автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация процесса обжига клинкера на основе статистической идентификации динамических параметров вращающейся печи

На правах рукописи

ПОРХАЛО ВАСИЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами» (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 [4(1

ч.

Белгород - 2012

005017407

005017407

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор Рубанов Василий Григорьевич

Официальные оппоненты — Жусубалиев Жаныбай Турсунбаевич,

доктор технических наук, профессор, Юго-Западный государственный университет, профессор кафедры «Вычислительная техника»

- Мишунин Вадим Васильевич,

кандидат технических наук, доцент, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, начальник управления научной и инновационной деятельности

Ведущая организация - Воронежский государственный

университет инженерных технологий

Защита состоится 18 мая 2012 г. в 12:30 на заседании диссертационного совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу:

308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, главный корпус, ауд. 242.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Автореферат разослан «17» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время в России производство цемента в основном производится во вращающихся обжиговых печах, работающих по «мокрому» способу производства. Важнейшую роль в производстве цемента по «мокрому» способу играет обжиг клинкера, на процесс обжига приходится около 80% от общих энергозатрат, связанных с производством цемента. Поэтому исследования по интенсификации и оптимизации производства клинкера были и остаются актуальными.

Уровень автоматизации на существующих вращающихся печах для обжига еще не отвечает состоянию развития техники управления, контроль за состоянием печи осуществляется в основном аналоговыми измерительными средствами. В то же время на печах с уже существующим техническим комплексом по автоматизации все еще очень существенную роль в управлении играет человек, на которого возлагаются функции принятия решения на основе информации формируемой на пульте управления, при этом возможны ошибки в силу человеческого фактора.

Интенсификация процесса обжига в основном должна быть направлена на обеспечение рационального режима обжига материала в печи, что достигается за счет снижения энергозатрат при одновременном обеспечении качества продукта на требуемом уровне. Сформулированные условия могут быть выполнены благодаря построению системы управления полностью или частично повторяющей функции человека, помогающей оператору управлять процессом обжига, вовремя корректировать режимы обжига, поддерживать параметры на требуемом уровне.

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

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

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

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

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

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

Научную новизну работы составляют:

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

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

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

Практическая значимость работы заключается в:

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

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

Внедрение результатов исследований:

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

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

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

На защиту выносятся:

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

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

3) автономная система управления по двум переменным - температуре отходящих газов и содержанию С02\

4) каскадная система регулирования технологического параметра — тока нагрузки главного привода с внутренней обратной связью по температуре отходящих газов;

5) оптимальная система поддержания свободной окиси кальция по распределенным переменным, представляющим собой температуру в каждой зоне печи;

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

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Инновационные материалы и технологии» - XX научные чтения (Белгород: 2011), на Международной научно-практической конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-23 (Смоленск: 2010) и ММТТ-24 (Киев: 2011), на второй Международной научно-технической конференции «КНИТ-2011» (Белгород: 2011), на Всероссийской научной школе «Микроэлекгронные информационно-управляющие системы и комплексы» (Новочеркасск: 2011), на научно-практическом семинаре «Применение современных средств управления для автоматизации промышленных объектов» (Белгород, 2010).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах: 3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК РФ[1-3], 9 докладов - в трудах конференций[4-11], получено регистрационное свидетельство на программный продукт[12].

Личный вклад соискателя в работах, опубликованных в соавторстве состоит в следующем: [2,7,8] — разработана математическая модель обжига клинкера как модели взаимосвязного объекта; в [1,12] - предложен программный продукт для идентификации сложных объектов, обладающих свойством связности; в [4] - .получена автономная система управления обжигом клинкера, в [5,6] - каскадная система; в [8,9] - сделан анализ состояния проблем интенсификации и управления вращающимися печами и предложены методы управления процессом обжига, в [10] - разработана система поддержания свободной окиси кальция по распределенным переменным.

