистема регулирования температуры выщелачивания бокситов в автоклавной батарее непрерывного действия.

3.3. Подсистема регулирования плотности пульпы.

3.4. Алгоритмическое обеспечение автоматизированного управляющего контура (второго уровня АСУТП).

3.5. Базовое алгоритмическое обеспечение подсистем регулирования первого уровня АСУТП.

3.5.1 ПИД-регулятор.

3.5.2 ШИМ-регулятор.

3.6. Выводы по третьей главе.

4. Реализация функций самонастройки и адаптации к объекту управления.

4.1. Интегральная оценка параметров объекта управления по переходной характеристике разомкнутой системы.

4.1.1 Идея метода интегральной оценки параметров объекта.

4.1.2 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту первого порядка с запаздыванием. Моделирование.

4.1.3 Метод интегральной оценки параметров применительно к объекту второго порядка с запаздыванием. Моделирование.

4.2. Определение параметров ПИ-регулятора.

4.2.1 Требования к показателям качества регулирования.

4.2.2 Варианты выбора параметров ПИ-регулятора.

4.2.3 Влияние величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта на качество переходных процессов.

4.2.4 Влияние погрешности оценки параметров объекта на качество переходных процессов

4.2.5 Работа с объектом более высокого (второго) порядка.

4.3. Практическое применение предложенного метода самонастройки ПИ-регулятора в подсистеме регулирования расхода промывной воды.

4.3.1 Описание процедуры самонастройки.

4.3.2 Результаты опытно-промышленной эксплуатации.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение алгоритмического обеспечения АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов»

В настоящее время самым распространенным и эффективным способом промышленного производства глинозема является гидрохимический способ Байера, применяемый как чистом виде, так и в сочетании со способом спекания в параллельном или последовательном варианте. При всем многообразии технологических операций в цикле Байера процесс выщелачивания, т.е. процесс перевода содержащейся в сырье окиси алюминия в раствор под действием щелочи, является центральным по значению и в значительной степени определяет технико-экономические показатели всего комплекса гидрохимических переделов получения глинозема.

В отечественной практике производства глинозема способом Байера перерабатывают главным образом диаспоровые и бемитовые бокситы, разложение которых возможно только при высоких температурах выщелачивания в автоклавах.

Эффективность выщелачивания в значительной степени зависит не только от характеристик сырья и технологических растворов, но и от условий протекания самого процесса (в первую очередь - от температуры выщелачивания). Поэтому одной из основных задач управления процессом выщелачивания является стабилизация режимных параметров на уровне, обеспечивающем оптимальность условий для протекания основных химических взаимодействий.

Разработкой автоматизированных систем управления (АСУ) и математических моделей для процессов выщелачивания (в том числе и с целью применения их в АСУ) занимались многие исследователи (Мальц Н.С., Бабицкий Я.С., Буровой И.А., Богданов А.В., Левин М.В., Локшин Р.Г., Потапова Т.Б. и др.). Приведенные в литературных источниках модели направлены на установление зависимостей кинетики выщелачивания и химического состава получаемых растворов от внешних условий, подтверждающих, в частности, что повышение температуры является важнейшим фактором ускорения реакции выщелачивания. Однако такие модели в большинстве случаев оказываются слишком сложными и непригодными для целей оперативного управления и непосредственного использования при создании АСУ (т.к. требуют, во-первых, априорного знания численных значений многих коэффициентов, зависящих от условий самого процесса выщелачивания и не являющихся в строгом смысле константами, и, во-вторых, определения текущего химического состава растворов, осуществляемого, как правило, на основе ручного лабораторного анализа с большим запаздыванием). Вопросы же математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений исследованы недостаточно.

