КІРОВОГРАДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Сербул Олександр Миколайович

УДК 681.5.015

система комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Кіровоград-2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації виробничих процесів Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Кондратець Василь Олександрович,

Кіровоградський національний технічний університет, професор кафедри автоматизації виробничих процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гончаренко Борис Миколайович,

Національний університет харчових технологій, м. Київ, професор кафедри автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій;

кандидат технічних наук, доцент

Назаренко Михайло Володимирович,

Криворізький технічний університет, доцент кафедри інформатики, автоматики та систем управління.

Провідна установа: Дніпропетровський національний гірничий університет

Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, кафедра автоматизації та комп’ютерних систем.

Захист відбудеться 02.03.2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 23.073.01 у Кіровоградському національному технічному університеті за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кіровоградського національного технічного університету за адресою: 25006, м. Кіровоград, пр. Університетський, 8.

Автореферат розісланий 23.01.2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Каліч

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нині в Україні з магнетитових концентратів виробляється більше половини всього отримуваного металу, причому його собівартість нижча, ніж при виплавці з багатих руд. Це обумовлює розширення використання даного способу вироблення сировини в гірничо-металургійному комплексі України, зокрема, будівництво нових підприємств, до яких відноситься Криворізький гірничо-збагачувальний комбінат окислених руд у м. Долинська Кіровоградської області.

Складність технологічних процесів збагачення бідних магнетитових руд передбачає їх автоматизацію. Ці проблеми вивчаються досить давно. В ряді напрямів є значні досягнення. Однією з важливих проблем є автоматизація подрібнення руди у кульових млинах, яке відбувається у водному середовищі і на яке припадає майже 50 % всіх достатньо великих енергетичних витрат. Автоматичне регулювання процесу подрібнення дозволяє підвищити продуктивність кульових млинів на 5-10 %. До засобів автоматизації кульових млинів відносять три наступні системи: кульового завантаження; завантаження рудою; співвідношення руда/вода в технологічному агрегаті. Оптимальну продуктивність подрібнювального агрегату, при якій забезпечується найбільший вихід готового продукту, можливо отримати лише при ефективному функціонуванні цих трьох систем автоматичного регулювання.

На вітчизняних магнітозбагачувальних фабриках в першій стадії подрібнення в основному використовують кульові млини, що працюють у замкнутому циклі з класифікатором. В даних об’єктах достатньо ефективно автоматизоване завантаження кулями та рудою. Проте обслідування цих об’єктів і проведений аналіз літературних джерел показали, що завдання автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в таких кульових млинах до теперішнього часу не вирішено, не дивлячись на значну кількість розробок в даному напрямі.

Такий стан склався тому, що даній задачі, можливо, приділялося менше уваги. Так, кульовий млин як керований об’єкт практично не досліджувався по каналу розрідження пульпи, не визначалася і не аналізувалася його математична модель, вхідні матеріальні комунікації та ін. Одночасно з цим створення ефективних систем автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в кульовому млині пов’язано з рядом труднощів (складні умови вимірювання, низька точність вимірювання, транспортні та ємнісні запізнювання та ін.), в силу чого створені системи не забезпечували необхідної точності підтримання технологічного параметра. Відсутність таких систем приводить до зниження продуктивності кульових млинів, перевитрат електричної енергії, куль і футерівки, що наносить великі економічні збитки.

Тому розробка ефективної системи автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в кульовому млині першої стадії подрібнення є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів наукової тематики Кіровоградського національного технічного університету за темою “Комп’ютерно-інтегрована система автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в кульових млинах з циркулюючим навантаженням” (0105V008334) з листопада 2002 р. по кінець 2006 р., в якій дисертант розробляв модель регульованого об’єкта, засіб ідентифікації та систему автоматичного регулювання заданого технологічного параметра. Дана робота спрямована на реалізацію напрямку “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”, передбаченого Законом України від 11 липня 2001 року № 2623-ІІІ “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення продуктивності кульових млинів першої стадії подрібнення шляхом обладнання їх системою комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи з покращеними характеристиками.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані і вирішені наступні задачі:

- обґрунтовано математичну модель кульового млина по каналу розрідження пульпи та оцінено його як регульований об’єкт із змінними параметрами;

- узагальнено підходи щодо поняття вхідних комунікації кульового млина, удосконалено їх організацію;

- обґрунтовано підхід ідентифікації співвідношення руда/вода на вході кульового млина по параметрам вхідних комунікацій з забезпеченням неповної інваріантності за похибкою вимірювання витрати пульпи у пісковому жолобі класифікатора;

- розроблено систему комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення, яка здатна підвищувати їх продуктивність та забезпечити економію витрати електричної енергії, куль і футерівки.

Об'єктом дослідження є процес подрібнення залізної руди в кульових млинах з циркулюючим навантаженням, що працюють в першій стадії здрібнювання збагачувальної фабрики.

Предмет дослідження – система комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення.

