Советующая система управления цементной печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Ващенко Роман Александрович

• Ващенко Роман Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Ващенко Роман Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК В СФЕРЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЦЕМЕНТНЫХ ПЕЧЕЙ

1.1. Анализ вращающейся цементной печи как объекта автоматизации

1.2. Исследование подходов к моделированию сложных технологических процессов

1.3. Постановка цели и задач исследования

2. МОДИФИЦИРОВАННАЯ МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА БАЗЕ НЕЧЕТКИХ ДИАГРАММ ПОВЕДЕНИЯ УЗЛОВ ВТОРОГО РАНГА

2.1. Модификация методики построения автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами на базе нечетких диаграмм поведения узлов первого ранга

2.2. Получение новых моделей изменения технологических переменных цементной печи

2.3. Модели технологических узлов «Температура материала в зоне сушки» и «Температура вторичного воздуха»

2.4. Модели технологических узлов «Концентрация кислорода в отходящих газах» и «Гранулометрический состав клинкера»

2.5. Модель технологического узла «Температура отходящих газов»

2.6. Выводы

3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКИХ ДИАГРАММ ПОВЕДЕНИЯ ВТОРОГО РАНГА

3.1. Формализация взаимодействия узлов цементной печи в виде нечетких диаграмм второго ранга и выявление межузловых взаимосвязей

3.2. Построение укрупненных моделей технологических узлов

3.3. Создание модели процесса обжига клинкера на основе совокупности взаимодействующих узлов

3.4. Получение продукционных правил новой конструкции «ЧТОБЫ-ПРИ-НУЖНО»

3.5. Выводы

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ МОДЕЛЕЙ И СОЗДАНИЕ СОВЕТУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧЬЮ

4.1. Разработка структуры автоматизированной советующей системы управления цементной печью

4.2. Реализация алгоритмов автоматизированной советующей системы управления цементной печью

4.2.1. Блок обработки входных данных

4.2.2. Логический блок

4.2.3. Описание интерфейса советующей системы управления цементной печью

4.3. Тестирование и проверка адекватности полученных моделей и программного средства

4.3.1. Методы математической статистики для оценки адекватности моделей технологических переменных

4.3.2. Оценка адекватности с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена

4.3.3. Опытно-промышленные испытания советующей системы управления цементной печью №1 ЗАО «Осколцемент»

4.4. Выводы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт опытно-промышленных испытаний

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт внедрения в учебный процесс

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Фрагмент листинга программы советующей системы управления цементной печью

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Советующая система управления цементной печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Цементная промышленность является важнейшей отраслью производства строительных материалов. Цемент - один из главных компонентов строительных материалов и находит широкое применение при производстве бетона, железобетона, в асбестоцементной, нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Свойства цемента позволяют на его основе создавать специальные конструкции - различные строительные блоки, панели, элементы фундаментов, плиты, балки и многие другие изделия, которые требуются при возведении промышленных объектов, строительстве зданий, сооружений.

За последние десятилетия объем мирового производства цемента неизменно растет, что отражает позитивные изменения спроса в странах с развивающейся экономикой. В цементной промышленности России функционирует 63 цементных предприятия, в числе которых 57 заводов полного цикла производства, из них 20 заводов сухого способа, на 4-х цементных заводах эксплуатируются технологические линии мокрого и сухого способов производства, на двух заводах имеются линии сухого, комбинированного и мокрого способа производства. Линиями мокрого способа оснащено 31 предприятие, преимущественно с печами длиной 185 и 170 метров.

Несмотря на растущую с каждым годом долю производства цемента по энергосберегающим технологиям, в частности сухому и комбинированному способу, мокрый способ производства по-прежнему остается ведущим и превышает половину объема от общего выпуска цемента. Это объясняется многими причинами: большие капитальные вложения, которые необходимы для перевода действующих предприятий на линии сухого и комбинированного производства, что зачастую экономически нецелесообразно; особенности сырьевой базы, климатические условия в большинстве случаев не позволяют осуществить переход на использование энергоэффективного по расходу топлива сухого способа путем строительства новых технологических линий. Но при этом заводы, работающие по мокрому способу, остро нуждаются в проведении

мероприятий по модернизации с целью оптимизации производственных и сопутствующих затрат для поддержания конкурентоспособности на рынке цемента. Одним из таких путей является совершенствование систем и способов управления производственными и вспомогательными процессами.

Несмотря на развитие науки и техники, проблема автоматизации процесса обжига клинкера во вращающихся печах мокрого способа остается нерешенной и по-прежнему актуальной. Данный тип печей отличает сложность конструкции и эксплуатации, что наряду с низкими техническими возможностями предполагает существенное участие человека в производстве - выполнение большого количества различных функций, анализ контрольно-измерительных приборов, регулирование процесса обжига, предотвращение нарушений технологического цикла. Ошибки управления непосредственным образом сказываются на режимах работы оборудования, что отрицательным образом влияет на качество цемента, производительность и на технико-экономические показатели производства, вызывая повышение себестоимости продукции.

Стоит заметить, что на цементных заводах не очень много внимания уделяется данным проблемам по совершенствованию и развитию систем управления оборудованием и технологическими процессами. Зачастую руководство устраивает производительность труда и качество выпускаемой продукции, а проблемы с износом оборудования решаются при помощи отлаженной системы обслуживания и ремонтных работ. Одной из причин этого может быть недостаточная возможность полного экономического обоснования результатов. Конечно, на некоторых предприятиях происходят положительные изменения - внедряются информационные системы, системы мониторинга с использованием промышленных контроллеров и устройств автоматики, созданы системы локального регулирования некоторых параметров печного агрегата. Однако по-прежнему не решена задача создания системы управления, которая бы позволила комплексно оценивать процесс обжига клинкера, добиться большей стабильности и производительности и снизить влияние человеческого фактора.