Как правило, регулирование основных технологических параметров процесса выщелачивания осуществляется с помощью локальных одномерных систем автоматического регулирования (САР), построенных на базе Пропорционально-Интегрально-Дифференциальных (ПИД) регуляторов. В некоторых случаях применяются комбинированные системы с упрощенным контуром компенсации измеряемых возмущений. Данные АСУ либо не учитывают ряда принципиальных технологических параметров, либо не обеспечивают стабилизацию расходов энергоносителей и реализованы, как правило, в виде устаревших аналоговых регуляторов, характеризующихся низким уровнем надежности и трудоемкостью настройки. И на практике оказывается, что существующие АСУ процессами выщелачивания не удовлетворяют современным требованиям по основным показателям качества регулирования и не обеспечивают высокую эффективность переработки сырья.

Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что разработка моделей и алгоритмического обеспечения современных АСУ для технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов (АВБ) с учетом специфики и требований реального промышленного производства является актуальной задачей. При этом целесообразно разработать и применить структуру АСУ в соответствии с многоуровневым иерархическим принципом.

Многоуровневый иерархический принцип построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), изложенный, в частности, в работах В.Г. Лисиенко, И.Н. Печориной и других авторов, соответствует современному подходу к построению АСУТП, согласуется с возможностями современных цифровых устройств контроля и управления и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с разрозненными локальными САР: обеспечивает широкие возможности по оптимизации сложных многосвязных технологических процессов; позволяет относительно просто использовать современный алгоритмический аппарат (например, экспертные системы); упрощает дальнейшее развитие и модернизацию АСУ на этапе эксплуатации и т.д.

Объект исследования — технологические процессы автоклавного выщелачивания бокситов на отечественных глиноземных производствах.

Предмет исследования — математическое описание зависимостей основных режимных параметров автоклавного выщелачивания от внешних факторов/возмущений, многоуровневая структура и алгоритмическое обеспечение АСУ технологическими процессами автоклавного выщелачивания бокситов.

Таким образом, целью диссертационной работы является разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.

Исходя из цели работы, были поставлены и решены следующие основные задачи исследования:

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Утешев, Константин Алексеевич

4.4. Выводы по четвертой главе

В данной главе рассмотрен разработанный в рамках работы косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации.

1. Исследован метод интегральной оценки параметров объекта управления первого порядка с запаздыванием. На основании моделирования было показано, что алгоритм интегральной оценки применим не только для оценки параметров объекта с незашумленным полезным сигналом, но и при наличии шумов. При амплитуде шума до 20% от амплитуды ступенчатого входного воздействия интегральная погрешность оценки параметров объекта Fj (4.3) пренебрежимо мала (Fj ~ 0.0013). С увеличением амплитуды шума работоспособность метода сохраняется, но погрешность Fj определения параметров объекта возрастает (например, при амплитуде шума 50% от амплитуды ступенчатого входного воздействия Ft ~ 0.0062).

2. Рассмотрена возможность аппроксимации апериодического объекта второго порядка с запаздыванием оператором объекта первого порядка с запаздыванием (т.е. "эквивалентным" объектом первого порядка), параметры которого вычисляются с помощью интегрального метода по переходной характеристике исходного объекта второго порядка. Было показано, что в этом случае метод интегральной оценки применим не только для объектов первого порядка, но и для объектов второго порядка с запаздыванием.

3. Аналитически показано, что интегральная погрешность оценки параметров объекта второго порядка F2 (4.9) с постоянными времени ТоЬ1 и ТоЬ2 линейно зависит от величины постоянной времени Тоб1, зависит от соотношения Tob2 / ТоЬ1 и не зависит от времени запаздывания объекта второго порядка. Доказано, что точка максимума интегральной погрешности F2 зависит только от соотношения Tob2 / ТоЬ1 (при любом значении ТоЬ1 наибольшая погрешность оценки параметров объекта возникает при ТоЬ2 /ТоЬ1=1.45). Значение максимальной интегральной погрешности оценки параметров объекта второго порядка (при Tob2/Tobl =1.45) при отсутствии шумов равно

F,MaKC=0.00487 Т0ы • С увеличением амплитуды шума работоспособность метода (как и при работе с объектом первого порядка) сохраняется, но погрешность оценки параметров объекта возрастает.

