автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование процесса электролиза цинка и разработка системы управления технологическим режимом

На правах рукописи

ЮРОШЕВА ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА ЦИНКА И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМОМ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ЯНВ 2013

Владикавказ - 2012

005048463

005048463

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический университет)»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, доцент Хадзарагова Елена Александровна

Сорокер Лев Владимирович

заведующий сектором лаборатории автоматизации процессов обогащения руд НПК «Югцветметавтоматика»

Хестанов Таймураз Ханджериевич

кандидат технических наук, заместитель начальника научно-исследовательской лаборатории ОАО «Электроцинк»

ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. X. М. Бербекова»

Защита диссертации состоится « 1 » февраля 2013 г. в 14- часов на заседании диссертационного совета Д 212.246.01 при ФГБОУ ВПО «СевероКавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)» по адресу: 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГМИ (ГТУ). Факс: (8672) 407-203. E-mail: info@skgmi-gtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СКГМИ (ГТУ).

Автореферат разослан

12 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.246.01 к.т.н. доц.

А. Ю. Аликов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство цинка - одно из основных направлений цветной металлургии страны. В 90-ых годах резко увеличилась конкуренция на рынке цинка. Для сохранения своих позиций перед заводами возникла проблема увеличения производства цинка с улучшением его качества и уменьшением затрат на производство, особенно электроэнергию. Это определило необходимость реконструкции заводов с ориентацией на внедрение современных информационных технологий.

Крупнейшими в РФ производителями цинка являются ОАО «Челябинский цинковый завод» и ОАО «Электроцинк». Эти и другие заводы по производству цинка работают по классической гидрометаллургической схеме: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание огарка с очисткой растворов и электролитическое осаждение цинка с последующим переплавом катодов. Процесс производства цинка подробно исследован в работах М.Д. Кудимы, А.П. Снурникова, Г.Г. Михайлова, A.A. Лыкасова, Ю.М. Смирнова и др.

Конечной целью процесса электролиза цинка является обеспечение максимального извлечения катодного цинка из нейтрального раствора с минимальными эксплуатационными затратами, которые определяются расходом электроэнергии и рабочей силы, получение товарной продукции с наибольшими потребительскими качествами. На качество процесса электролиза цинка оказывают влияние нестабильность основных параметров и неопределенность параметров рабочего режима, обеспечивающих зону повышенного качества цинка. Все это сдерживает рост объемов катодного цинка и ставит задачи по обеспечению оптимального технологического режима.

В данной работе рассматриваются вопросы построения системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка. Целью разрабатываемой системы управления является идентификация параметров процесса, выработка критериев оценки работы персонала по обслуживанию ванн, повышение чистоты выпускаемого цинка и улучшение технико-экономических показателей процесса электролиза цинка.

Изложенное выше определяет актуальность исследования процесса электролиза цинка в промышленных условиях и необходимость создания высокоэффективной системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка, учитывающей работу вспомогательных и обслуживающих процессов, включающих в себя сдирку цинка с катодов, чистку анодов от марганцового шлама и их правку, чистка электролизных ванн от шлама и влияние концентрации примесей в нейтральном растворе на выход по току катодного цинка.

Цель диссертационной работы. Разработка системы управления технологическим процессом электролиза цинка, позволяющей обеспечить максимальный выход по току цинка в рабочем диапазоне изменения параметров и снизить затраты на электроэнергию и сырьё.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1) исследование и анализ параметров технологического процесса электролиза цинка в промышленных условиях;

2) разработка математической модели функциональной задачи исследования влияния параметров процесса электролиза цинка на выход цинка

по току;

3) разработка метода контроля и идентификации параметров процесса

электролиза цинка;

4) разработка алгоритмов реализации метода контроля и идентификации

показателей процесса электролиза цинка;

5) разработка системы управления технологическим процессом электролиза цинка.

Методы исследования включают в себя математическое моделирование, методы статистической обработки данных, методы идентификации, промышленные исследования, метод пассивного эксперимента. Научная новизна работы:

1 Получены новые регрессионные модели зависимостей параметров про' цесса электролиза цинка (выхода по току цинка от концентрации хлора,

кобальта, кадмия и марганца в нейтральном растворе и от концентрации серной кислоты в отработанном электролите; концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в отработанном электролите, от токовой нагрузки, от концентрации в нейтральном растворе цинка; концентрации цинка в нейтральном растворе от плотности нейтрального раствора), которые позволяют в рамках АСУТП осуществлять расчёт оптимального состава примесей нейтрального раствора;

2 Разработан метод контроля и идентификации параметров процесса элек-

' тролиза цинка, позволяющей в комплексе учитывать технологические

данные процесса электролиза цинка, включая эффективную организацию обслуживания электролизных ванн и формирование информации по оптимальному составу примесей нейтрального раствора;