В данной диссертационной работе предлагается разработка и создание

советующей системы управления вращающейся печью, которая работает по «мокрому способу». В основу положена модифицированная методика для создания автоматизированных систем управления на основе нечетких диаграмм поведения второго ранга. Данный подход позволяет решать круг тех проблем при автоматизации слабоформализованных объектов, к которым трудно применимы классические методы.

Использование нечетких диаграмм поведения, которые являются ориентированными графами, для моделирования узлов - конкретных технологических переменных вращающейся печи, позволяет получить всю необходимую информацию о функционировании узла, выявить нарушения процесса обжига, зафиксировать появление различных нештатных и аварийных ситуаций. А учет взаимного влияния и взаимодействия технологических переменных позволяет получить единую модель процесса обжига, что дает возможность получать продукционные правила и обрабатывать их, в том числе экспертам.

При написании диссертации были изучены и проанализированы труды по управлению и автоматизации вращающихся печей Н.А. Торопова, И.Ф. Пономарева, В.Н. Юнга, Ю.М. Бутта, В.В. Тимашева, Я.Е. Гельфанда, И.Г. Лугининой, В.К. Классена, работы зарубежных ученых - W. Duda, L.P. Holmbland и др.

Объектом исследования является система автоматизации технологического процесса обжига клинкера во вращающейся цементной печи, работающей по мокрому способу производства.

Предмет исследования составляют модели, алгоритмы и методы автоматизированного управления процессом обжига клинкера во вращающейся печи.

Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является повышение эффективности работы вращающейся цементной печи, работающей по мокрому способу производства, за счет применения советующей системы управления на основе нечетких диаграмм поведения узлов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Модифицировать методику построения автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами на базе нечетких диаграмм поведения узлов первого ранга.

2. Выявить значимые технологические переменные (узлы) вращающейся печи, построить их модели в виде нечетких диаграмм второго ранга и формализовать взаимодействие технологических узлов.

3. Сформировать продукционные правила новой конструкции «ЧТОБЫ -ПРИ-НУЖНО».

4. Создать модель процесса обжига цементного клинкера и разработать структуру советующей системы управления вращающейся печью.

5. Создать автоматизированную советующую систему управления вращающейся цементной печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов второго ранга в виде программного продукта.

Научную новизну работы составляют:

- модифицированная методика построения автоматизированных систем управления сложными технологическими процессами, позволяющая разрабатывать системы управления технологическим процессом обжига клинкера на основе нечетких диаграмм поведения узлов, отличительной особенностью которой является возможность построения моделей изменения технологических переменных в форме нечетких диаграмм поведения второго ранга, обеспечивающих более высокий уровень детализации изменения процесса;

- модели изменения технологических переменных в форме нечетких диаграмм поведения второго ранга, отличающиеся от моделей в форме нечетких диаграмм первого ранга возможностью описания характера изменений переменной;

- формализованное представление процесса взаимодействия технологических узлов вращающейся печи с учетом их взаимного влияния, позволяющее сократить количество продукционных правил;

- модель процесса обжига клинкера на основе совокупности взаимодействующих узлов, охватывающая больший объем информации о технологическом процессе по сравнению с существующими аналогами;

- продукционные правила новой конструкции «ЧТОБЫ-ПРИ-НУЖНО», обладающие свойством учета цели в совокупности с дополнительными сведениями о технологических условиях и параметрах объекта управления, что существенно отличает их от традиционной формы «ЕСЛИ-ТО».

Практическая значимость работы заключается в:

- повышении эффективности процесса обжига клинкера (около 1 %) за счет возможности выявления нарушений технологического цикла, в том числе нештатных и аварийных ситуаций, что приводит к снижению количества переводов вращающейся цементной печи на «тихие» и «средние» хода;

- программном продукте - советующей системе для конкретного производства цементного клинкера;

- возможности использования разработанных алгоритмов и программных средств на других промышленных объектах, например, в химической и металлургической промышленности.

Внедрение результатов исследований:

- полученный программный продукт рекомендован к внедрению на ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол);

- разработанные модели и алгоритмы внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Автоматизация технологических процессов и производств» и «Управление в технических системах».

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Техническая кибернетика» в рамках соглашения между БГТУ им. В.Г. Шухова и ЗАО «Осколцемент» (г. Старый Оскол), ГРАНТа БГТУ им. В.Г. Шухова Министерства образования и науки РФ по ПСР ГОУ ВПО 2012 - 2016 гг. (№ 2011-ПР-146), Проекта Российского фонда фундаментальных исследований на тему «Разработка интеллектуальных систем управления сложными

технологическими процессами на основе советующих систем с техническим зрением» (проект№14-41-08016 «р_офи_м»), госзадания 2.1396.2017/ПЧ.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректностью и непротиворечивостью положениям теории автоматического управления, методам нечеткой логики, проверкой разработанных моделей на основе нечетких диаграмм поведения при помощи статистической обработки информации для оценки адекватности, данные исследования в свою очередь подтверждены в ходе промышленных испытаний на вращающейся печи №1 ЗАО «Осколцемент». Результаты проведенных экспериментов позволяют утверждать, что созданное программное приложение, удовлетворяет необходимому уровню адекватности и соответствует требованиям к точности.