Доказано, что при определении параметров "эквивалентного" объекта первого порядка методом интегральной оценки, сумма постоянных времени и времени запаздывания апериодического объекта второго порядка равна сумме постоянной времени и времени запаздывания "эквивалентного" объекта первого порядка. Кроме того, выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

4. По найденным интегральным оценкам параметров объекта первого порядка с запаздыванием проработаны рекомендуемые варианты выбора параметров ПИ-регулятора. Наилучшим вариантом выбора параметров регулятора (при условии, что должно быть обеспечено минимальное время регулирования tp при нулевой статической ошибке и перерегулировании ст не более 5%) был признан вариант из работы [41]. Для данного варианта было показано, что изменение величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта и наличие погрешностей оценки параметров объекта первого порядка (при значении интегральной погрешности Fj вплоть до 0.0062) практически не сказываются на качестве переходных процессов в замкнутой системе. Таким образом, для получения желаемых показателей качества регулирования в замкнутой системе (при расчете параметров регулятора на основе полученных интегральных оценок параметров объекта), высокая точность идентификации объекта не требуется.

5. Показано, что выбранный вариант настройки ПИ-регулятора обеспечивает требуемые показатели качества регулирования и при работе с объектами более высокого (в данном случае - второго) порядка при условии расчета коэффициентов регулятора на основе параметров "эквивалентного" объекта первого порядка.

Таким образом, разработанный метод самонастройки ПИ-регулятора применим при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности) при рассмотрении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием.

6. Практическое применение разработанного метода самонастройки было рассмотрено на примере подсистемы регулирования расхода промывной воды для стабилизации плотности пульпы. Эксперимент осложнялся рядом факторов, присущих действующим системам промышленной автоматизации, а именно: отсутствием точной математической модели объекта управления, наличием шумов в измеряемых сигналах (например, среднеквадратичное отклонение по расходу промывной воды равно 0.92 м3/ч, что составляет примерно 3,5% от максимально допустимого изменения выхода объекта управления при проведении эксперимента), жесткими требованиями к показателям качества регулирования и недопустимостью значительных отклонений от заданных технологических режимов. И тем не менее, эксперимент прошел в сжатые сроки (~ 7 мин) и без нарушения технологического режима, а полученные при самонастройке оценки параметров объекта и значения параметров ПИ-регулятора позволили улучшить показатели качества регулирования независимо от величины и знака изменения уставки (время регулирования сократилось примерно в три раза по сравнению с временем регулирования при ручной настройке, а перерегулирование практически не изменилось).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлась разработка структуры и алгоритмического обеспечения комплексной системы автоматизации технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов для повышения эффективности управления ими на отечественных глиноземных производствах.

В рамках работы показано, что высокая эффективность процессов автоклавного выщелачивания бокситов (т.е. максимально возможная производительность батареи, не приводящая к потере качества выщелачивания) обеспечивается при максимально возможном в данных технологических условиях расходе пульпы, при котором еще можно обеспечить максимальную температуру выщелачивания, не приводящую к кипению пульпы при текущем давлении в батарее. Впервые данное положение принято в качестве основной цели автоматизации процессов автоклавного выщелачивания бокситов.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в рамках данной работы, необходимо отметить следующее.

1. Вопросы математического описания зависимости температуры выщелачивания от внешних факторов/возмущений ранее были исследованы недостаточно. В данном случае разработка полной модели является чрезвычайно сложной задачей. Кроме того, полная модель, ввиду ее громоздкости и наличия ряда трудно оцениваемых величин, будет практически непригодна для целей оперативного управления. Поэтому в рамках диссертационной работы разработаны упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе выщелачивания бокситов и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, учитывающие принципиальные закономерности технологического процесса, фундаментальные законы физики, химии и термодинамики.

Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными как для батареи с верхним, так и с нижним подводом пара. Оценка теплоты реакции выщелачивания, сделанная по экспериментальным данным, подтверждена и расчетом по теплотам образования реагентов и продуктов реакции.