3 Разработаны алгоритмы реализации метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка (алгоритм идентификации параметров математической модели процесса электролиза цинка, алгоритм определения выходных параметров процесса электролиза цинка, алгоритм формирования баз данных по обслуживанию электролизных ванн, алгоритм оптимизации подбора состава лигатуры анодов) и найдены оптимальные режимы, обеспечивающие максимальный выход по току катодного цинка и позволяющие снизить затраты на электроэнергию;

4 Разработана функциональная структура системы управления технологи' ческим режимом процесса электролиза цинка, позволяющая оператору

технологу выработать управляющие воздействия для процесса анодной плавки по критерию минимизации расхода лигатуры, для процесса обслуживания ванн, а также выработать управляющие воздействия на кислотный режим процесса, при котором выход цинка по току максимален.

Объект исследования: система управления промышленным процессом

электролиза цинка.

Предмет исследования: модели взаимосвязи параметров технологического процесса и алгоритмы обработки технологических данных, обеспечивающие максимальный выход по току и снижение затраты на электроэнергию при управлении процессом электролиза цинка.

Практическая значимость диссертационной работы:

1 На основании проведенного регрессионного анализа технологического процесса разработаны рекомендации для оператора-технолога по совершенствованию технологического режима в области приведения состава нейтрального раствора к оптимальному (определены оптимальные концентрации примесей в нейтральном растворе, обеспечивающие максимальный выход по току цинка).

2 Разработанный метод контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка может быть использован при разработке и совершенствовании системы управления технологическим режимом процесса электролиза цин-

ка.

3 Разработанная система управления технологическим режимом процесса обеспечивает максимальный выход по току цинка и минимизирует экономические затраты на производство.

4 Ожидаемый экономический эффект от использования в практической

деятельности НПК «Югцветметавтоматика» составит 1200 тыс. руб. в год. ^

Реализация н внедрение результатов. Результаты диссертационнои работы приняты к использованию в практической деятельности НПК «Югцветметавтоматика» с ожидаемым экономическим эффектом не менее 1200 тыс. пуб в год за счет повышения производительности, снижения расхода анодов на 5 -7% и увеличения выхода по току на 1 - 1,5 % для цеха производительностью 90 тыс. т/год.

Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием общепринятой теоретической и методологической баз исследований, методов математической статистики, теории принятия решений, методов прогнозирования, а также соответствием результатов исследований праетическим данным работы цеха электролиза цинка завода

ОАО «Электроцинк».

Апробация работы: д

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на IX международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санкт-Петербург, 2010г.; П международной научно - практической конференции «Молодые учёные в решении актуальных проблем науки», Владикавк^МП на ежегодных научно-технических конференциях проводимых в СКГМИ (1 1У;

В 20Личный/1клэд автора. Основные научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. .

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных трудах, из них 3 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК

Ттпу^ура и объем работы. Диссертация состоит из введения 4 глав, за-клю™ 4-х приложений и списка использованной литературы. Содержание дассергации изложено на 116 листах машинописного текста и включает 26 иллюстраций и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименовании.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы задачи и использованные методы их решении, формационная база исследований, раскрыта научная новизна, отмечена практическая значимость и дана апробация полученных результатов работы.

В первой главе выполнен анализ современного состояния вопроса убавления процессом электролиза цинка и определены задачи исследования. ЙЖ математаческих моделей и методов управления теологи чесГм процессом, описываемых в технической литературе, обусловлен слож-Гс^ю получения точных и достоверных экспериментальных данных. В большинстве случаев опубликованные исследования основываются на текущей отмсти и лабораторных экспериментах. Все эти обстоятельства существенно сказываются на качестве представляемых математических моделей

на проведённые ранее исследования взаимосвязей параметров процесса электролиза цинка, остались без должного внимания вопросы исследования следующих зависимостей: концентрации серной ^^^ ном электролите от концентрации цинка в отработанном электролите, от тош вой нагрузки, от концентрации в нейтральном растворе цинка; зависимостей выхода по току цинка от концентрации примесей в нейтральном растворе и от конщентрации серной кислоты в отработанном электролите; зависимости кон-цешрации цинка в нейтральном растворе от платности нейтрального раствора. " ^Бол ьшинство исследователей данной проблематики сходятся в едином мнении о необходимости систематических и неоднократных промышленных экспериментальных исследований с последующей статистическои обработкой результатов этих наблюдений. Цель этих экспериментальных исследовании -выбор параметров состояния объекта, которые могут быть использованы в системах контроля и управления, а также в определен™ технико-экономических

П0КЭЗ Проведённый анализ показал необходимость разработки системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка, позволяющей ™ процесс анодной плавки по критерию минимизации расхода лигатуры, а ™е учесть процесс обслуживания ванн на основе предложенных алгоритмов. й главе в соответсхвии с поставленной задачей с помощью методов регрессионного анализа были получены уравнения регрессии, которые поз™? более полно описать взаимосвязи параметров процесса электролиза цинка в промышленных условиях и найти оптимальные параметры процесса.