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, включая список использованной литературы из 70 наименований, и двух приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна, практическая значимость и внедрение результатов работы, сформулированы положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведен анализ теплотехнологического агрегата, представляющего собой цементную печь обжига клинкера, как объекта управления. Сделан анализ методов идентификации цементного производства и существующих моделей процессов обжига. Рассмотрено состояние проблемы интенсификации и управления вращающейся печи обжига клинкера на основе трудов И.Б. Гинзбурга, В.В. Тимашова, Я.Е. Гельфанда, изучены подходы таких ученых как: В.К. Классен, И.Г. Лугинина, П.В. Беседин, П.А. Трубаев, И.Н. Борисов. На основании выводов, сделанных из проведенного анализа, сформулированы задачи исследования, решение которых приводит к достижению поставленной цели.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса обжига клинкера во вращающейся печи на основе корреляционных методов анализа реальных сигналов, представлению печи как модели взаимосвязного объекта и оценка адекватности полученной модели.

I

мж

Ий>

Г

ТКс"~ 1

Г 1 ;>Х

'В 4 Н2,'«'

1-1-Х1&: > 1|1!

|тй*СГ"

ИЛ

[Рет.кПа НО

ТРХ

РогДЬ! РМ1 !

(Г

Рис.1. Значимые измеряемые и управляемые сигналы печи обжига

Сущность метода получения динамических характеристик объекта состоит в том, что если в нормальных условиях работы воздействие, приложенное ко входу исследуемой системы, может рассматриваться как стационарная случайная функция, то определяя корреляционную функцию

Яд(т) входа ()(т) и взаимную корреляционную функцию К^/т) между входом <2(т) и выходом д(т) можно найти динамику объекта в форме весовой характеристики м>(1), поскольку существует связь, установленная Винером-Хинчиным:

0)

о

Решая интегральное уравление относительно лу'(а), находим импульсную переходную функцию а по ней и передаточную функцию IV(з).

Задача идентификации объекта решалась путем выполнения следующих этапов:

- запись случайных процессов на входе и выходе объекта;

- определение вероятностных характеристик случайных сигналов;

- определение динамических характеристик объекта и Иг(з).

В результате обработки экспериментальных данных найдены оценки вероятностных характеристик сигналов в форме:

■~»Ф<+>-Ч); -«Л* ■-><)■>

п л , = 1 П—К , = 1

где <2г(2[1], ЧгЯ['] - значения случайного сигнала в /-ом сечении, т, * и пц -оценки математического ожидания, а Яд' и - оценки корреляционной и взаимной корреляционной функции случайных процессов ()[п] и q[n] соответственно, и - дискретное время. Шаг дискретизации равен 1 мин.

Для пары параметров (расход шлама, нагрузка на 1-й электродвигатель) приведены графики в пакете МАТЬАВ оценок автокорреляционной и взаимной корреляционной функции, представленные на рис. 2.

С целью применения численного метода решения интегрального уравнения Винера-Хинчина (1) последнее сводилось к системе алгебраических уравнений с числом уравнений, равным количеству полученных ординат

корреляционных функций. При этом интеграл в уравнении (1) представляем конечной суммой:

N

ДдД*Дг)= ]ГЦМт)-Д*(Мг-иЛг)\г,

п=0

позволяющей перейти к матричной форме вида

где матица IV характеризует вектор весовой характеристики объекта, А — квадратная матрица значений автокорреляционной функции, а (? — матрица строка значений взаимной корреляционной функции.

Для получения решения в виде вектора значений импульсной функции в среде МАТЬ А В применялись алгоритмы для выборки данных, численного решения системы уравнений, матричных вычислений и аппроксимации, реализация которых осуществлялась с приминением оригинального программного продукта, разработанного автором. Переходная характеристика Ь(1), используемая для определения передаточной функции объекта управления, найдена на основе весовой характеристики м>(1).

Наличие переходной характеристики, полученной в результате обработки экспериментальной информации, дало возможность определить динамику объекта управления в области комплексного переменного, применяя

метод площадей, когда передаточная функция представима полиномом

, Кл г-.

и задача определения ИЪУ по известной И(() состоит в вычислении коэффициентов Аь Л2, А3,..:

Х> х ^ 00

Л, = \xdt-, Аг = |х(Л, Ау = ¡х(А2 + +

о о 1 С

С целью уточнения степени приближения, т.е. ограничения порядка полинома знаменателя использован метод колебательного звена, параметры которого £ - степень затухания и Т0 - постоянная времени звена определялись путем программной интерпретации графического способа, в котором применялись следующие соотношения:

е.. 1 Г=_£_

I л + агс1%-*-Ц-^-j +1

где /г,„ - максимальное значение переходной характеристики, 11 - момент времени, когда переходная характеристика в первый раз пересекает линию установившегося режима. Сравнительная оценка результатов показала хорошее приближение для разных видов звеньев.