На защиту выносятся:

- модифицированная методика проектирования и создания систем управления на основе нечетких диаграмм поведения второго ранга;

- модели изменения технологических узлов в форме нечетких диаграмм поведения второго ранга и формализация взаимодействия технологических узлов;

- продукционные правила конструкции «ЧТОБЫ-ПРИ-НУЖНО»;

- модель процесса обжига в печи мокрого способа на основе совокупности взаимоувязанных узлов и структура советующей системы управления;

- советующая система управления цементной печью на основе нечетких диаграмм поведения ее узлов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационные исследования соответствуют паспорту специальности 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство и ЖКХ) по областям исследования п. 4 -«Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация», п. 15 - «Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.)».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Старый Оскол: 2013), на семинаре «Оптимизация технологических процессов помола сырья и цемента. Ресурсосбережение и стабилизация требуемого качества. Современные комплексы для упаковки и отгрузки цемента потребителям» (Старый Оскол: 2013), на юбилейной Международной научно-технической конференции молодых ученых, посвященной 60-летию БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород: 2014), на Региональной научно-практической конференции по программе «УМНИК» «Перспективные инновационные разработки молодых исследователей Белгородской области-развитию региона» (Белгород: 2015), на семинаре «Опыт строительства новых цементных заводов. Проблемы и пути их решения» (Калуга: 2015), на Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-29 (Санкт-Петербург: 2016), на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии и инновации - XXII научные чтения» (Белгород: 2016), на ежегодных научно-практических семинарах кафедры «Техническая кибернетика» (2013 - 2017 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 24 трудах (три научные статьи - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, три статьи - в изданиях, индексируемых SCOPUS и Web of Science). Получены два свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад соискателя. Все разделы диссертации лично написаны автором. Результаты исследований получены им самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

В работах [17-21, 25, 27, 112] автором получены модели изменения технологических переменных в форме нечетких диаграмм поведения второго ранга. Работы [8, 11, 16, 23, 26, 29, 72] посвящены разработке и созданию советующей системы управления на основе нечетких диаграмм поведения технологических узлов. Организация взаимодействия совокупности технологических узлов вращающейся цементной печи и построение модели

процесса обжига клинкера с учетом взаимосвязи технологических переменных рассмотрены в работах [22, 24, 28]. В работах [12, 30] приведены исследования по развитию аппарата продукционных правил управления с использованием нечетких диаграмм поведения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы теории автоматического управления, нечетких множеств, графов и систем логического управления, конечных автоматов и помеченных сетей Петри, математического моделирования, нечеткой логики, цифровой фильтрации и сглаживания, статистической обработки информации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, включающего 12 таблиц, 79 рисунков, список литературы из 139 наименований и приложения на 16 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК В СФЕРЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЦЕМЕНТНЫХ ПЕЧЕЙ

1.1. Анализ вращающейся цементной печи как объекта автоматизации

Комплекс процессов, происходящих во вращающейся печи мокрого способа получения клинкера под воздействием тепловой энергии, весьма обширен и сложен. Процессы горения топлива, движения газов и материала, теплообмена и физико-химических превращений сырьевой смеси тесно связаны между собой. Возникает достаточно большое количество трудностей при эксплуатации печного агрегата [95, 111].

Рассмотрим цементную печь как объект автоматизации и определим ряд особенностей, которые характеризуют ее как сложный аппарат. Проведем обзор подходов и методов, которые применялись в попытках решить задачу по созданию систем управления вращающимися печами.

Выделим управляющие воздействия (показаны синим цветом), возмущающие воздействия (показаны красным цветом) и технологические переменные (показаны зеленым цветом) (рисунок 1.1). Управляющих воздействий, которые изображены синим цветом, гораздо более ограниченное количество, чем остальных, что в итоге значительно сужает круг возможных действий оператора по поддержанию процесса обжига клинкера [16].

Существенное количество возмущений, внутренних, внешних в совокупности с распределенностью параметров по всей длине печи создают трудности при принятии управляющих решений с учетом нелинейности характеристик и значительной инерционностью печного агрегата.

Все возмущения делят на внешние и внутренние. К внешним относят изменения параметров материальных потоков, которые поступают непосредственно в печной агрегат, изменения условий окружающей среды. Возникающие в ходе технологического процесса возмущения называют внутренними.

Рисунок 1.1. Вращающая цементная печь Рассмотрим характерные внешние возмущения для вращающейся печи [37, 65, 66]:

• изменение теплотворной способности топлива;

• изменение влажности, температуры и тонкости помола сырья, а также химического состава;

• неравномерное поступление сырья в печной агрегат;

• изменение количества и температуры воздуха, поступающего в печь из колосникового холодильника (вторичного воздуха);

• изменение количества возвращаемой пыли;

• изменения расхода топлива (случайным образом);

• изменение атмосферных условий.

К основным внутренним возмущениям относятся:

• износ теплообменных устройств и футеровки;

• изменение скорости движения материала;

• образование и обрушение колец;

• клинкерное пыление;

• изменение положения зон в печи;

• циркуляция щелочей и пыли между материалом и газом;

• неравномерность теплопередачи вследствие сдвига зон.

По мере продвижения материала по печи от загрузочного к разгрузочному концу изменяются его плотность и вязкость. В начале печи поверхность материала составляет некоторый угол по отношению к горизонтальной оси поперечного сечения печи. При продвижении его по печи этот угол уменьшается и становится минимальным во второй половине зоны кальцинирования. Затем угол наклона поверхности материала вновь начинает возрастать. Изменения угла наклона (подъема) материала можно объяснить изменением его плотности, количества жидкой фазы в нем и изменениями его гранулометрического состава. В зоне кальцинирования из материала интенсивно удаляется углекислый газ, что уменьшает плотность материала. С момента образования клинкерных минералов плотность его начинает возрастать и достигает максимальной величины в зоне спекания. Таким образом, изменение плотности материала по длине печи носит экстремальный характер с минимальным значением в области экзотермических реакций. Изменения плотности частиц материала по длине печи приводят к изменению сил трения между ними, а также между частицами и футеровкой,

вследствие чего изменяется угол наклона поверхности материала и высота его слоя в сечении печи [32, 34, 41].