я

Для исследования параметров процесса электролиза цинка применён метод регрессионного анализа данных, полученных в промышленных условиях, и получены следующие линейные уравнения регрессии, параметры которых были определены с помощью встроенных функций пакета МаШСАЭ.

Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в отработанном электролите позволило получить следующее уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, а:

сн^о.э.)= 194,773 -0.715- Сг„(о.э.), Ш

где Сг„(о.э.) - концентрация цинка в отработанном электролите, г/дм ; С„ ю (о.э.) - концентрация серной кислоты в отработанном электролите, г/дм .

Коэффициент корреляции г,= - 0,984.

Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в нейтральном растворе позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, б: Г,( >,(<лЭ.) = ¡97,577 -0,246 ■ Са(»./>.), <2)

где С?„(н.н.) - концентрации цинка в нейтральном растворе, г/дм ;

С„ (о.э.) - концентрация серной кислоты в отработанном электролите,

г/дм3. Коэффициент корреляции г2 = - 0,809.

Исследование зависимости концентрации цинка в нейтральном растворе от плотности нейтрального раствора позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, в:

С7.„ (н.р)= - 641,361 + 0,563■ р (н.р.), (3)

где р (н.р.) - плотность нейтрального раствора, г/дм3; Сг„ (н.р) - концентрация цинка в нейтральном растворе. Коэффициент корреляции г3 = 0,946.

Исследование зависимости выхода по току от концентрации серной кислоты в отработанном электролите позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, г:

VI = 95,087 + 0,101-С„^(о.э.), (4)

где С„ (о.э.) - концентрация серной кислоты в отработанном электролите,

г/дм3; VI- выход по току,%. Коэффициент корреляции г4 = 0,771.

Исследование зависимости выхода по току от концентрации кобальта в нейтральном растворе позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, д:

VI = 91,790 -210,175■ ССо{н.р.), (5)

где Сс„(н.р.)~ концентрации кобальта в нейтральном растворе, г/дм ; VI - выход

по току,%. Коэффициент корреляции г5 = - 0, 821.

Исследование зависимости выхода по току от концентрации хлора в нейтральном растворе позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, е:

VI = 94,835 -15,051-Са(н.р.), (6)

где Са(н.р.) - концентрации хлора в нейтральном растворе, г/дм3; Кг - выход по току,%. Коэффициент корреляции г6 = - 0,8.

Исследование зависимости выхода по току от концентрации кадмия в нейтральном растворе позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, ж:

У/ = 91,805 - 502,787■ Са(н.р.), (7)

где СГ1(н.р.) - концентрации кадмия в нейтральном растворе, г/дм3; VI - выход по току,%. Коэффициент корреляции г7 = - 0,732.

Исследование зависимости выхода по току от концентрации марганца в нейтральном растворе позволило получить уравнение регрессии, график которого представлен на рисунке 2, з:

VI = 95,233 - 0,744■ С,,„(н.р.), (8)

где сш(н.р.) - концентрации марганца в нейтральном растворе, г/дм3; Кг - выход по току,%. Коэффициент корреляции г5 = - 0,781.

Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от токовой нагрузки позволило получить уравнение, график которого представлен на рисунке 2, и:

С„.«,>.э.) = -118,402 + 0.000944■ I, (9)

где /- токовая нагрузка А/м2; Снга{о.э.) - концентрация серной кислоты в отработанном электролите, г/дм3. Коэффициент корреляции г9 = 0,81.

Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и кобальта в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции гп = 0,905.

VI = 95,234 -579,251 Сс„(н.р.) -11,359 Са(н-Р-Н55,159 ССс1(н.р.) -0,152-Сш(н.р.) + + 1986,422■ (Са(н.р.) ССс(н.Р )) ■ (Ю)

Исследование зависимости совместного влияния концентрации кобальта и кадмия в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции г]2 = 0,9.

VI- 93,899-104,662 ССл(н.р.) -5,443-Са(н.р.) -104,862 Сс/н.р) -0.174 ■ Сш(н.р.) + +1352,760 (Сс„(н.р.)-СсА».р )). (И)

Исследование зависимости совместного влияния концентрации кобальта и марганца в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции Г|3 = 0,904. VI = 95.660 - 600,459■ ССо(н-Р-) -4.843 • Са(н.р.) -132.466■ Сс/н.р.) -0,529-См„(н.р.) + + 94.033■ (СсМР ) Сш(н.р.)), (12)

Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и кадмия в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции г14 = 0,904. VI = 95,543 - 97,936 ССо(н.р.) -11,507■Са(н.р-) - 1482,467-Са(н.р.) -

-0,192 Сш(н.р.) +5317,281- (СГ1(н.р.) СсЛн.р.)), (13)

Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и марганца в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции г,5 = 0,909. Vt = 106,798 -79,901 -Сс„(н.р.) - 55,672-Са(н.р.) - 152,499-Сс/нр) ~

- 2,579-См„(н.р.) +9,344- (Са(н.р.)-С>1п(н.р.)), (14)

Исследование зависимости совместного влияния концентраций кадмия и марганца в нейтральном растворе на выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции Г|6 — 0,905. Vt =95,931 -87,994 Сс„(н.р.) -5,035-СпС-Р-) -1516,903-Са(н.р.) -

-0.560 ■ Смп(н.р.) — 246,319 ( Cej(H.p.)Cu,,(H.p.)), (15)

Исследование зависимости совместного влияния концентрации кобальта, хлора, кадмия и марганца в нейтральном растворе на и серной кислоты в отработанном электролите выход по току позволило получить уравнение регрессии с коэффициентом корреляции Гп = 0,965.

Vt = 84,817-0,249-CH2S04(o.э.) -94,575-Сс^-Р) +37,111-Са(н.р.)-- 5513,936-CcJH.p.) +9,632-См„(н.р.)+9661,712-(Сс,(н.р.)-Сс„(».р.))--369807,733 ■ ( Сс„(н.р.)• Са(н.р.)) + 792,864■ (ССо(и.р.)-Сш(н.р.))--1380,314-( Са(н.р.)-Сс,(н.Р-))- 46,867-(Са(н.р.)-Сш(н.р.))--337,867■ (Сс,(н.р.)-Сш(н.р.)) + 1,181 ■ (Са{н.р.) ■ Ск,Юл (о.э.))--39,525-(CCo(h-P-)-C„._S0. (o.3.))+55.342-(CCJ (н.р.) - С„^ (о.э.)) (16)

цинка в промышленных условиях. Для реализации поиска оптимальных значений концентраций примесей при которых выход цинка по току максимален использовалась встроенная в пакет MathCAD функция Maximize. За начальные приближения приняты средние значения концентраций примеси в нейтральном растворе: Са, =0,032 г/дм3; Са = 0,248 г/дм3; Ccd = 0,138 г/дм3; Сш = 5,544 г/дм .

Диапазон значений концентрации примесей в нейтральном растворе соответствует максимальным и минимальным значениям концентраций: Ccofmn, = 0,001 г/дм3; ССо(тах) = 0,005 г/дм3; Са,-тШ} = 0,21 г/дм3; Са,™,) = 0,273 г/дм3; Са(тт> = 0,001 г/дм; Сс</(тах) = 0,00247 г/дм3 : СШ(тт) = 5 г/дм3; CUn(ma:<) = 6,233 г/дм3; О ;= Maximized, Са„ Са, Ссл СМп) ( 0,001

0,21 /(QihQ1.Q2.Q3) = 92 %.

о =

0,0025

Оптимальные значения концентраций примеси, при которых выход цинка по току равен 92 % следующие:

ССо = 0,001 г/Ом; Са = 0,21 г/'дм3; ССа = 0,0025 г/дм3; Сш = 5 г/дм3.

Коэффициенты модели могут изменяться во времени, поэтому производится их периодическая адаптация.

:Н2504<аэ'Ь г/дм3

с 2п (м-Р-), г/дм3

г/дм3 Ш

!.4*1Г 1.42x1 (Г !.-«х10" 3

р,г!т

в)

90.5

1И 15а 160 Ш

VI, %

С а (н.р.),г/дм3

ССо (»-Р-).Г/ДМ

Рисунок 2- Зависимости параметров процесса электролиза цинка в промышленных условиях.

93.}

ЫКГа !.5*10"3 2*!<Г' 2.5*10" С ,(и.р.),г/дм3

ж)

СМп(н.р.г,г/дМ 3)

:Н2504<°'э г/дм3

I, А/м

и)

о о - значения, полученные в промышленных условиях — - расчётные значения Рисунок 2- Продолжение. Зависимости параметров процесса электролиза Исследование совместного влияния примесей (Со, С1, СА, Мп) и кислотности на выход по току позволили найти графики изменения концентраций примесей, при которых выход по току принимает максимальные значения, что должно быть учтено в системе управления технологическим режимом при выработке управляющих воздействий на процесс электролиза цинка или выдачу рекомендаций на изменение режимов очистки нейтрального раствора.

На рисунке 3 а получены графики зависимостей (4) и (6), по которым определяется влияние концентраций хлора и серной кислоты на выход цинка по току. Для увеличения выхода по току необходимо снизить концентрацию хлора в нейтральном растворе, либо увеличить концентрацию серной кислоты.

На рисунке 3 б получены графики зависимостей (4) и (5), по которым определяется влияние концентраций кобальта и серной кислоты на выход цинка по току. Для увеличения выхода по току необходимо снизить концентрацию кобальта в нейтральном растворе либо увеличить концентрацию серной кислоты.