Анализ цементной печи как модели многосвязного объекта управления позволяет выделить следующие значимые управляемые и измеряемые параметры (рис.3): Qga: - количество газа(топлива), подаваемого в печь; H¡, Н2 - положение шиберов дымососов; Тоя !'„., - температура п давление отходящих газов; С02 - концентрация углекислого газа в отходящих газах; T¡, Т2 -температура материала в зоне подогрева и кальцинирования; 1нагр - нагрузка на главном приводе печи; Тв„„ Рвт - температура и давление вторичного воздуха; Qtm - количество подаваемого шлама; toñ - время оборота печи.

Рис.3. Представление печи обжига как модели взаимосвязного объекта

Были получены передаточные функции, отражающие взаимосвязь между измеряемыми и управляющими параметрами, в таблице 1 приведены передаточные функции по одному из управляющих параметров - расходу газа на обжиг.

Таблица 1.

Передаточные функции по параметру расход газа

_Управляющий параметр - Расход газа (Qgaz), м3/ч

Управляемый параметр

Температура в зоне кальцинирования (Т301), °С

Температура в зоне подогрева (Т302), °С

Нагрузка на 1-й электродвигатель (Е70-1), А

Нагрузка на 2-й электродвигатель (Е70), А

Температура отходящих газов в пылеосадит. камере (Т201), °С

Концентрация С02 в отходящих газах (Q201), %

Разреженность отходящих газов в пылеосадит.камере (Р201), кПа

Получаемая передаточная функция

W(s) =

0.005215

63.45i +9.739s + l

°Сч

¡V(s) =

0.009338

1.587л +2.212Í + 1

°Сч

ЧЪ) =

0.001539

Ач

..з

W(s) =

0.002164

Al.lis +12.735 + 1

Ач

lF(s) =

0.01938

0.9254л +1.1 49Í +1

°Сч

W(s) =

6.219 10-

9.678i2 +4.0825 + 1

%-ч

lV(s) =

-0.01234

12.875 + 5.6475 + 1

-e

кПа ■ ч

Проверка адекватности динамических моделей, описанных передаточными функциями из представленной таблицы, реальному объекту осуществлялась на основе сравнения вероятностных характеристик (математического ожидания и дисперсии) выходных случайных сигналов модели и реального объекта при подаче на их входы одного и того же случайного воздействия. Для полученных передаточных функций математические ожидания отличаются не более чем на 7%, а дисперсии не более чем на 20%, что подтверждает адекватность полученных моделей.

В третьей главе были синтезированы подсистемы управления печью на основе принципов оптимальности, автономности и каскадности.

Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Применительно к объекту с двумя входами и выходами понятие автономности означает взаимную независимость выходных координат при работе двух замкнутых систем регулирования. Для конструирования многосвязной системы обжига клинкера в печи были определены два входных параметра(<2даг и Н), в качестве выходных параметров взяты температура отходящих газов и содержание С02. Структура автономной системы управления процессом обжига представлена на рис.4.

Рис.4. Автономная система управления печи обжига клинкера по двум переменным

Здесь передаточная функция ¡Уд.ф) отражает взаимосвязь между входным (}ка: и выходным параметром Таг, а - взаимосвязь между

положением шибера дымососа Н и содержанием в отходящих газах С02. Передаточные функции М^аС?) и Жн.ф) отражают перекрестные каналы соответственно их обозначениям, также введены регуляторы для прямых т(з), Ин-со2(я) и перекрестных каналов Яд.С02(з), Кн-т(з)- Дальнейшая задача сводится к синтезу данных регуляторов по передаточным функциям прямых и взаимосвязных каналов.

Моделирование системы управления осуществлялось в среде БшиНпк пакета МАТЬАВ (рис.5). В основные контуры включены ПИ-регуляторы, настройки которых по каждому контуру были получены с помощью метода итераций.