Изменения плотности материала и его гранулометрического состава при движении по печи существенно изменяют скорость этого движения, причем особенно сильно влияют такие возмущения на зону спекания. Здесь снижение теплопотребления приводит к уменьшению количества жидкой фазы, что и обусловливает резкое увеличение скорости движения материала, а зачастую нарушает ход обжига.

В диссертации [85], автор предложил определять оптимальные значения характеристик гранулометрического состава обжигаемого материала в отдельных технологических зонах печи и соответствующие им оптимальные режимы параметров процесса обжига. Для решения этой задачи была разработана математическую модель процесса обжига с учетом скорости движения материала, которая основана на статистической обработке данных. Данный подход в свою очередь имеет ряд существенных недостатков, в первую очередь -нестационарность, что обуславливается необходимостью постоянного изменения модели при корректировке данных эксперимента.

Оценке гранулометрического состава и зоны спекания посвящена работа [105], в которой предлагается создание автоматизированной системы управления с применением технического зрения для повышения качества выпускаемой продукции и улучшения условий работы операторов. Автором разработан метод оценки состояния зоны спекания, в основу которого положен анализ изображений, представляющий собой алгоритм сегментации изображения процесса обжига. Получена нечеткая база правил, которая построена на ограниченном круге параметров, что является существенным недостатком, если говорить о совокупной оценке работы вращающейся печи.

Длительное пребывание материала в печи приводит к значительному транспортному запаздыванию, которое усиливается большими массами перерабатываемого материала и корпуса печи вместе с футеровкой. Такие запаздывания намного усложняют управление.

Кроме того, как следует из описания работы печей, они представляют собой объекты с распределенными параметрами. Это означает, что любое изменение управляющих воздействий, которые направлены на компенсацию отклонений процесса обжига от заданного режима в какой-то зоне печи, влечет за собой большее или меньшее его изменение во всех остальных зонах печи. Как объект с распределенными параметрами печь относят к объектам второго вида, который характеризуется наличием нескольких управляющих воздействий на распределенную технологическую переменную и параметры объекта [67].

Управление технологическими процессами в объектах с распределенными параметрами вызывает значительные трудности. Несмотря на то, что в печах выделяют технологические зоны, реализовать позонное управление, аналогичное для объектов с распределенным управлением первого вида, практически невозможно [40].

В работе [81] предложена математическая модель динамики процесса обжига и теплообмена в печи, построенная на основе корреляционных методов, которые применяются к реальным технологическим параметрам, характеризующие состояния объекта управления. Применение методов статистической динамики и теории автоматического управления к такому объекту как цементная печь, носит весьма затруднительный характер в силу названных выше причин. Особенности управления печного агрегата вносят существенные ограничения при использовании данных методов. При этом автором были реализованы только локальные подсистемы для поддержания параметров - ток нагрузки на главный привод, концентрации СО2, и оптимизации СаО.

В диссертации [6] в основу автоматизированной системы управления вращающейся печью положены две математические модели - первая, основанная на связи качества получаемой продукции с температурным режимом в различных точках рабочего пространства печи и вторая - математическая модель процесса, построенная на основе обработки большого массива данных пассивного и активного эксперимента. Следует заметить, что предложенная схема управления вращающейся печью содержит ряд серьезных допущений, количество

контролируемых параметров позволяет говорить о локальных контурах управления и поддержания процесса обжига.

В работе [78] в качестве математической модели применены уравнения теплового баланса. Использование таких моделей позволяет описать процессы, происходящие в печи. С помощью данных уравнений определены основные параметры процесса обжига. Совокупность методов, моделей и алгоритмов автоматизации процесса обжига цементного клинкера, а также возможность определения температуры топливной смеси и температуры клинкера на выходе печного агрегата составляют научную новизну работы.

Источником возмущений по химическому составу сырьевой смеси, поступающей в печь, может послужить неисправность отдельных мешалок. Из-за невозможности одинакового приготовления сырьевой смеси в разных емкостях химический состав смеси, подаваемой в агрегат, обычно резко изменяется при переключении питания с одного бассейна на другой [52, 53].

Изменение химического состава смеси требует изменения теплового режима обжига, причем его необходимо производить постепенно, по мере продвижения материала с новыми характеристиками по печи. Вследствие низкой технологической дисциплины на некоторых заводах не всегда оповещают машиниста печи, о новых характеристиках сырьевой смеси, а потому он обнаруживает это возмущение только при поступлении материала в зоны кальцинирования и спекания [54, 56].

Позднее обнаружение таких возмущений не позволяет скомпенсировать их путем изменения управляющих воздействий, поэтому машинист часто вынужден снижать скорость вращения печи («тихий» ход), что уменьшает ее производительность. Кроме того, изменение химического состава сырьевой смеси в данной ситуации часто вызывает такие вторичные возмущения, как образование или обрушение колец в печи, а также повышенный износ футеровки. Последний усугубляется попытками форсировать режим печи, резко изменяя расход топлива.