На рисунке 3 в получены графики зависимостей (4) и (7), по которым определяется влияние концентраций кадмия и серной кислоты на выход цинка по току. Для увеличения выхода по току необходимо снизить концентрацию кадмия в нейтральном растворе, либо увеличить концентрацию серной кислоты.

На рисунке 3 г получены графики зависимостей (4) и (8), по которым определяется влияние концентраций марганца и серной кислоты на выход цинка по току.

'120 130 140 !50 160 1/0

сН2504!°-э-Ьг/Дм

ч' 1 1

N

V 1

- Ч

N 1

N 1

ч

\

ч

_ ч -

ч

ч

1 1 1 ч

1С0

13» 2К> 3

- - - с

Со (о.э.), г/дм 6)

^5^(0.3.). г/ДМ _. (о.э.;, г/дм3

Сн2504<с-Э-!'

---сМп(оз.), г/дм

в) г)

Рисунок 3 - Графики влияния концентраций примесей (хлора, кобальта, кадмия, марганца) в нейтральном растворе и кислотности отработанного электролита на

выход цинка по току Полученные регрессионные уравнения (1 - 16) адекватны по критерию Фишера, коэффициенты уравнений значимы по критерию Стьюдента с доверительной вероятностью » = 0,95. Регрессионные модели в дальнейшем могут быть использованы при разработке алгоритмов управления технологическим режимом процесса электролиза цинка.

В третьей главе для идентификации параметров процесса и выработки критериев оценки качества работы обслуживающего персонала электролитного цеха, разработан метод контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка. Реализация метода основана на поиске оптимальных технологических режимов и разработке алгоритмов, обеспечивающих максимально возможный выход по току катодного цинка и снижение затрат на электроэнергию и сырьё.

Основными задачами метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка являются: идентификация параметров математической модели процесса электролиза цинка; сравнительный анализ работы каждого участка по суммарным показателям с выявлением лучшего и худшего участка; анализ работы всех участков серии; анализ работы электролитного цеха в целом; расчет усреднённых показателей выхода по току и массы произведённого цинка.

Основные шаги метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка представлены на рисунке 4.

На шаге 1 определяется значение технологических данных процесса электролиза (состав нейтрального раствора, количество работающих участков и ванн, масса катодного цинка, количество затраченной электроэнергии, количество полученных и почищенных анодов, катодов, количество почищенных ванн, масса отработанных анодов, масса серебра в отработанных анодах, масса серебра в лигатуре, масса срезок, масса свинца и серебра в срезках).

На шаге 2 осуществляется идентификация параметров математической модели технологического процесса элекгролиза цинка.

На шаге 3 осуществляется расчёт выхода цинка по току, расход электроэнергии, выявляются передовые и отстающие участки за выбранный календарный период времени.

На шаге 4 производится сравнительный анализ работы каждого участка, серии и всего цеха по суммарным выходным показателям для выработки оператором-технологом управляющих воздействий.

На шаге 5 осуществляется подбор массы компонентов состава анодов необходимого для доведения нового состава до исходного.

На шаге 6 оператором-технологом вырабатываются управляющие воздействия по результатам идентификации и сравнительного анализа работы участков, серии и цеха в целом.

Реализация метода представлена в виде алгоритмов, схемы которых показаны на рисунках 5-8. Алгоритмы ведут учёт работы каждой бригады, что позволяет выработать критерии, по которым оценивается работа каждой бригады. Это позволяет влиять на экономические и производственные показатели работы цеха. Алгоритмы реализованы на базе прикладных программ Delphi и Qt.

13

Алгоритм идентификации параметров математической модели процесса электролиза цинка, схема которого приведена на рисунке 5, основывается на полученных в работе регрессионных уравненях (1-16), позволяющих идентифицировать показатели процесса электролиза цинка.

Шаг 1 і

Определение значений технологических данных

........ и ..................

Идентификация параметров математической модели Шаг 2 1

процесса электролиза цинка

тп:::::::::^ .....

Шаг 3

Расчёт выходных показателей работы участков, се-

рий и цеха электролиза цинка

Шаг 4 і

Сравнительный анализ работы каждого участка, серии и

всего цеха по суммарным выходным показателям

тг...........

Расчёт заданного состава анодов с минимальным Шаг 5

расходом лигатуры

и ;; ...........

Шаг 6

і і Выработка управляющего воздействия

Рисунок 4 - Основные шаги метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка Итогом работы алгоритма являются найденные истинные значения параметров математической модели процесса электролиза цинка, соответствующие текущему моменту работы цеха и выбор оператором-технологом реакции на отклонение концентраций примесей, содержащихся в нейтральном растворе, от оптимального значения при котором выход цинка по току достигает своего максимально возможного значения.