и

Задание Регулятор Объект управления - печь обжига

Результаты моделирования при подаче ступенчатого возмущения по двум каналам регулирования^// - содержание С02 и Она1 - температура отходящих газов Тог) представлены на рис.6, данная двусвязная система является устойчивой, перерегулирование не превышает 20%, и обеспечивается удовлетворительная компенсация перекрестных связей, что иллюстрируют переходные процессы. Полученные результаты дают нам основание рекомендовать данную систему дЛя управления обжигом клинкера.

Учитывая то, что вращающаяся печь обжига клинкера является распределенным в пространстве объектом, в котором можно выделить несколько зон обработки материала и то, что материал по печи перемещается в течение нескольких часов, можно заключить, что печь как объект управления обладает большой инерционностью.

При анализе математической модели печи были выявлены следующие закономерности: в выходных параметрах печи есть группа параметров, реагирующих сравнительно быстро на входные воздействия и Н, (группа параметров 1 на рис.4), группа параметров, реакция которых сравнительно медленная по отношению к тем же входным воздействиям (группа параметров

2 на рис.4). Это свойство указывает на возможность синтеза системы управления на основе каскадных систем, где быстродействие по одному параметру должно быть выше быстродействия по другогму.

Располагая полученными передаточными функциями по каналам управления «количество газа, подаваемого в печь О^,» - «температура отходящих газов Тог» и «количество газа, подаваемого в печь ()йаг» - «нагрузка на главном приводе 1„»:

0.0098

8'И^ь, (*) = ■;

0.001539

19.98.s- + 5.423а' + 1 ^ ' 81.Г 4-8.295 + 1 для объекта управления синтезирована каскадная система, модель которой в среде ВйпиНпк пакета МАТЬАВ представлена на рис.7.

Задание

Регулятор

Объект управления 1и

Рис.7. Модель системы управления печью в среде 81шиНпк пакета МАТЬАВ

Переходный процесс для каскадной системы с оптимальными настройками регулятора во внешнем и внутреннем контуре представлен на рис.8.

Рис.8. Переходные процессы для каскадной системы во внешнем и внутреннем контуре полученные в среде БтиПпк пакета МАТЬАВ

Как видно из таблицы и графиков переходного процесса, наилучшми показателями качества обладает каскадная система управления печью обжига

с настройками регулятора по полному расчету. Причем расчет регуляторов методом итераций при последующих шагах дает небольшое изменение искомых величин, что указывает на сходимость расчетов. Рассчитанные показатели качества сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Сводная таблица показателей качества__

Показатели Каскадная (внутр. контур) Каскадная (внешн. контур) Одноконтурная

Перерегулирование 16% 6,25% 35%

Время регулирования 145 130 150

Степень затухания 0,75 0,875 0,72

Макс. дин. отклонение 1,16 6,8 1,36

Полученные результаты моделирования дают основание утверждать, что применение каскадного принципа для управления печью обжига как инерционным распределенным объектом дает лучшие результаты, чем при создании нескольких одноконтурных систем, следовательно, такой принцип управления является предпочтительным.

Решение задачи оптимизации теплообмена в печи по компенсационному признаку с целью получения минимума содержания свободной окиси кальция требует представления модели печи в виде распределенных в пространстве, примыкающих друг к другу зон преобразования материала, В этом случае целесообразно осуществить декомпозицию печи на п зон по количеству контролируемых переменных. На каждом участке последовательной цепи моделей происходят физико-химические преобразования материала, отражаемые модельными переменными в форме оператора преобразования, причем контролируемая переменная на выходе предыдущей зоны влияет на последующие зоны печи вплоть до выхода объекта (рис. 9).

На структурной схеме декомпозиционного представления печи как сложного объекта управления приняты следующие обозначения для /-ой зоны

печи: - физико-химические свойства материала, которые проявляются в /-ой зоне и воспринимаются в форме контролируемой переменной, формируемой прибором первичной информации (температура материала); р, (!) - количество тепла, подводимое в г'-ю зону; а1 (!) - входная переменная г'-ой зоны, характеризующая физико-химические свойства материала, например содержание свободной окиси кальция на выходе зоны; у(!) — выходная переменная печи.

На основании анализа в литературе лабораторно полученных данных по изменению свободной окиси кальция в материале в зависимости от температуры, а также динамики процесса продвижения материала в печи, были получены передаточные функции каждой из зон печи по каналу «температура материала - содержание свободной окиси кальция» - У/х) и каналу «количество теплоты на обжиг - температура материала» - £/,(.?). Синтезирована система управления в среде БшшПпк (рис.10) и найдены операторы управления с приминением принципа оптимальности по компенсационному признаку, целью которой является минимум выходной переменной.