В [105] автор предложил сразу несколько решений и алгоритмов для предотвращения аварийных ситуаций, связанных с футеровкой вращающейся

печи. Разработано математическое описание и алгоритм процесса образования дефектов на теплозащитной обмазке внутренней поверхности вращающейся обжиговой печи. На основание этого синтезированы алгоритмы автоматизированного анализа предаварийных ситуаций и логические условия принятия решений по обнаружению и предотвращению развития обнаруженных дефектов.

Для стабилизации процесса обжига очень важно постоянство характеристик сырьевой смеси. Помимо этого минералогический состав сырьевой смеси в значительной степени определяет скорость клинкерообразования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ващенко Роман Александрович, 2018 год

/ 1

ТГ

ГТ7П~

1 |/| 1

111/11

т/т 1

1

1 1/1 1 1

1 |П 1 1 1

ЦМ \

Т7Т

11| | тг

1 /I | Д. 1

ш | 1 1 1

0 ' 2 Г ' 4 ь X 6 ь 3 о 'юо

И.К

С

а

11.6

11.4

11.2

!

/ \

7- - -1

\

/ 1

\

-1 -Г

/ ==к

/ /

/ 4- / \

1 л \

о 1 гЬ X бЬ 3 Ь т- 100

б)

Рисунок 2.8. Функции принадлежности: а -трапецеидальная и б -треугольная

Таким образом, скомбинировав данные функции принадлежности, получим набор трапецеидальных и треугольных функций принадлежности, где красным цветом отмечена статика, а синим- динамика (рисунок 2.9).

М( х)

2Р

РБ

РМ

РВ

Рисунок 2.9. Отношение функций принадлежности к позициям нечеткой диаграммы

второго ранга

Процесс построения нечеткого множества на основе некоторого известного заранее количественного значения измеримого признака получил название -фаззификация или приведение к нечеткости. Фаззификация позволяет более адекватно представить присутствующую неточность результатов физических измерений [14].

Рисунок 2.10. Модель технологического узла в виде развертки

Изменив модель узла в виде нечеткой диаграммы поведения, в свою очередь изменяется и его модель в виде развертки, построение которой описывается в пункте 7. Напомним, что развертка-это запись очередности переходов от одного режима работы к другому в виде последовательности операций нормального хода процесса и возможных появлений нештатных ситуаций. Пример новой развертки изображен на рисунке 2.10, с учетом увеличения количества позиций на новой диаграмме поведения.

В таблице 2. 3 записаны более подробные формулировки, которые представлены на развертке.

Таблица 2.3 - Расшифровка позиций на «развертке»

Номер позиции на развертке Расшифровка

1 Температура аспирационного воздуха на минимальном уровне - т е Тм м

2 Повышение температуры аспирационного воздуха несколько выше минимального уровня Т е]Тм, Тср [

3 Повышение температуры аспирационного воздуха значительно выше минимального уровня - Т е]Тм, Тср [

4 Температура аспирационного воздуха на номинальном (среднем) уровне Т е Тср

5 Повышение температуры аспирационного воздуха незначительно выше нормального уровня Т е]Тср, Тб [

6 Повышение температуры аспирационного воздуха значительно выше нормального уровня Т е]Т , Т[

7 Температура аспирационного воздуха на высоком уровне Т е

8 Понижение температуры аспирационного воздуха незначительно ниже высокого уровня Т е]Т , Тб [

9 Понижение температуры аспирационного воздуха значительно ниже высокого уровня Т е]Т , Т[

Продолжение таблицы 2.3

10 Понижение температуры аспирационного воздуха незначительно ниже нормального уровня т <в\Тм, Тср [

11 Понижение температуры аспирационного воздуха значительно ниже нормального уровня т е]Тж, Т [

12 Повышение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума т е]тж, т [

13 Понижение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума т &]тср, тб [

14 Повышение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума т &]тср, тб [

15 Понижение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума т &]тср, тб [

2.2. Получение новых моделей изменения технологических переменных

цементной печи

В результате исследований процесса обжига, анализа мнений экспертов-технологов ЗАО «Осколцемент», г. Старый Оскол, выделено одиннадцать технологических узлов цементной печи: «Ток нагрузки на главном приводе печи -

и», «Температура материала в зоне подогрева - ит », «Разрежение в горячей головке печи - ир », «Концентрация углекислого газа в отходящих газах - иС02 », «Температура готового клинкера - и Т », «Концентрация кислорода в отходящих газах - ид2», «Температура материала в зоне сушки - ит », «Температура вторичного воздуха - ит », «Температура отходящих газов -ит », «Температура аспирационного воздуха - ит », «Гранулометрический состав клинкера - и0га„» [23, 29]. Из них - пять технологических узлов описаны в диссертации [7]. Данные узлы показаны ниже, на рисунках 2.11- 2.13.

Т

Qm

#м

ОУ

и,

/ Рои'

r z НГП

Qr

A,

ОУ

UT 1п

T

V"

Рисунок 2.11. Структура технологических узлов , : Т - скорость вращения печи,

Qш - подача шлама на вход печи, ЬЗС - длина зоны спекания; Роп - разрежение за обрезом печи, Qг - расход газа, Оцз - износ цепной завесы, Нм - высота подъема

материала в печном агрегате,

бод

ол -а

вш бод

-Н Up- е

осд

ОУ Ucoi

*

Сс02

Рисунок 2.12. Структура технологических узлов ир , иС02: Qа - расход

аспирационного воздуха из холодильника, Qод - расход воздуха общего дутья, Qосд -

расход воздуха острого дутья

#к т

•Í пп

а

бол

Gran

ОУ иТк

Т

' к

Рисунок 2.13. Структура технологического узла U^ : Нк - высота слоя клинкера в

холодильнике, Твв - температура вторичного воздуха, Gran - гранулометрический состав Естественно, что для создания советующей системы, помимо уже изученных и описанных пяти узлов, необходимо исследовать и другие узлы.