По результатам моделирования даны следующие рекомендации по ведению технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов:

• Максимально (с учетом технологических ограничений) увеличить долю греющего пара, подаваемого в первый автоклав, что позволит быстрее провести нагрев пульпы в батарее и, следовательно, при неизменном общем времени выщелачивания повысить величину извлечения окиси алюминия.

• Установить датчики температуры и давления пульпы в четвертом автоклаве батареи (также как и в автоклавах 1-3), что позволит более точно прогнозировать и предотвращать процесс кипения пульпы в батарее.

• В греющих автоклавах батареи с нижним подводом пара датчики измерения температуры пульпы целесообразно устанавливать в точке выхода пульпы из автоклава, что позволит повысить достоверность измерений.

Предложенные модели позволяют по известным параметрам пара и пульпы на входе в батарею оперативно оценивать значения следующих технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения:

• химический выход окиси алюминия в раствор к определенному моменту времени (или на выходе интересующего автоклава);

• максимальная температура пульпы в батарее.

На основе разработанных моделей осуществлено построение (синтез) и исследование системы автоматического управления процессами автоклавного выщелачивания бокситов. Данные модели пригодны и для дальнейшего исследования и анализа процессов в батарее.

2. Разработанная в рамках данной работы система управления процессами автоклавного выщелачивания бокситов базируется на современном многоуровневом иерархическом принципе построения АСУТП и ориентирована на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин.

В структуре АСУТП можно выделить два иерархических уровня. На первом (нижнем) уровне находятся локальные САР, обеспечивающие стабилизацию важнейших параметров технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов (расхода пульпы на батарею, температуры пульпы в батарее, давления пульпы в батарее, уровня пульпы в сепараторе первой ступени и плотности пульпы после выщелачивания).

Второй уровень АСУТП позволяет в режиме реального времени проводить оптимизацию технологического процесса в целом за счет координированного формирования уставок (заданий) на локальные САР первого уровня. Второй уровень управления обеспечивает максимально возможную в данных технологических условиях производительность батареи, не приводящую к потере качества выщелачивания. Показано, что при наличии возмущений по давлению пара предложенные алгоритмы функционирования второго уровня АСУТП обеспечивают повышение реальной температуры выщелачивания, а, следовательно, и эффективности процессов автоклавного выщелачивания бокситов в данных технологических ситуациях.

Предусмотрена возможность согласования работы АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов с вышестоящими системами управления глиноземным производством (например, с диспетчерской системой глиноземного производства).

В основу локальных САР первого уровня АСУТП положен широко распространенный в промышленной автоматике ПИД закон регулирования, позволяющий обеспечить требуемые показатели качества регулирования для большого класса объектов управления при относительной функциональной простоте. Согласование ПИД-регулятора с исполнительными механизмами постоянной скорости, эксплуатируемыми на участках выщелачивания бокситов отечественных глиноземных заводов в составе большинства подсистем регулирования, осуществлено с помощью специально разработанного модуля (ШИМ-регулятора).

Контуры регулирования расхода пульпы на батарею, давления пульпы в последнем автоклаве батареи и уровня пульпы в сепараторе первой ступени построены как автономные типовые контуры стабилизации соответствующих выходов объекта на заданных оператором уровнях (уставках).

В связи с тем, что на этапе исследования технологического процесса и моделирования было изучено влияние измеряемых возмущений на температуру пульпы в греющем автоклаве и выявлена зависимость расхода пара от целого ряда возмущений, имеющих место в технологическом процессе, подсистема регулирования температуры пульпы построена как комбинированная система (система с программной составляющей) с вложенным контуром стабилизации расхода пара. Программная составляющая уставки расхода греющего пара вычисляется на основе моделей, разработанных и исследованных в рамках данной работы. Компенсация неизмеряемых возмущений, имеющих место в технологическом процессе, и отклонения модели от реальной характеристики объекта осуществляется с помощью ПИ-регулятора температуры, выход которого формируется в зависимости от ошибки стабилизации температуры пульпы. Специально разработанный и обоснованный механизм блокировки работы ПИ-регулятора температуры после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию) позволяет избежать существенного перерегулирования по температуре в данных ситуациях.