Рис.10. Модель системы, обеспечивающей компенсацию взаимосвязи контролируемых переменных

Полученная система управления промоделирована в среде БшиНпк пакета МАТЬАВ. В третьей зоне было приложено детерминированное возмушение, характеризующее изменение температуры материала. Результаты моделирования при детерминированном ступенчатом возмущении приведены на рис. 11.

Рис. 11, Графики изменения содержания свободной окиси кальция в материале (1- 5 зоны)

Как видно, система управления обеспечивает стремление выходной переменной к минимальному значению, при этом компенсация возмущения происходит путем изменения подачи топлива. При построении системы управления целесообразно ограничиться 3-мя зонами преобразования материала, так как именно, начиная с зоны декарбонизации и заканчивая зоной спекания, происходит интенсивное изменение содержания свободной окиси кальция в клинкере.

В четвертой главе на основе полученных теоретических результатов разработана советующая система автоматизированного управления, состоящая из локальных подсистем, построенных по принципам оптимальности, каскадности и автономности.

Для процедуры идентификации параметров модели было написано приложение в расширении среды MATLAB - GUI (Graphical User Interfaces), которое позволяет разрабатывать свои приложения с возможностью использования функций среды MATLAB.

Приложение (рис.12) содержит кнопки загрузки входного и выходного сигналов, компоненты задания интервалов данных, графики входного и выходного сигнала, инструменты выбора метода расчета корреляционных функций (с аппроксимацией или без), компоненты задания степени полинома аппроксимации корреляционных функций, графики корреляционной и взаимной корреляционной функции, графики импульсной и переходной функции, а также другие компоненты применяемые для настройки расчетов. Получение решения уравнения Винера-Хинчина в виде вектора значений импульсной функции в MATLAB осуществляется встроенными функциями.

Рис.12. Форма приложения для идентификации модели

На основании теоретических результатов синтеза локальных подсистем, изложенных в третьей главе, написана программная реализация автоматизированной системы управления с применением SCADA-технологии в среде Good Help на языке FBD. На рис.13 показана структура каскадной подсистемы управления током нагрузки главного привода. Была разработана структура микропроцессорной системы, выбраны контроллеры и технические средства автоматизации, построена функциональная схема автоматизации печи обжига.

Реализация советующей автоматизированной системы управления привела к объединению каскадной подсистемы поддержания тока нагрузки, автономной подсистемы поддержания концентрации С02 и подсистемы оптимизации СаОсв в одну советующую систему управления (рис.14).

Задание:

Рис.13. Структура программы на языке FBD для каскадной системы

Ягаг, Ни Н2, О,¡а,

Исполнительные механизмы

Выбор управления

Оператор

-ту

и---1

■Ч)-

Блок прогнозпрова ния

7?

Технологнчес кий процесс

Автономная СУ поддержания С02

Каскадная СУ поддержания 1Ш!р

Система оптимизации СаОс

1

Информацнонно-нзмерительная система

Блок локальных подсистем

!С=

а^д-де»

иГ^Р^СО;,

Т'-Т^у 1>.лгр: Теы, Рвы ________

¡Блок идентификаций

I I

(Л..., н,л:,

Модель многосвязного объекта

Я

Модель оптимизации СаОс,

Р„г, СО:, Т,- Г,, Лмр, Г„„ Л.

Рис. 14. Структурная схема советующей системы управления

В соответствие с представленной на рис.14 структурой советующей системы последняя позволяет оператору формировать решение по управлению технологическим процессом в зависимости от состояния этого процесса, что содержится в информации, поступающей с блока идентификации <Тог, Рог, С02, Тг-Т5, /„„,,„ '/'„,„, Р„ш> и результатов функционирования локальных подсистем <0^,.-, Я/( Н2, /о5>, информация о которых также поступает оператору с блока локальных подсистем.

Информация о процессах в удобном и наглядном виде представляется машинисту. На основании рассчитанных данных можно делать выводы о возможности оптимизации теплообмена и переходе к оптимальному или предпочтительному режиму работы печи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы следующие.