Был выделен еще ряд технологических переменных, а соответственно, и узлов, определяющих работу печи, их структуры показаны на рисунках 2.14 -2.16.

Отметим основные особенности этих переменных и их влияние на процесс обжига клинкера [26, 27].

4с

ОУ

T

-'мзс —►

ÜT

N.

Gran

ОУ

ÜTBB

T

Рисунок 2.14. Структура узлов и? , и? : Тотг - температура отходящих газов,Ыхр -

количество ходов решеток холодильника

Я.У-

P,

ОУ

ÜO2

O,

ОУ

ÜGran

Gran -►

Рисунок 2.15. Структура узлов, ио , иСгап: Н - химический состав шлама

б ш

р

ОУ

ü

тк я

е!

G

ОУ

ü

Рисунок 2.16. Структура узлов и? , и? : - влажность сырья

Используя такой показатель как концентрация кислорода в отходящих газах, можно судить о процессе сжигания топлива и о качестве обработки материала.

По температуре отходящих газов и температуре материала в зоне сушки анализируют степень подготовки материала в холодной части печи.

Наравне с температурой отходящих газов важнейшим показателем подготовленности материала в холодной части печи, а именно зоне сушки является разрежение за обрезом печи.

Температура вторичного воздуха является важной величиной для регулирования процесса обжига, поддержания заданных параметров горения топлива.

Гранулометрический состав определяет конечное состояние процесса и качество получаемого клинкера.

Проиллюстрируем применение модифицированной методики для создания моделей технологических узлов цементной печи в форме нечетких диаграмм поведения второго ранга и получение на их основе моделей в виде «разверток». Для этого рассмотрим построение модели узла «Температура аспирационного воздуха» [18].

т

т

ав

ав

Структура выделенного технологического узла «Температура аспирационного воздуха» показана на рисунке 2.17.

т

к

H

к

Qа

Gran

ОУ UT, т а

Рисунок 2.17. Структура узла «Температура аспирационного воздуха» U т В ходе исследований определены возмущающие факторы - Тк, Нк, Q&, Gran, оказывающие влияние на технологическую переменную Тав (показаны слева на рисунке 2.17).

Определим термы для указанных возмущающих факторов:

1. Высота слоя клинкера в холодильнике Нк (см), малая высота - Нкм, средняя -Нкср, большая - Нкб;

2. Температура готового клинкера на выходе печи (холодильника) Тк (°C), низкая температура -Ткм, средняя - Ткср, высокая - Ткб.

3. Гранулометрический состав клинкера на выходе печи Gran (см), небольшой размер гранул - GranH, нормальный - Grannom, большой - Grane.

4. Расход аспирационного воздуха (из холодильника) Qа (м3/ч), низкий - QaM, средний - Qa^, высокий - QV

Выделим управляющие воздействия, которые использует оператор вращающейся печи для изменения влияния возмущающих факторов с помощью конкретных исполнительных устройств для рассматриваемого узла и определим их термы:

1. Число двойных ходов решетки холодильника - малое (^дхм), среднее (^дхср), большое (^дхб).

1 OQ^TT^TJXTTT ттитл^™™ с^тгтттлстттттт лтсттиттт _ <^м), средний (Z ср

2. Положение заслонки дымососа аспирации малый - (z^), средний (z^) и

большой ^аб).

С учетом введенных обозначений, а также в соответствии с мнениями инженера по обжигу ЗАО «Осколцемент», и машинистов-операторов печи,

построены функции принадлежности узла рассматриваемого узла ит^ (рисунок. 2.18).

Рисунок 2.18. Функции принадлежности узла «Температура аспирационного воздуха»

и

Используя сформированные функции принадлежности, составляются условия для возмущающих факторов и управляющих воздействий, определяющие принадлежность к соответствующему терму:

V1 =

511 =

512 =

513 =

11 - если Тк е ТКм,

10 - если Ткм < Тк < Тк

ср .

11 - если Тк е Тк

ср.

|0 - если Ткср < Тк < Тк

V 2 =

б,

|1 - если Тк е Ткб, 0 - если иначе,

521 =

522 =

523 =

|1 - если Н к е Н км,

0 - если Нкм < Нк < Н кср, |1 - если Нк е НКср, [0 - если Нкср < Н к < Н кб,

[1 - если Н к е Н кб, 0 - если иначе,

ав

<

<

где Гкм - низкое значение температуры, Ткср - среднее значение температуры, Ткб -высокое (большое) значение температуры; Икм - малая высота слоя материала, Икср - средняя высота слоя, Икб - большой слой материала;

V 3 =

531 =

532 =

533 =

1 - если Qa е Qa м,

0 - если Qa м < Qa < Q

ср.

1 - если Qa е Q£

сР ;

V 4 =

[0 - если Qa ср < Qa < Qa б, |1 - если Qa е Qa б,

0 - если иначе,

[1 - если Gran е Gran м,

541 = .

[0 - если Gran м < Gran < Grannom,

Í1 - если Gran е Grannnm,

542 = [ nom

[0 - если Grannom < Gran < Gran б,

543 = ■

\ 1 - если Gran е Gran б 0 - если иначе,

где - низкий расход аспирационного воздуха, ^аср - расход воздуха средний, - расход воздуха высокий; Огапм - размер гранул небольшой, Огаппот -нормальный размер гранул, Огапз - большой размер гранул клинкера.

Помимо возмущающих факторов и управляющих воздействий работу узла определяют так называемые технологические условия, вызывающие смену режима технологической переменной при неизменных управляющих воздействиях или сохранение режима работы при изменении управляющих воздействий.