Методи дослідження. Методологічну основу дослідження становлять фундаментальні положення сучасної теорії автоматичного управління, наукові дослідження вітчизняних і зарубіжних вчених у сфері автоматизації виробничих процесів. В якості загального інструменту дослідження використовувався метод аналізу і синтезу. При вирішенні поставлених задач застосовувались наступні методи: математичного описування об’єктів автоматизації і операційного обчислення (для визначення і дослідження математичних моделей кульового млина та завиткового живильника); частотні (для оцінки створюваних коливальних перешкод і визначення обмежень по керуючим діянням на вході кульового млина); підвищення точності засобів вимірювання (для обґрунтування підходу ідентифікації співвідношення руда/вода); механіки рідин (для дослідження руху пульпи у пісковому жолобі класифікатора та обґрунтування способу і системи автоматичної стабілізації витрати рідини в пісковий жолоб класифікатора); оптимізації (для забезпечення найкращого вибору вимірювальних пристроїв по точності в блоці ідентифікації); статистичної динаміки систем керування, теорії випадкових процесів, теорії фільтрації сигналів (для обґрунтування структури і параметрів блока ідентифікації, системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення); статистичні методи аналізу і обробки спостережень (для обробки результатів експериментальних досліджень). Моделювання процесів і розрахункова частина досліджень проводилися на сучасних персональних комп’ютерах шляхом розробки і використання моделюючих і розрахункових програм, а також пакетів прикладних програм. Експериментальні дослідження проводилися за допомогою серійних вимірювальних приладів і з використанням розроблених установок.

Наукова новизна одержаних результатів дослідження полягає в розробці та поглибленні теоретико-методичних підходів ідентифікації параметра та автоматичного керування розрідженням пульпи в складних технологічних умовах подрібнення вихідної руди в кульових млинах з циркулюючим навантаженням на магнітозбагачувальних фабриках. Найбільш суттєві результати, які мають наукову новизну, полягають у такому:

вперше:

розроблена математична модель кульового млина з циркулюючим навантаженням по каналу розрідження пульпи, яка встановлює зв’язок між масою подрібнюваного матеріалу та об’ємною витратою твердого і води, залежність сталої часу і передавальних коефіцієнтів від об’ємної витрати вхідного потоку, що дозволило визначити тривалості перехідних процесів і фільтруючі можливості агрегату, області зміни коливальних параметрів на вході та керуючих діянь по руді і воді, при яких відносні відхилення маси пульпи не перевищують допустимого рівня, та обґрунтувати підхід якісного керування розрідженням пульпи;

розроблено підхід автоматичної стабілізації розрідження пульпи в млинах з циркулюючим навантаженням, відповідно якому ідентифікують регульовану величину по параметрам вхідних комунікацій і за цим показником циклічно регулюють витрату води в агрегат, визначаючи і використовуючи середні значення витрати пульпи і руди за встановлений фіксований відрізок часу, що дозволяє значно підвищити точність підтримання параметра;

удосконалено:

метод ідентифікації та забезпечення неповної інваріантності по одному з параметрів при ідентифікації співвідношення руда/вода в кульовому млині, який проявляється в суттєвому зменшенні впливу об’ємної витрати пульпи у пісковому жолобі класифікатора на результат ідентифікації, що дозволяє визначати співвідношення руда/вода з високою точністю в умовах вимірювання витрати пульпи з похибкою до 5,0 %;

підхід до стабілізації витрати води в технологічний процес, який полягає у перетворенні вертикального потоку рідини і компенсації коливання тиску середовища в магістралі автоматичною зміною гідравлічного опору на вході лінії подачі, що гарантує отримання високої точності дозування продукту;

дістала подальший розвиток:

релейна система автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в частині використання оптимальних тривалостей фільтрування сигналів, ідеалізованого по спрацюванню і відпусканню релейного елемента з невеликим порогом спрацювання, який може становити 1,0 % задаючого діяння, та забезпечення максимальної швидкодії, що дозволяє отримати високі якісні показники процесу регулювання параметра.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблено алгоритм ідентифікації, який дозволяє з достатньою стосовно технологічних вимог точністю визначити співвідношення руда/вода в умовах вимірювання витрати пульпи у пісковому жолобі класифікатора з великою похибкою, та на його базі систему комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення, здатну підтримувати необхідне співвідношення руда/вода в кульовому млині, що підвищує продуктивність агрегату, знижує витрату електроенергії, куль і футерівки та забезпечує значний економічний ефект.