Таким образом, впервые при построении подсистемы управления температурой пульпы применен подход, сочетающий максимально полный учет (в программной составляющей уставки расхода пара) измеряемых возмущения, имеющих место в технологическом процессе, со стабилизацией расхода пара. Впервые аналогичным образом реализована и подсистема регулирования плотности пульпы после выщелачивания.

Обоснована возможность управления температурным режимом выщелачивания путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи, что позволило существенно улучшить динамические характеристики объекта управления по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания. Даны рекомендации по выбору значения уставки в подсистеме регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве.

3. Для упрощения процедуры настройки и ввода в эксплуатацию разработанных систем управления, в рамках данной работы предложен и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации.

Показано, что алгоритм интегральной оценки применим не только для определения параметров объекта с незашумленным полезным сигналом, но и при наличии шумов. При амплитуде шума до 20% от амплитуды ступенчатого входного воздействия интегральная

200/ погрешность оценки параметров объекта F, пренебрежимо мала ( FiU/0 ~ 0.0013). С увеличением амплитуды шума работоспособность метода сохраняется, но погрешность возрастает (например, F^07"- 0.0062).

Показано, что метод интегральной оценки применим не только для объектов первого порядка, но и для апериодических объектов второго порядка с запаздыванием. Таким образом, метод интегральной оценки позволяет по переходной характеристике объекта второго порядка вычислить параметры "эквивалентного" объекта первого порядка (т.е. метод интегральной оценки можно рассматривать и как простой метод аппроксимации апериодического объекта второго порядка оператором объекта первого порядка с запаздыванием). Аналитически показано, что интегральная погрешность оценки параметров объекта второго порядка F2 с постоянными времени ТоЫ и ТоЬ2 линейно зависит от величины постоянной времени Тоб1, зависит от соотношения Tob2 / ТоЬ1 и не зависит от времени запаздывания объекта второго порядка Доказано, что точка максимума интегральной погрешности F2 зависит только от соотношения ТоЬ2 /ТоЬ1 и достигается при ТоЬ2 /ТоЬ1=1.45.

Доказано утверждение, что при определении параметров "эквивалентного" объекта первого порядка методом интегральной оценки, сумма постоянных времени и времени запаздывания апериодического объекта второго порядка равна сумме постоянной времени и времени запаздывания "эквивалентного" объекта первого порядка. Кроме того, выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

По найденным интегральным оценкам параметров объекта первого порядка с запаздыванием проработаны рекомендуемые варианты выбора параметров ПИ-регулятора. Наилучшим вариантом выбора параметров регулятора (при условии, что должно быть обеспечено минимальное время регулирования при нулевой статической ошибке и перерегулировании не более 5%) был признан вариант из работы [41]. Для данного варианта было показано, что изменение величины отношения времени запаздывания к постоянной времени объекта и наличие погрешностей оценки параметров объекта первого порядка (при значении интегральной погрешности F, вплоть до 0.0062) практически не сказываются на качестве переходных процессов в замкнутой системе. Таким образом, для получения желаемых показателей качества регулирования в замкнутой системе (при расчете параметров регулятора на основе интегральных оценок параметров объекта), высокая точность идентификации объекта не требуется.

Показано, что выбранный вариант настройки ПИ-регулятора обеспечивает требуемые показатели качества регулирования и при работе с объектами более высокого (второго) порядка при условии расчета коэффициентов регулятора на основе параметров "эквивалентного" объекта первого порядка. Таким образом, разработанный метод самонастройки ПИ-регулятора применим при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности) при рассмотрении последних в виде "эквивалентных" объектов первого порядка с запаздыванием.

Результатами промышленных испытаний подтверждено, что предложенная методика самонастройки систем управления, построенных на базе ПИ-регуляторов, позволяет улучшить показатели качества регулирования (время регулирования сократилось примерно в три раза, а перерегулирование практически не изменилось).