Технологические условия запишем в виде:

51 =

52 =

53 = -

(1 — если материал в наличии (Рмх ), [0 — если иначе;

(1 — если исправны колосники (), [0 — если иначе;

1 — если привод дымососа аспирации исправен (), 0 — если иначе,

где - наличие материала в холодильнике (1 - есть в наличии, 0 - иначе), ^ -исправность колосников (1 - исправен, 0 - иначе), ^ - исправность привода дымососа (1 - исправен, 0 - иначе).

Совокупность возмущающих факторов, управляющих воздействий и технологических условий образуют единую технологическую структуру выделенного узла (рисунок 2.19).

a

Т-----

FШÍ--- Нк---

.--►

92

У4

I

х 93 ^----1

Рисунок 2.19. Технологическая структура узла «Температура аспирационного воздуха»

ит

т ав

На рисунке 2.19 пунктирными стрелками показаны логические связи между технологическими условиями, а сплошными стрелками отражены функциональные связи.

Разработав технологическую структуру узла, переходим к построению уже самой нечеткой диаграммы поведения второго ранга (рисунок 2.20).

Каждая вершина содержит определенную информацию, а именно, порядковый номер позиции, над чертой записан участок изменения выходной технологической переменной, в данном случае температуры аспирационного воздуха, под чертой знак первой и второй производной согласно таблице 2.2.

Овальные вершины графа (2, 3, 5, 6, 8 - 15) соответствуют нечетким динамическим режимам узла, а прямоугольные вершины (1, 4, 7) - нечетким статическим режимам работы.

На диаграмме: т = тав, тм- малое значение температуры аспирационного воздуха, т - среднее (нормальное) значение температуры аспирационного воздуха, тб - высокое значение температуры аспирационного воздуха, Т е ]Тм, Тср[- обозначение участка изменения температуры аспирационного воздуха.

На дугах графа отображены условия смены режимов, то есть правила перехода из одной вершины в другую. Такие правила представляют собой булевы функции, которые составляются из определенного набора возмущающих

г

факторов, технологических условий и управляющих воздействий. При этом из каждой вершины, то сеть из каждой позиции, существует только один переход в другую вершину. Данное условие называется условием непротиворечивости (ортогональности) и определяет верность составленных правил перехода.

Условия перехода

Рисунок 2.20. Нечеткая диаграмма поведения узла «Температура аспирационного

воздуха» ит

ав

Полученная модель узла цементной печи в виде нечеткой диаграммы поведения второго ранга, отражает все различные и возможные варианты его поведения и смены режимов функционирования технологической переменной. Но такую модель трудно использовать при реализации единого алгоритма управления, поскольку храня в себе всю возможную совокупность процессов, отсутствуют их конкретные реализации, по которым можно оценивать нормальный режим работы и выходы в нештатные и аварийные ситуации.

Для решения этой задачи целесообразно представить нечеткую диаграмму поведения второго ранга в виде последовательности смены режимов, то есть получить модель узла уже в виде так называемой «развертки» (рисунок 2.21). Развертка значительно упрощает создание алгоритма управления цементной печью, так как по ней гораздо проще отследить и зафиксировать регламентные и нештатные процессы, оценить взаимосвязи узлов.

На основе нечеткой диаграммы поведения второго ранга можем получить несколько возможных конструкций развертки. Рассмотрим данные особенности подробнее.

Рисунок 2.21. Развертка для узла «Температура аспирационного воздуха» и7

ав

Расшифровка позиций на развертке представлена в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Расшифровка позиций на «развертке»

Номер позиции на развертке Расшифровка

1 Температура аспирационного воздуха на минимальном уровне - т е Тм

2 Повышение температуры аспирационного воздуха несколько выше минимального уровня Т е\Тм, Тср [

3 Повышение температуры аспирационного воздуха значительно выше минимального уровня - Т е\Тм, Тср [

4 Температура аспирационного воздуха на номинальном (среднем) уровне Т е Тср

5 Повышение температуры аспирационного воздуха незначительно выше нормального уровня Т е\Тср,Тб[

6 Повышение температуры аспирационного воздуха значительно выше нормального уровня Т е\Т ,Тб[

7 Температура аспирационного воздуха на высоком уровне т е Тб

8 Понижение температуры аспирационного воздуха незначительно ниже высокого уровня Т е\Т , Тб [

9 Понижение температуры аспирационного воздуха значительно ниже высокого уровня Т е\Тср ,Тб[

10 Понижение температуры аспирационного воздуха незначительно ниже нормального уровня Т е\Тм, Тср [

11 Понижение температуры аспирационного воздуха значительно ниже нормального уровня Т е\Тм, Тср [

12 Повышение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума Т е\Тм, Тср [

13 Понижение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума Т е\Тср ,Тб[

Продолжение таблицы 2.4

14 Повышение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума т е] Тср ,Г6 [

15 Понижение температуры аспирационного воздуха - точка экстремума Т е]Тср ,Тб[

На рисунке 2.18 показана полная развертка узла «температура аспирационного воздуха» со всеми возможными уходами технологического процесса в нештатные и аварийные ситуации. Выделим, соответственно, различными цветами ситуации, когда происходит штатное функционирование технологической переменной и различные выходы в нештатные ситуации.

• Зеленый цвет - штатное функционирование технологического процесса;

• Красный цвет - нештатные ситуации.

Помимо общей развертки узла, можем при необходимости получать из нечеткой диаграммы поведения определенные ситуации при протекании технологического процесса. Например, вывод технологической переменной в установившейся нормальный режим функционирования, либо возникновение нештатной ситуации.