Отримані наукові результати дозволяють модернізувати перші стадії подрібнення гірничо-збагачувальних комбінатів та використовувати ці дані при проектуванні нових збагачувальних підрозділів і підприємств. Науково-інженерний центр Полтавського гірничо-збагачувального комбінату розглянув отримані результати і дав згоду на співробітництво по створенню та використанню запропонованих засобів стосовно умов підприємства. За результатами даної роботи отримано три патенти України, чинність яких підтримується та розповсюджується інформація про винаходи. Результати дослідження знайшли практичне застосування в навчальному процесі Кіровоградського національного технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Сформульовані в роботі наукові результати, висновки, рекомендації та пропозиції належать особисто автору і є його науковим доробком. Дослідження є одноособово виконаною науковою працею. Із спільних публікацій особисто здобувачу належить наступне: гіпотеза та її обґрунтування про незмінність вологи пісків класифікатора [1]; математичне описання гідравлічного перетворювача [2]; математичне описання інваріантної САР рівня води в гідравлічному перетворювачі [3]; обґрунтування необхідності оператора при автоматичному управлінні розрідженням пульпи в кульовому млині [4]; отримання математичної моделі завиткового живильника та визначення його параметрів [5]; обґрунтування підходу ідентифікації співвідношення руда/вода в кульовому млині [6]; розробка функціональної схеми системи автоматичного регулювання співвідношення руда/вода в кульовому млині першої стадії подрібнення [7]; розробка і дослідження математичної моделі кульового млина та структурної схеми системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи [8]; аналіз матеріальних комунікацій кульового млина [9]; визначення впливу зміни неточності вимірювання технологічних параметрів на результати ідентифікації [10]; обґрунтування і забезпечення лінійності статичної характеристики ланки “регулювальний орган-витратомір води” [11]; розробка підходу автоматичного регулювання розрідження пульпи в млинах з фільтруванням сигналів та цифровим управлінням [12]; теоретичне обґрунтування підходу та розробка пристрою автоматичної стабілізації витрати рідини [13, 14].

Апробація результатів досліджень. Основні теоретичні, методичні положення та результати дослідження були представлені і схвалені на міжнародних науково-технічних, науково-практичних конференціях та наукових конференціях молодих вчених України: Міжнародній науково-технічній конференції “Автоматика та комп’ютерні технології в промисловості та АПК” (м. Кіровоград, 2002 р.); Першій Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка – 2003” (м. Кіровоград, 2003 р.); Х Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та техносфера ХХІ століття” (м. Севастополь, 2003 р.); Міжнародних науково-технічних конференціях “Інтегровані системи управління в гірничо-металургійному комплексі” –ІСУГМК–2003, –ІСУГМК–2006 (м. Кривий Ріг, 2003 р., 2006 р.); ХХХVІІІ Науковій конференції молодих вчених “Наука – виробництву, 2004” (м. Кіровоград, 2004 р.); І Міжнародній науково-практичній конференції “Науковий потенціал світу ’2004” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Енергозбереження та автоматизація в промисловості та сільському господарстві” (м. Кіровоград, 2004 р.); 71-шій науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів “Наукові здобутки молоді – вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті” (м. Київ, 2002 р.); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Wyksztalcenie i nauka bez granic – ’2005” (Przemysl – Praha, 2005); VІІІ, ІХ Міжнародній науково-практичній конференції “Наука і освіта’2005”, “Наука і освіта’2006” (м. Дніпропетровськ, 2005 р., 2006 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 14 наукових праць, у тому числі 6 статей у наукових фахових виданнях, 3 патенти України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, 13 підрозділів, висновків, списку використаних джерел та 20 додатків. Загальний обсяг роботи – 252 сторінки, основний текст роботи викладено на 144 сторінках. Робота містить 4 таблиці, 42 рисунки і список використаних джерел, який включає 104 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність, сформульовані мета, об’єкт, предмет і методи дослідження, поставлені задачі, що вирішуються. Визначена наукова новизна та сформульовані наукові і практичні результати, які виносяться на захист.

Розділ 1. Технічні основи створення системи автоматичної стабілізації розрідження пульпи в млинах при подрібненні руди з пісками класифікатора. У розділі показано, що складність технологічних процесів збагачення бідних магнетитових руд потребує їх автоматизації. Проблеми автоматизації технологічних процесів магнітозбагачувальних фабрик досліджуються в роботах Б.О. Ареф’єва, В.А. Олевського, О.М. Тихонова, О.М. Марюти, Ю.Г. Качана, Є.В. Кочури, В.В. Ткачова, В.О. Бунька, А.Г. Астахова, М.В. Федоровського та ін. Однією з важливих проблем є автоматизація подрібнення руди у кульових млинах і, зокрема, розрідження пульпи в них. На необхідність автоматичної стабілізації розрідження пульпи у млинах вказують А.М. Бонч-Бруєвич, В.Л. Биков, П.І. Чінаєв.

В процесі аналізу відомих засобів автоматичної стабілізації розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення встановлено, що існує дві групи систем автоматичної стабілізації співвідношення руда/вода в технологічних агрегатах.