4. Диссертантом была выполнена и внедрена в промышленную эксплуатацию на Богословском алюминиевом заводе программная реализация разработанных алгоритмов управления (1-го уровня АСУТП) технологическим процессом автоклавного выщелачивания бокситов. По результатам многомесячной промышленной эксплуатации разработанной системы управления на 12 батареях автоклавного выщелачивания бокситов (как с верхним, так и с нижним подводом пара) можно сделать следующие выводы: • улучшилось качество процессов регулирования по сравнению с ранее применявшимися системами управления (в частности, перерегулирование по температуре пульпы при отработке изменения задающего воздействия практически отсутствует; максимальное отклонение температуры пульпы в греющих автоклавах от заданного значения в процессе компенсации возмущений не превосходит 2-3°С на уровне 225 °С); это позволило увеличить среднее значение уставки по температуре и, следовательно, обеспечило повышение эффективности процессов выщелачивания;

• повысилась эффективность работы участков выщелачивания (см. акт внедрения в приложении 4): уменьшился удельный расход пара высокого давления; не менее чем на 0.5% (что соответствует примерно 4000 тонн глинозема в год) возросло химическое извлечение окиси алюминия из боксита; количество отклонений по химическому извлечению снизилось с 26.6% до 16.6%;

• получен существенный экономический эффект.

5. Полученные результаты применимы в полном объеме при проектировании/модернизации АСУТП участков автоклавного выщелачивания бокситов отечественных глиноземных производств. Кроме того, следующие выводы и результаты применимы для построения систем управления широким кругом промышленных ОУ:

• разработана и реализована в цифровом виде структура универсального ПИД-регулятора, имеющая следующие особенности: о дифференциальная составляющая регулятора работает с сигналом выхода объекта, а не с сигналом ошибки, что предотвращает изменение выхода дифференциальной части регулятора при скачкообразном изменении уставки; о введен блок ограничения уставки, предотвращающий установку задающих воздействий вне диапазона допустимых значений; о при недопустимости для объекта скачкообразных управляющих воздействий, в состав регулятора включен задатчик интенсивности, ограничивающий скорость изменения уставки; о введена зона нечувствительности; о предусмотрены ограничения выхода регулятора и соответствующие им упоры интегратора, предотвращающие "забросы" последнего; о предусмотрена возможность ручного управления исполнительным механизмом ("ручной" режим); обеспечен плавный (безударный) переход из ручного режима в автоматический и обратно;

• разработан и реализован в цифровом виде модуль (ШИМ-регулятор), позволяющий согласовывать ПИД-регулятор с исполнительными механизмами постоянной скорости, широко применяющимися в отечественной промышленности;

• даны рекомендации по применению и настройке ПИД- и ШИМ-регуляторов в конкретных подсистемах регулирования;

• разработан и обоснован механизм блокировки работы регулятора в замкнутой части комбинированной системы управления после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по

• разработан метод самонастройки ПИ-регуляторов, применимый при работе с широким кругом промышленных объектов управления (с самовыравниванием без колебательности).

В качестве итогового обобщения результатов работы можно отметить следующее: Разработаны, исследованы и апробированы упрощенные динамические модели, описывающие контактный нагрев пульпы паром в процессе выщелачивания бокситов и устанавливающие зависимость температуры пульпы в греющих автоклавах батареи от внешних факторов/возмущений, позволяющие проводить дальнейший анализ процессов выщелачивания, строить (синтезировать) и исследовать системы автоматического управления и оценивать значения некоторых технологических параметров, недоступных для непосредственного измерения. Разработана система управления технологическим процессом автоклавного выщелачивания бокситов, при этом: система управления базируется на современном многоуровневом принципе построения АСУТП и ориентирована на широкое применение цифровых управляющих вычислительных машин; имеется возможность согласовывать работу АСУТП автоклавного выщелачивания бокситов с вышестоящими системами управления глиноземным производством в целом; разработаны и реализованы процедуры оптимизации технологического процесса (обеспечивается максимально возможная в данных технологических условиях производительность батареи (максимальный расход пульпы), не приводящая к потере качества выщелачивания); обоснована возможность управления температурным режимом выщелачивания путем стабилизации температуры пульпы не в реакционном автоклаве, а в одном из греющих автоклавов батареи, что позволило существенно улучшить динамические характеристики данной подсистемы по каналу регулирующего воздействия за счет значительного снижения времени транспортного запаздывания; впервые при построении подсистемы управления температурным режимом выщелачивания применен подход, сочетающий максимально полный учет (в программной составляющей уставки расхода пара) всех измеряемых возмущений, имеющих место в технологическом процессе, со стабилизацией расхода пара; специально разработан и обоснован механизм блокировки работы регулятора в замкнутой части комбинированной системы после смены уставки и ухода исполнительного механизма с упора (после отсутствия запаса по регулированию), позволяющий избежать существенного перерегулирования в данных ситуациях; разработан простой универсальный блок согласования ПИД-регулятора с исполнительным механизмом постоянной скорости - ШИМ-регулятор.