Рисунок 5 - Схема алгоритма идентификации параметров математической модели процесса электролиза цинка Как правило, в состав электролитного цеха входят три серии, каждая из которых в свою очередь включает в себя по шестнадцать бригад. Каждая бригада имеет свой выход по току и свои показатели по произведённому цинку. Данные выходные показатели зависят не только от электрохимических факторов процесса, но и от качества обслуживания ванн рабочей бригадой каждого участка. Обслуживание ванн электролитного цеха на примере завода ОАО «Электроцинк» осуществляется в ручном режиме, следовательно, оперативно проследить за работой обслуживающего персонала на каждом участке и определить критерии оценки качества обслуживания ванн не представляется возможным. Для принятия критериев по учёту работы обслуживающего персонала каждого участка, серии и всего электролитного цеха в целом, приведены алгоритмы определения выходных параметров процесса электролиза цинка по каждому участку, по серии, по всему цеху и алгоритм формирования базы даных по обслуживанию электролизных ванн, схемы которых представлены на рисунках 6 и 7.

^ Начало ^

Ввод технологических данных

БД

Выбор календарного периода

Начало календарного периода

Определить количество дней за выбранный календарный период

Инициализировать функцию для расчета параметров процесса за один день

Рассчитать суммарные значения электроэнергии и массы цинка и среднее значение выхода цинка по току

Начало расчета параметров процесса электролиза цинка по 1 - 3 сериям

Рассчитать среднее значение выхода цинка по току, суммарное значение массы цинка, количество электроэнергии, количество работающих ванн и участков

Рассчитать массу цинка, выхода цинка по току

Конец расчета параметров процесса электролиза цинка по I - 16 участкам_

Конец расчета параметров процесса электролиза цинка по I -3 сериям

Конец календарного периода I

Рассчитать среднее значение выхода цинка по току

Начало расчета параметров процесса электролиза цинка ПС' I - 3 сериям

Рассчитать среднее значение выхода по току, количество работающих участков и ванн

Начало расчета параметров процесс! электролиза цинка по I - 16 участкам

Выявить передовые и отстающие участки за выбранный календарный период

г

Начало расчета параметров процесса электролиза цинка по 1 - 16 участкам

1 1'

Конец расчета параметров процесса электролиза цинка по 1 - 16 участкам

/ Вывод результатов / расчета показателей цеха

4

Конец расчета параметров процесса электролиза цинка по 1 - 3 сериям ^ 4 ^ Конец ^

1

Рисунок 6 - Алгоритм определения выходных параметров процесса электролиза цинка по каждому участку, по серии и по всему цеху

Входные данные алгоритма определения выходных параметров процесса электролиза цинка следующие: день, месяц и год; количество работающих уча-

стков; количество электроэнергии по каждой серии; масса цинка и количество работающих ванн по каждому участку. Выходными данными алгоритма по каждой серии за выбранный календарный период являются: среднее значение массы цинка, среднее значение выхода цинка по току, количество работающих ванн, количество работающих участков, токовая нагрузка. По всему цеху в целом рассчитываются суммарные значения выпуска цинка, токовой нагрузки и выхода по току. Также по каждому участку алгоритм позволяет рассчитывать значения выхода по току и массы цинка, выявляет отстающие и передовые участки за выбранный календарный период.

Эффективность технологического режима процесса электролиза зависит и от обслуживания ванн рабочей бригадой, которое ведётся в ручном режиме. При неэффективном обслуживании ванн выходные показатели процесса электролиза цинка снижаются. Обслуживание ванн включает в себя чистку ванн, анодов и катодов, а также замену последних в случае необходимости. Частая замена анодов приводит к значительным экономическим затратам, а так же говорит о плохом обслуживании ванн. Алгоритм формирования базы данных по обслуживанию электролизных ванн, схема которого приведена на рисунке 7, фиксирует работу каждого участка и каждой серии электролитного цеха по обслуживанию электролизных ванн. Исходными данными алгоритма являются номер серии; номер участка; количество полученных анодов и катодов, количество почищенных анодов и катодов; количество очищенных ванн. На основании полученных данных формируется база данных, с помощью которой оператор-технолог оценивает выходные показатели электролитного цеха. В сформированной базе данных осуществляется сортировка и поиск данных по введенной дате.

Экономическая эффективность процесса электролиза цинка зависит от расхода дорогостоящего сырья. В состав анодов входит серебро, поэтому частая их замена приводит к высоким затратам на сырьё. Разработанный алгоритм оптимизации подбора состава лигатуры анодов, схема которого представлена на рисунке 8, позволит сократить расход серебра и оптимизировать подбор состав лигатуры анодов. Исходными данными алгоритма информационной подсистемы контроля параметров процесса анодной плавки являются: номер плавки; масса отработанных анодов, кг; количество анодов, шт; содержание серебра в отработанных анодах, кг/т; масса срезок, кг; масса свинца и серебра в срезках, кг; содержание серебра в лигатуре, кг/т. На основании этих данных алгоритм подбирает массу компонентов состава анодов, необходимую для доведения нового состава до исходного.