Перша група призначена для стабілізації технологічного параметра у млинах, що працюють у відкритому циклі, друга – у кульових млинах, які подрібнюють руду в замкнутих циклах. Системи автоматичної стабілізації співвідношення руда/вода у млинах з циркулюючим навантаженням поділяються на три групи: стабілізації густини пульпи у потоці розвантаження млина; формування співвідношення руда/вода в барабані млина; формування параметра на вході млина. Встановлено, що найбільш перспективними є системи автоматичної стабілізації співвідношення руда/вода на вході у кульовий млин. Серед них можливо виділити чотири типи: системи з перериванням подачі руди в млин з наступним визначенням запасу матеріалу в ньому; системи, що враховують циркулююче навантаження; системи з врахуванням масової витрати пульпи та вологовмісту в пісках; системи з врахуванням масової витрати піскової пульпи, її густини та густини твердої фази. Всі вони мають двоконтурну структуру автоматичного регулювання. По різним причинам ці системи автоматичного регулювання параметра не можливо реалізувати на магнітозбагачувальних фабриках.

Визначено, що дану задачу слід розв’язувати на вході кульового млина, орієнтуючись на вологовміст пісків і вимірювання об’ємної витрати пульпи у пісковому жолобі класифікатора та на реалізацію одноконтурного регулювання технологічного параметра.

На основі проведеного аналітичного огляду сформовані задачі дослідження.

Розділ 2. Теоретичні основи системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання співвідношення руда/вода в кульових млинах з циркулюючим навантаженням. В розділі представлені результати проведених теоретичних досліджень системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання співвідношення руда/вода в кульових млинах з циркулюючим навантаженням. Методами математичного описання об’єктів автоматизації, які забезпечують високу точність і співпадіння результатів з реальними процесами, отримана математична модель кульового млина, що перероблює вихідну руду та піски класифікатора. Кульовий млин як регульований об’єкт по каналу розрідження пульпи описується диференціальним рівнянням, яке характеризує зміну маси матеріалу в агрегаті в часі під впливом об’ємної витрати твердого та води

, (1)

де М – маса матеріалу в агрегаті; QVТ, QVB – відповідно об’ємна витрата твердого та води; – стала часу кульового млина, FM, l – відповідно площа поперечного перерізу матеріалу, довжина барабана кульового млина; Т, В – відповідно густина твердого і води.

З рівняння (1) слідує, що в наслідок зміни об’ємної витрати матеріалу у вхідному потоці кульовий млин по каналу розрідження пульпи є регульованим об’єктом зі змінними параметрами. Стала часу Т в ньому в основному може змінюватися від 125 до 159 с. Керування таким об’єктом по заданому значенню вихідної величини здійснювати практично не можливо.

Зміна матеріальних потоків на вході впливає на стан технологічного агрегату. Коливальні процеси приводять до відносних коливань маси матеріалу в кульовому млині

. (2)

де – вихідна синусоїдальна величина; – вхідна синусоїдальна величина; А() – амплітудна частотна характеристика кульового млина.

З рівняння (2) слідує, що коливання маси матеріалу в кульовому млині залежать від частоти і амплітуди коливань на вході. Тобто, М є функцією двох змінних. З використанням спеціальних програм на персональному комп’ютері для типового режиму роботи млина отримані просторові діаграми відносного коливання маси матеріалу в кульовому млині від амплітуди і частоти впливів на вході по твердому і воді (рис. 1). Як по твердому, так і по воді самими небезпечними є коливання з занадто малою частотою і значними амплітудами. За допомогою комп’ютерної обробки масиву даних за спеціальною програмою отримані області зміни коливальних параметрів на вході кульового млина по твердому і воді, при яких відносні відхилення маси матеріалу в агрегаті не перевищують 3 %, що гарантує нормальний хід технологічного процесу. Границі знайдених областей зміни параметрів на вході кульового млина повинні слугувати обмеженнями при реалізації автоматичного керування.

Рис. 1. Просторові діаграми відносного коливання маси матеріалу в кульовому млині від амплітуди і частоти діянь на вході по твердому (а) та воді (б)

Вхідні матеріальні комунікації кульового млина включають потоки руди, води і пульпи. Методом аналізу встановлено, що вони можуть виступити в якості об’єкта ідентифікації розрідження пульпи на вході агрегату і володіти певним запізнюванням. Найбільше запізнювання, яке негативно буде впливати на процес автоматичного регулювання, виникає в магістралі подачі води через пісковий жолоб класифікатора. Пульпа, створена пісками і додатковою водою, в пісковому жолобі рухається хвилеподібним потоком, який наближено можна подати постійною і гармонічною складовими, які є змінними величинами. Встановлена можливість нейтралізації негативного впливу запізнювання стабілізацією витрати води в пісковий жолоб, що технологічно можливо. Доведено, що об’ємна витрата пульпи в цій же магістралі лінійно залежить від її рівня при висоті, більшій 70 мм. Це дозволяє здійснити вимірювання об’ємної витрати пульпи по висоті потоку.

Подача пульпи у кульовий млин здійснюється завитковим живильником. Отримана математична модель завиткового живильника має вигляд

, (3)

де Qп – масова витрата пісків; Qвж – масова витрата води в пісковий жолоб класифікатора; Кп – коефіцієнт, що враховує вміст вологи в пісках класифікатора; – константа, яка характеризує завитковий живильник, м2/с; – стала часу завиткового живильника; SЖ – площа поперечного перерізу приймального пристрою завиткового живильника; Н – рівень пульпи у приймальному пристрої.