3. Разработан, обоснован и исследован косвенный метод самонастройки ПИ-регуляторов, основанный на интегральной оценке параметров объекта управления по переходной характеристике и учитывающий специфику систем промышленной автоматизации (отсутствие точных математических моделей объектов управления, высокий уровень шумов и т.д.); выведены формулы расчета параметров "эквивалентного" объекта первого порядка по известным параметрам апериодического объекта второго порядка.

4. Даны рекомендации по ведению технологического процесса автоклавного выщелачивания бокситов, по выбору значения уставки в подсистеме регулирования температуры пульпы в греющем автоклаве, по настройке ПИД- и ШИМ-регуляторов в конкретных подсистемах управления.

5. Разработанные модели, системы управления и методика их самонастройки применимы как для технологических процессов автоклавного выщелачивания бокситов, так и, частично, для широкого круга промышленных объектов управления.

6. Достигнута основная практическая цель работы - за счет разработки и внедрения нового алгоритмического обеспечения системы управления процессами автоклавного выщелачивания удалось повысить их эффективность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Утешев, Константин Алексеевич, 2005 год

1. Троицкий И.А., Железное В.А. Металлургия алюминия: учеб. пособие для техникумов цв. металлургии. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. -398 с.

2. Лайнер А.И., Еремин Н.И., Лайнер Ю.А., Певзнер И.З. Производство глинозема. -2-е изд. М.: Металлургия, 1978. - 344 с.

3. Набойченко С.С., Ни Л.П., Шнеерсон Я.М., Чугаев Л.В. Автоклавная гидрометаллургия цветных металлов. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. -940 с.

4. Мальц Н.С. Автоклавное выщелачивание бокситов. М., 1980.

5. Локшин Р.Г. Современные системы автоматизированного управления процессами выщелачивания в производстве глинозема. М., 1986.

6. Кузнецов С.И., Деревянкин В.А. Физическая химия производства глинозема по способу Байера. М.: Металлургиздат, 1964. - 352 с.

7. Певзнер И.З., Райзман В.Л. Автоклавные процессы в производстве глинозема. -М.: Металлургия, 1983. 128 с.

8. Рабочая инструкция аппаратчику-гидрометаллургу автоклавного выщелачивания по режиму работы и безопасному обслуживанию автоклавной батареи. РИ 10-2698. Краснотурьинск: филиал "БАЗ" ОАО "СУАЛ", 1998.

9. Еремин Н.И., Наумчик А.Н., Казаков В.Г. Процессы и аппараты глиноземного производства. М.: Металлургия, 1980. - 360 с.

10. Беляев И.И. Контроль и автоматизация производства глинозема и алюминия. М.: Металлургия, 1967. - 258 с.

11. Туринский З.М., Мальц Н.С., Вербов Л.Ф. Приближенная математическая модель кинетики выщелачивания моногидратных бокситов // ЖПХ. 1974, Т. 17, вып. 10. - С. 2246-2250.

12. Левин М.В., Межеровская Л.В. Математическое описание процесса выщелачивания боксита в автоклавной батарее непрерывного действия //14