/ /з ¡4

- 3

1 т е ти

00

2

]ТМ, Тср[

+ +

]Тм, Тср[ 4 Т е Тср

+- 00

Рисунок 2.22. Фрагмент «развертки» На рисунке 2.22 показан переход от минимального значения температуры аспирационного воздуха в нормальный режим функционирования, то есть набор смены режимов, ведущий технологическую переменную в рабочий режим (позиция номер 4), что выделено зеленым цветом.

/5 /б

Рисунок 2.23. Фрагмент «развертки»

На рисунке 2.23 показана ситуация с уходом из нормального режима функционирования технологической переменой (зеленый цвет) в нештатную ситуацию, что отражено красным цветом.

2.3. Модели технологических узлов «Температура материала в зоне сушки» и «Температура вторичного воздуха»

Структуры узлов «Температура материала в зоне сушки» и «Температура вторичного воздуха» представлены на рисунке 2.24 [17, 19, 20, 112].

Тотг т N

Тмзс хр

Gran

ОУ

и г.

T„,

Рисунок 2.24. Структура узлов «Температура материала в зоне сушки» и^ ,

«Температура вторичного воздуха» ит На узел ит влияют следующие возмущающие факторы - Готг, Ьзс.

Разделение возмущающих факторов по нечетким градациям значений:

1. Температура отходящих газов Тотг (°С.) - малая (Т°тгм), средняя (Тотгср) и

мЬ ^р^мплл ^ ср;

б)

/ \ ____/ГЭС

м), средняя (L ср) и большая (L б/

Управляющие воздействия:

д1

большая (высокая) (Готгб); 2. Длина зоны спекания Ьзс (м)- малая (£зсм), средняя (£зсср) и большая (£зсб).

1. Степень (процент) открытия шибера дымососа zg1 (%) - низкая (zg м), средняя (^д1ср), высокая (^д1б);

2. Степень (процент) открытия шибера дымососа z^ (%) - низкая (тд2м), средняя (zд2ср), высокая (гд2б).

На узел ит влияют следующие возмущающие факторы - Nw -

количество, Gran.

Разделение возмущающих факторов по нечетким градациям значений:

(N^) и большое (N^).

1. Количество ходов решеток холодильника #хр (мин.-1) - малое (-^хрм), среднее

2. Гранулометрический состав клинкера на выходе (печи) Gran (см) -небольшой размер гранул - GranM, нормальный - Grannom, большой - Gran6. Функции принадлежности узлов - «Температура материала в зоне сушки», «Температура вторичного воздуха» показаны на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25. Функции принадлежности для узлов - «Температура материала в зоне сушки» ит , «Температура вторичного воздуха» ит

Технологические условия для узла «Температура материала в зоне сушки» ит запишем в виде:

31 =

1 — зона спекания сформирована (Fзс), 0 — если иначе;

[1 — исправен дымосос отходящих газов (К.д1),

0 — если иначе;

[l — исправен дымосос отходящих газов (Fgg2), 0 — если иначе,

где - состояние зоны спекания (1 - сформирована, 0 - иначе), ^д1 -исправность дымососа 1 (1 - исправен, 0 - иначе), Гдд2 - исправность дымососа 2 (1 - исправен, 0 - иначе).

Технологические условия для узла «Температура вторичного воздуха» U

T

запишем в виде:

[1 — если материал в наличии (^мх), [1 — если исправны колосники (Fд-K),

3\ = ^ 32 = ^

[0 — если иначе; [0 — если иначе;

где ^х - флаг наличия материала (1 - есть в наличии, 0 - иначе), ^ -исправность колосников холодильника (1 - исправны, 0 - иначе).

Используя сформированные функции принадлежности, составляются условия для возмущающих факторов и управляющих воздействий, определяющие принадлежность к соответствующему терму:

VI =

311 =

312 =

1 — если Т^ е Tо

р. тотг , т , г-ротг

10 — если T м < Топ < T

ср,

|1 — если Тотг е Т ср,

V2 =

0 — если То

< Тптг < Т б,

ср < 1отг

ш = 11 — если Тотг е Т отгб,

0 — если иначе,

321 =

11 — если Ьзс е L м, 0 — если Цзсм < L,„ < Lзс

ср,

322 =

11 — если Цзс е Цзсср,

10 — если Цзсср < Цзс < Цзсб,

323 =

V1 =

311 =

312 =

1 — если N„ е Nхр

хр

[0 — если Nхрм < Nоп < Nхрср, |1 — если Nхр е Nхрср,

V2 =

0 — если Nхрср < Nотг < Nхрб,

тз= 11 — если N хр е N хрб, 10 — если иначе,

321 =

322 =

323 =

(1 — если Цзс е Цб, [0 — если иначе,

[1 — если Gran е Gran м,

10 — если Granм < Gran зс < Gran^,

1 — если Gran е Gran

ср>

I 0 — если Gran^ < Gran зс < Gran

[1 — если Gran е Gran б, 0 — если иначе,

б,

где Тотгм - малое значение температуры отходящих газов, 7°тгср - среднее значение температуры отходящих газов, 7°тгб - высокое (большое) значение температуры отходящих газов; Ьжм - длина зоны спекания (небольшая) малая, £зсср - средняя длина зоны спекания, Ьжб - длина зоны спекания большая; ^°тгм -

м

<

м

<

малое количество ходов решеток холодильника, ^отгср - среднее количество ходов решеток холодильника, №тгб - большое количество ходов решеток холодильника; GranM -размер гранул небольшой, Отапср - нормальный размер, Gran6 - большой размер.