Нерівномірність руху пульпи у пісковому жолобі виступає джерелом нестабільності. За допомогою математичної моделі (3) встановлено, що фільтруючі властивості завиткового живильника недостатні і він коливальні процеси з піскового жолоба передає на вхід кульового млина, але при зменшенні амплітуди в чотири рази. Збурення, викликані нерівномірністю руху матеріалу в пісковому жолобі, у самих несприятливих умовах роботи циклу ще знаходяться в області допустимих значень і у кульовому млині не відбудеться небажаних відхилень співвідношення руда/вода, однак сталу часу Т = 6,5 с необхідно враховувати при знаходженні відповідності між матеріальними потоками на вході агрегату і отримуваною інформацією.

Як показав аналіз, відомі системи автоматичного регулювання витрати рідини не можуть бути застосованими при стабілізації подачі води в пісковий жолоб. В результаті досліджень, виконаних з застосуванням методу механіки рідин, розроблено новий підхід автоматичної стабілізації витрати води, який захищено патентом України. Він дозволяє значно покращити характеристики даної системи і забезпечити більш високу точність.

Оскільки безпосередньо виміряти співвідношення руда/вода Кр/в не можливо, його необхідно ідентифікувати по іншим технологічним параметрам. Умови ідентифікації ускладнюються вимірюванням певних параметрів з достатньо великою похибкою, що не дозволяє отримати результуючу похибку, яка не перевищує 3,0 %. Застосовуючи і розвиваючи методи підвищення точності засобів вимірювання обґрунтовано алгоритм ідентифікації співвідношення руда/вода, який забезпечує часткову інваріантність до похибки вимірювання об’ємної витрати пульпи Qп у пісковому жолобі класифікатора

, (4)

де – коефіцієнт, що визначається густиною руди, води та вмістом вологи у пісках класифікатора; Qвм, Qвжм – відповідно масова витрата води в млин і пісковий жолоб класифікатора.

Алгоритм ідентифікації Кр/в (4) дозволяє реалізувати систему автоматичного регулювання співвідношення руда/вода на вході кульового млина (рис. 2). В системі задаюче діяння К(р/в)з вводиться оператором. Воно порівнюється з визначеним за (4) блоком ідентифікації співвідношенням руда/вода К(р/в)в. Однак необхідно розрізняти і фактичне значення К(р/в)ф, яке створюється реальними матеріальними потоками на вході кульового млина, оскільки К(р/в)ф і К(р/в)в не завжди співпадають в наслідок впливу різних факторів.

Рис. 2. Схема узагальненого регульованого об’єкта подачі води в кульовий млин з блоком ідентифікації співвідношення руда/вода та автоматичним регулятором розрідження пульпи

Др, Дп, Дв, Двж – відповідно датчики витрати руди, пульпи, води в кульовий млин і пісковий жолоб; РОПВ – регульований об’єкт (відрізок труби) подачі води; РО – регулювальний орган; АР – автоматичний регулятор; З – задавач.

На вході блока ідентифікації сигнали витратомірів пульпи і руди є випадковими процесами, тобто, маємо багатоканальну систему, коли різні вхідні величини використовують для отримання з найбільшою точністю однієї вхідної величини. Застосовуючи методи теорії випадкових процесів, статистичної динаміки систем керування, фільтрації сигналів встановлено, що єдиним підходом підвищення точності визначення співвідношення руда/вода на вході у кульовий млин є вплив на характеристики випадкових процесів – фільтрація випадкових сигналів перед подачею на вхід блока ідентифікації. Доведено, що найкращим рішенням є цифрове фільтрування сигналів. З застосуванням перелічених методів знайдені оптимальні інтервали фільтрування – 10 с, 20 с, 30 с,... та 2 с відповідно для сигналів витратоміра пульпи та руди. З врахуванням ємкісного запізнювання завиткового живильника обґрунтована тривалість циклу регулювання і фільтрації сигналів впродовж 30,48 с. Показано, що найкращий результат керування можна отримати у випадку забезпечення високої швидкодії системи автоматичного управління співвідношенням руда/вода. Даний підхід автоматичного управління співвідношенням руда/вода захищено патентом України.

Розділ 3. Розробка та аналіз системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення. Викладені результати розробки та аналізу блока ідентифікації співвідношення руда/вода й системи регулювання розрідження пульпи в кульовому млині першої стадії подрібнення в цілому.