Предложенные алгоритмы контроля и обработки технологических данных позволят снизить экономические затраты на сырьё и электроэнергию и

увеличить выходные показатели процесса электролиза цинка. В соответствии с приведёнными алгоритмами разработано программное обеспечение для АСУТП электролитного цеха.

^ Ндчако

^ Начало ^

Беод тгаеднък данных

ВЕСЕ исхсекьяі дгккш:

ОшаТЬ СбЬСаТ К СЕНО 1Л2СС& Я£ЕЛС5Ї5ЯНЯ

Создать £51 СрПЯСЭЯЕ и ягісса. Лррї&яїкт

•

Со$аітьгла£Еогокво класса МсйяНЪакю

?5ИГЧуага«.атргщ фуиетптд БЬо1«?, 0Т05ражаКШй5 глагаое СЕНО формы ЕЗ ЗЕр&ВЗ

Перейти БрКЕИН 0£рабСТ5И СГОбПИЯВЯ

Мэсса пямг ууыв 305 сг;

і

Иныжз тгропі^р гарімпр гзгаиз! легация ы пссоарг жансдыса І'ЬІІМІПІ

Рисунок 7 - Схема алгоритма формирования базы данных по обслуживанию электролизных ванн

Рисунок 8 - Схема алгоритма оптимизации подбора состава лигатуры анодов

В четвёртой главе приводятся некоторые аспекты реализации системы управления технологическим процессом электролиза цинка - приведены принципы построения системы управления технологическим режимом, применение метода контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка в системе управления технологическим режимом и показаны примеры программной реализации разработанных алгоритмов. Разработанная система управления технологическим режимом процесса электролиза цинка, представленная на рисунке 9, функционирует в режиме советчика оператора-технолога электролитного цеха. Управляющие воздействия фактически осуществляются

18

оператором-технологом, получающим советы по управлению от комплекса технических средств (КТС).

Один из возможных вариантов схемы системы управления технологическим процессом электролиза цинка в гидрометаллургическом производстве представлен на рисунке 10. Управляющий контроллер, кроме сбора данных и выдачи управляющих воздействий, обеспечивает передачу технологической информации в АРМ технолога, осуществляющую реализацию алгоритмов метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка.

Все необходимые управляющие воздействия вычисляются КТС в соответствии с моделью технологического процесса электролиза цинка, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее).

Для взвешивания катодного цинка после процесса сдирки и последующего автоматизированного занесения данных в подсистему обработки технологических данных предлагается установить платформенные напольные весы на 4-х тензодатчиках, что повысит объективность контроля работы весовщика. Расширение возможностей предлагаемого весоизмерителя достигается применением весового индикатора. В качестве основного взвешивающего элемента используются тензометрические датчики с высокой степенью защиты 1Р68. Кроме того, на модель индикатора может быть установлен (опционно) ИК-порт для управления с пульта дистанционного управления (ПДУ). Связь с компьютером осуществляется через гальванически развязанный по протоколу 118485 со скоростью до 9600 Бод.

В систему управления технологическим режимом поступают следующие входные данные: концентрации примесей в нейтральном растворе; расход электроэнергии по каждой серии с подстанции; количество работающих участков; масса катодного цинка с платформенных весов; количество работающих ванн по каждому участку; номер плавки; масса отработанных анодов; количество анодов; содержание серебра в отработанных анодах; масса срезок; масса свинца и серебра в срезках; содержание серебра в лигатуре; номер серии; номер участка; количество полученных анодов и катодов; количество почищенных анодов и катодов; количество очищенных ванн.

На основании поступивших данных программное обеспечение обработки технологических данных формирует следующую информацию по каждому участку, каждой серии и по всему цеху в целом:

• средние значения по каждой серии массы цинка, выхода по току, количества ванн, количество работающих участков, токовая нагрузка, определяются передовые и отстающие участки;

• по всему цеху в целом рассчитываются суммарные значения выпуска цинка, токовой нагрузки, выхода по току цинка;

19

по каждому участку рассчитываются значения выхода по току и массы цинка за выбранный период;

информацию по коррекции состава нейтрального раствора.__

Выщелачивательный цех

АСУТП ПООТД

Определение выходных параметров процесса электролиза цинка

БД по обслуживания ваші

\ і Оптимизация —" І і подбор состава і

Формирование рекомендаций по коррекции состава нейтрального раствора на основе математической обработки данных

| Устройства согласования

I

Первичные датчики | I Исполнительные механизмы

ВОДА _

Отработанный электролит —

Нейтраль- _ ный раствор

ЭЛЕКТРОЛИЗ ЦИНКА

Готовая продукция (¿п чушковый)