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

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

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

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

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

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

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

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

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

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

3. Порхало, В.А. Информационные представления адаптивного трехпозиционного алгоритма для его аппаратных и программных реализаций / В.А. Порхало, А.Г. Бажанов, В.З. Магергут //Научные ведомости Белгор. гос. ун-та. - 2011. - № 1 (96). - выпуск 17/1.- С. 162-168.

4. Порхало, В. А. Проектирование каскадной системы управления печью обжига клинкера / В. А. Порхало, В. Г. Рубанов // Инновационные материалы и технологии (XX научные чтения): сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф.,

Белгород, 11-12 окт. 2011 г. / Белгор. гос. технол. ун-т. - Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 74-78.

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

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

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

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

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

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

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

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

Подписано в печать 16.04.12 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1.2 Тираж 100 экз. Заказ № /Зб.

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

61 12-5/2974

Белгородский государственный технологический университет

имени В.Г. Шухова

На правах рукописи

/у

<4

Порхало Василий Александрович

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

05.13.06 автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук

профессор Рубанов Василий Григорьевич

Белгород - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................... 11

1.1. Анализ цементной печи обжига как теплотехнологического объекта управления......................... .................................. 11

1.2. Исследование методов идентификации процесса обжига клинкера.............................................................................................. 19

1.3. Оценка состояния проблем интенсификации и управления

вращающейся печи обжига клинкера................................... 26

1.4. Постановка задач исследования........................................... 31

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

ОБЖИГА КЛИНКЕРА ВО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЦЕМЕНТНОЙ ПЕЧИ.... 33

2.1. Анализ исходных данных и выбор метода идентификации цементной печи как объекта управления............................... 33

2.2. Получение математической модели процесса обжига на основе корреляционных методов анализа статистической информации... 41

2.3. Представление математической модели цементной печи обжига клинкера как модели многосвязного объекта........................... 50

2.4. Проверка адекватности полученной математической модели....... 59

2.5. Выводы.......................................................................... 61

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ОБЖИГА КЛИНКЕРА НА ОСНОВЕ ПРИНЦИПОВ ОПТИМАЛЬНОСТИ, АВТОНОМНОСТИ И КАСКАДНОСТИ..................................................................... 62

3.1.Анализ методов управления сложными объектами управления и принципов построения систем............................................. 62

3.2. Разработка автономной системы управления процессом обжига клинкера........................................................................ 64

3.3 Разработка каскадной системы управления процессом обжига

клинкера по управляемой переменной ток нагрузки..........................70

3.4. Синтез системы управления процессом обжига клинкера как распределенного объекта с применением принципа оптимальности.................................................................. 90

3.5. Выводы.......................................................................... 104

4. РАЗРАБОТКА ИЕРАРХИЧЕСКОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ОБЖИГА КЛИНКЕРА С ПРИМЕНЕНИЕМ S С ADA-ТЕХНОЛОГИИ................. 105

4. ¡.Функциональный анализ микропроцессорной системы автоматизации и ее места в комплексной системе автоматизации производства цемента................................... 105

4.2.Разработка структуры микропроцессорной системы автоматизации обеспечивающей выбор и стабилизацию оптимальных рабочих режимов обжига клинкера................... 108

4.3. Программы идентификации модели в среде MATLAB с применением средств GUI................................................. 112

4.4. Разработка советующей системы управления обжигом клинкера в форме SCADA-системы..................................................... 118

4.5. Выводы........................................................................... 122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................................... 123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................... 124

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 132

Приложение 1. Программа расчета математической модели в пакете

MATLAB с применением средств GUI........................... 132

Приложение 2. Функциональная схема автоматизации........................... 145

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

свободной окиси кальция[7].

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

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

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

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

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

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

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

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

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

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

Научную новизну работы составляют:

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

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

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

Практическая значимость работы заключается в:

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

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

Внедрение результатов исследований:

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

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

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

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

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

моделирования в плане числовых вероятностных характеристик с обработкой экспериментального материала.

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

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

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

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

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

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

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

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

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ цементной печи как теплотехнологического

объекта управления

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

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

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

Движущиеся в печи горячие газы нагревают поверхность материала, а также поверхность печи, то есть футеровку. Футеровка пе