Фільтрація сигналів витратомірів пульпи та руди ліквідує вплив випадковостей на роботу системи автоматичного регулювання, вплив похибок вимірювання технологічних параметрів на визначення К(р/в)в залишається. На рис. 3 показано вплив похибки вимірювання одного з технологічних параметрів на результат ідентифікації Кр/в при останніх незмінних для типового режиму роботи першої стадії подрібнення. Алгоритм ідентифікації Кр/в забезпечує похибку співвідношення руда/вода, меншу похибки визначення будь-якого технологічного параметра, однак кінцевий результат може бути незадовільним при певних похибках всіх вимірюваних величин. Тому методом оптимізації точнісних характеристик вимірювальних засобів був знайдений найкращий варіант ідентифікації співвідношення руда/вода на вході кульового млина. При відносних похибках 1,0 % вимірювання витрати руди і води у кульовий млин і забезпеченні такої ж відносної похибки подачі води у пісковий жолоб класифікатора блок ідентифікації забезпечує визначення Кр/в з похибкою, що не перевищує 1,74 % навіть в умовах відносної похибки вимірювання витрати пульпи 5,0 %. Відхилення густини руди, вмісту вологи в пісках класифікатора від приписаного режиму не викликають похибки визначення Кр/в.

Рис. 3. Вплив зміни неточності вимірювання параметрів технологічного процесу на значення співвідношення руда/вода:

1 – витрати руди; 2 – витрати пульпи; 3 – густини руди; 4 – витрати води в пісковий жолоб; 5 – вмісту вологи в пісках; 6 – витрати води в млин

По даним оптимізації ідентифікації Кр/в вибрані засоби вимірювання та розроблена підсистема автоматичної стабілізації витрати води у пісковий жолоб класифікатора з Qвж = 24,3 м3/год, яка захищена патентом України. Вона працює при стабілізації рівня 1028 мм і має діаметр каналу – 100 мм, накопичувача – 150 мм, поплавка – 106,5 мм, випускного патрубка – 63,5 мм, подаючої труби – 50 мм при висоті поплавка 110 мм. Конвеєрні ваги модернізовані з метою позбавлення впливу інерційності на результати динамічних вимірювань. Витратомір пульпи являє собою чотирьохканальний пасивний скенуючий пристрій з похибкою вимірювання об’ємної витрати, що не перевищує 3,5 %. В блоці ідентифікації реалізовано шестиканальну подачу вхідної інформації. Значення витрати води у пісковий жолоб занесено у “пам’ять” мікропроцесорної системи, окремо здійснюється подача інформації про погонне навантаження руди на конвеєрній стрічці та її швидкість руху. Необхідна точність ідентифікації забезпечується 10-розрядними аналого-цифровими перетворювачами або пристроями більш високої розрядності. Експериментальна перевірка підтвердила високу точність визначення Кр/в за допомогою розробленого блока ідентифікації.

Блок ідентифікації дозволяє здійснити автоматичне регулювання процесу розрідження пульпи. Функціональна схема системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання співвідношення руда/вода на вході кульового млина приведена на рис. 4. Задане значення співвідношення руда/вода підтримується зміною витрати води у кульовий млин. Автоматичне керування здійснюється мікроконтролером АТ90S4433. В якості регулювального органа прийнято двосідловий клапан з лінійною характеристикою, який переміщується виконавчим механізмом типу ПР1-М з двофазним асинхронним електродвигуном змінного струму з редуктором, що включається безконтактним реверсивним пускачем ПБР-2. Система, реалізована на контролері АТ90S4433, є релейного типу, містить мікропроцесорний дискретний пристрій з характеристикою, що відповідає ідеальному релейному елементу, який може спрацьовувати і відпускати при різниці в сигналах всього на 1,0 %. Передавальна функція лінійної частини системи

, (5)

де kед, kР, kПМ, kУО, kВП – відповідно передавальні коефіцієнти електродвигуна, редуктора, перетворювального механізму, регулювального органа з відрізком магістралі та вимірювального пристрою; Тед – стала часу електродвигуна.

Рис. 4. Функціональна схема системи автоматичного регулювання співвідношення руда/вода на вході кульового млина:

ВП, ВВ – відповідно витратоміри пульпи та води; ППН, ПШС – відповідно перетворювачі погонного навантаження та швидкості стрічки; ЗГР – задавач густини руди; ЗВП – задавач вологи пісків; РО – регулювальний орган; БІС – блок ідентифікації співвідношення; ЗС – задавач співвідношення; АР – автоматичний регулятор; ВМ – виконавчий механізм; ПМ – перетворювальний механізм; ЕП – елемент порівняння.

Дослідження, проведені методом гармонічного балансу, показали, що в даній системі при прийнятих елементах автоколивання не можливі, тому вона стійка при будь-яких параметрах лінійної частини. Перехідний процес забезпечує найкращу якість регулювання при максимально можливому передавальному відношенні редуктора виконавчого механізму, що дорівнює 0,02. Параметри перехідного процесу забезпечують формування К(р/в)ф в межах похибки 3,0 %.

Розділ 4. Методика, дослідження та особливості експлуатації системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення. Описані розроблені здобувачем методики та стенди випробовувань апаратури, результати її дослідження та особливості експлуатації.

Підсистема автоматичної стабілізації витрати води в пісковий жолоб класифікатора повинна забезпечувати витрату 24,3 м3/год. Її дослідження здійснювалося на спеціально створеному стенді, який містить мірну ємкість, резервуар, насоси з набором трубопроводів, вимірювальні прилади і панель автоматики для управління процесами і автоматичного фіксування часу заповнення мірної ємкості. Параметри стенда гарантували високу точність визначення витрати води. Задачею дослідження підсистеми було встановлення фактичної витрати води та її залежність від різних факторів. В процесі дослідження було проведено 120 експериментів при різних значеннях тиску води в магістралі та її температури. Температура навколишнього середовища і рідини змінювалася від 5С до 45С, тиску води – від 0,34 до 0,45 МПа. Методами математичної статистики отримано рівняння регресії. Встановлено, що на підсистему автоматичної стабілізації витрати води практично не впливають температура та тиск рідини в діапазоні їх зміни. Методом дисперсійного аналізу оцінювалися точнісні показники підсистеми автоматичної стабілізації витрати води. Середнє квадратичне відхилення витрати води за результатами експериментів дорівнює Q = 0,0678557 м3/год. З врахуванням визначеного довірчого інтервалу і потроєного значення середньої квадратичної похибки відносна похибка підсистеми автоматичної стабілізації витрати води склала 0,85 %, що відповідає прийнятим умовам її роботи.

В процесі дослідження системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в кульовому млині першої стадії подрібнення експериментально встановлювалася точність підтримання параметра як в динамічних, так і в статичних умовах роботи. Оскільки такі дослідження в промислових умовах зв’язані з великими фінансовими і матеріальними витратами, значними витратами часу і майже практичною неможливістю отримання необхідних режимів роботи технологічного обладнання в економічно обґрунтованих тимчасових інтервалах, дослідження проводилися на спеціально створеному стенді. Стенд фактично являв реальну фізичну модель магістралі подачі води в технологічні процеси збагачувальної фабрики та реальний фрагмент магістралі подачі води в кульовий млин. Інформаційні процеси, за виключенням витрати води у кульовий млин, моделювалися задавачами.

В процесі експериментальних досліджень проведено 160 дослідів, в результаті яких встановлено, що при будь-яких збурюючих впливах система комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в кульовому млині забезпечує стійкість. Перехідний процес по керуючому впливу закінчується за 1,64 с, що говорить про достатньо високі якісні показники. Перехідні процеси, викликані зміною витрати руди у кульовий млин, мають різний характер, який визначається фазою між початком циклу фільтрування сигналу витратоміра руди і початком ступінчастого впливу по руді. Враховуючи, що в процесі експлуатації витрата твердого ступінчасто змінюватись не може, якісні показники системи будуть високими, не дивлячись на певний вплив тривалості фільтрування сигналу. В усталеному режимі роботи система забезпечує високу точність. Її вихідна величина не залежить від витрати руди, пульпи, тиску води в магістралі, температури навколишнього середовища. Регульована величина визначається лише задаючим діянням і підтримується з похибкою, яка отримана аналогічно дослідженню підсистеми автоматичної стабілізації витрати рідини і складає 2,73 %. Отже, дана система відповідає вимогам технологічного процесу і може використовуватись на рудозбагачувальних фабриках.

Аналіз особливостей експлуатації розробленої апаратури показав, що вона легко монтується на збагачувальних фабриках і налагоджується. Її може обслуговувати персонал, який задіяний на сучасних підприємствах такого спрямування. В процесі експлуатації системи виконуються регламентні роботи, які аналогічні обслуговуванню подібного обладнання. Оператор задає значення густини руди і вологовмісту у пісках класифікатора, який в умовах Ново-криворізького гірничо-збагачувального комбінату складає 12 %. Задане співвідношення руда/вода визначає і встановлює оператор. При автоматичному управлінні він легко може обслуговувати кілька таких об’єктів. Система забезпечує високу надійність і економічну ефективність. Проектна ціна нового модернізованого виробу складає 11858,99 грн. Для споживача очікується економічний ефект у 78981,09 грн. на рік на одну збагачувальну секцію, а термін окупності – приблизно 1,3 року.

Загальні висновки

У дисертаційній роботі запропоновано вирішення науково-практичного завдання щодо теоретичних і методичних основ розробки системи комп’ютерної ідентифікації та регулювання розрідження пульпи в млинах першої стадії подрібнення. Основні висновки і результати, отримані в ході дослідження, зводяться до наступного:

1. Існує широкий ряд систем автоматичної стабілізації співвідношення руда/вода в млинах першої стадії подрібнення. Відомі системи по різним причинам на рудозбагачувальних фабриках реалізованими бути не можуть. Доведено, що дане завдання необхідно вирішувати на вході у кульовий млин, орієнтуючись на вологовміст пісків і вимірювання об’ємної витрати пульпи у пісковому жолобі класифікатора та на реалізацію одноконтурного регулювання технологічного параметра.

2. Розроблена математична модель кульового млина, що працює в замкнутому циклі з спіральним класифікатором, по каналу розрідження пульпи встановлює зв’язок між масою подрібнюваного матеріалу та об’ємною витратою твердого і води як керуючих діянь. Кульовий млин є керованим об’єктом зі змінними параметрами, перехідний процес в ньому триває 500-640 с. Він добре гасить коливання з частотами, більшими 0,015 с-1. Визначені області зміни коливальних параметрів на вході кульового млина слугують обмеженнями на керуючі діяння.

3. Теоретично обґрунтовано і експериментально перевірено підхід автоматичної стабілізації розрідження пульпи в млинах з циркулюючим навантаженням, у відповідності з яким ідентифікують співвідношення руда/вода, порівнюють його з заданим значенням, яке встановлюється в залежності від потрібної густини пульпи в млині, в залежності від різниці з компенсацією сталих часу в динамічних ланках циклічно регулюють витрату води в млин, визначаючи і використовуючи середні значення витрати пульпи і руди за встановлений фіксований відрізок часу. Тривалість фільтрування сигналу витратоміра пульпи складає 10,16 с, витратоміра руди – 2 с, а циклу регулювання – 30,48 с.

4. Розроблено метод ідентифікації співвідношення руда/вода на вході кульового млина по витраті руди та води в кульовий млин, витраті пульпи та води в пісковому жолобі класифікатора, густині руди та вологовмісту в пісках і метод забезпечення неповної інваріантності по одному з параметрів, для якого є характерним суттєве зменшення впливу похибки визначення об’ємної витрати пульпи на результат ідентифікації. Похибка ідентифікації не перевищує 1,72 % при похибці вимірювання витрати пульпи до 5,0 %. Коливання густини руди та вологовмісту в пісках класифікатора в межах технологічних особливостей процесу не приводять до зміни ідентифікованого параметра завдяки дії механізму компенсації в алгоритмі ідентифікації.

5. Теоретично обґрунтовано підхід та розроблено пристрій автоматичної стабілізації витрати води в пісковий жолоб класифікатора, який забезпечує високу точність підтримання параметра при мінімально можливій ефективній висоті гідравлічного перетворювача, мінімальній матеріалоємкості, габаритах та масі. Випробування показали, що на його роботу практично не впливають температура і тиск води в магістралі. При витраті 24,3 м3/год відносна похибка дозування склала 0,85 %.

6. Система комп’ютерної ідентифікації та регулювання співвідношення руда/вода в кульових млинах з циркулюючим навантаженням містить блок ідентифікації та задавач параметра, цифровий елемент порівняння, цифровий релейний елемент (пристрій формування порогового рівня), підсилювач, безконтактний реверсивний пускач, виконавчий механізм та регулювальний орган в трубопроводі витрати води в кульовий млин з перетворювальним механізмом. Дана нелінійна система автоматичного регулювання завжди стійка і забезпечує високу якість перехідного процесу. В усталеному режимі роботи відхилення регульованої величини від заданого значення не перевищують 2,73 %. В процесі роботи оператор встановлює значення густини руди, що переробляється, і вологовмісту. Він же визначає необхідну густину пульпи в кульовому млині. Очікуваний економічний ефект від використання складає 78981,09 грн. на рік, а термін окупності – приблизно 1,3 року.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кондратець В.О., Ткаченко Р.П., Сербул О.М. Дослідження вмісту вологи в пісках спірального механічного класифікатора з метою автоматичного керування технологічним процесом //Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). – Вип. 11. – Кіровоград: КДТУ, 2002. – С. 6-10.

2. Сербул О.М., Кондратець В.О. Теоретичне дослідження гідравлічного перетворювача потоку рідини як регульованого об’єкта системи стабілізації витрат //Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). – Вип. 12. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – С. 325-330.

3. Кондратець В.О., Сербул О.М. Теоретичні дослідження статики інваріантної САР рівня рідини в гідравлічному перетворювачі //Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація).– Вип. 13. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – С. 251-257.

4. Кондратець В.О., Сербул О.М. Оптимізація структури засобів управління кульовим млином з циркулюючим навантаженням //Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). – Вип. 15. – Кіровоград: КНТУ, 2004. – С. 256-265.

5. Кондратець В.О., Сербул О.М., Мацуй А.М. Теоретичне дослідження завиткового живильника по каналу продуктивності //Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). – Вип. 16. – Кіровоград: КНТУ, 2005. – С. 260-265.

6. Кондратець В.О., Сербул О.М. Ідентифікація співвідношення руда/вода на вході кульового млина //Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету (техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація). – Вип. 17. – Кіровоград: КНТУ, 2006. – С. 265-272.

7. Кондратець В.О., Сербул О.М. Комп’ютерно інтегрована система управління циклами мокрого подрібнення руд //Академический вестник. – 2004. – № 13. – С. 114-116.

8. Кондратець В.О., Сербул О.М. Комп’ютерно інтегрована система автоматичного управління співвідношенням руда/вода в кульових млинах з циркулюючим навантаженням //Академический вестник. – 2006. – № 17-18. – С. 37-41.

9. Кондратець В.О., Сербул О.М.