ВОДА

Отработанный электролит

Сдирка катодного цинка

Рисунок 9 - Структура системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка (ПООТД - программное обеспечение обработки технологических данных; КТС - комплекс технических средств)

20

АРМ технолога отделение цеха Электролиза (отображение и архивирование информации, выработка управляющих воздействий )

АРМ технолога цеха электролиза

О

Ethernet

WAGO I/O-System 750 - 842

Л

WAGO I/O-System 750 - 342

п О О 0 0 00 00 00 00 00 оо 00 00

О о 00 оо 00 оо 00 00 оо 00 оо

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00

< 00 00 00 00 00 оо 00 00 00 0 0

0 0 00 00 00 0 0 00 00 00 00 0 0

Управляющий контроллер

7У

D 00 00 00 00 00

00 00 00 00 00

п 00 00 0 0 00 00

4 > 00 00 00 00 00

00 00 00 00 00

Перекоммутация ручная

<> Сигнал

перекоммутации

Сигнал управления

РезерВИруЮЩИЙ КО! троллер

5

<1

Сигнал управления

Блок релейной коммутации

Средства локальных КИП и А, датчики и исполнительные механизмы объекта автоматизации

СЕРИЯ I

(1 РИМ и

СЕРИЯ 111

Рисунок 10

- Схема системы управления процессом электролиза цинка (АРМ - автоматизированное рабочее место)

Подбирается состав лигатуры, необходимый для доведения нового состава до исходного: масса отрезков анода, кг.; масса срезок, кг.; масса лигатуры, кг.; масса серебра, кг.; содержание серебра в плавке, кг.; масса плавки, кг.

На основании рассчитанных параметров технологического режима процесса электролиза цинка ПООТД формирует рекомендации оператору-технологу по выработке управляющих воздействий на параметры технологического процесса. Система управления технологическим режимом позволяет вести эффективную организацию процесса электролиза цинка, в частности формировать рекомендации по подбору оптимального состава нейтрального раствора, устанавливать параметры процесса анодной плавки, а также учитывать показатели работы каждого участка, серии и цеха, что в конечном итоге позволяет повысить выход по току цинка на 1 - 1,5 %, снизить затраты на электроэнергию на 20 - 25%, а также снизить расход анодов на 5 - 7 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

1. в ходе математической обработки данных, полученных в промышленных условиях, выведены регрессионные модели, которые позволяют корректировать состав нейтрального раствора, при котором обеспечивается увеличение выхода цинка по току;

2. разработан метод контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка и алгоритмы его реализации, обеспечивающие максимально возможный выход по току катодного цинка и позволяющие снизить затраты на сырьё и электроэнергию;

3. на базе пакета прикладных программ Delphi и Qt разработана информационная подсистема обработки технологических данных электролиза цинка, позволяющая вести контроль за показателями процесса электролиза цинка, работой участков, серий и всего электролитного цеха;

4. разработана система управления технологическим режимом процесса электролиза цинка на базе метода контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка;

5. использование в производстве материалов диссертационной работы позволит уменьшить расход серебра на 5 - 7 % в результате подбора состава лигатуры, снизить затраты на электроэнергию на 20 - 25% и увеличить выход цинка по току на 1 - 1,5 %. Предложенные методы и модели могут быть использованы при разработке систем управления цинковым производством, результаты исследования используются при подготовке студентов по специальности «Теплофизика, экология и автоматизация промышленных печей».

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. А. Л. Рутковский, Е. А. Хадзарагова, Т. А. Юрошева Исследование взаимосвязи параметров процесса электролиза цинка в промышленных условиях // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 5. №10. г. Воронеж. 2009. С. 238-239.

2. А. Л. Рутковский, И. И. Болотаева, Т. А. Юрошева Алгоритм модифицированного симплексного поиска в задаче оптимального управления параметрами процесса электролиза цинка // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета Санкт-Петербург: Издательство Политехнического университета, 4(103)/2010. Информатика. Телекоммуникации. Управление. С. 142-145.

3. Рутковский А.Л., Хадзарагова Е.А., Юрошева Т.А. Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях и оптимизация технологического режима// Системы управления и информационные технологии, №2.2(48), 2012. С. 280-284.

Материалы международных конференций:

4. Т. А. Юрошева Анализ технологической схемы электролиза с целью создания эффективной системы управления // I международная научно-практическая конференция «Современные проблемы науки». Тамбов. 2008. С. 174- 175.

5. А. Л. Рутковский, Е. А. Хадзарагова, Т. А. Юрошева Информационная система контроля работы процесса электролиза цинка // IX международная научно - практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». Санкт-Петербург.

2010. С. 403-404.

6. Т. А. Юрошева Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях // II международная научно-практическая конференция «Молодые учённые в решении актуальны проблем науки». Владикавказ.

2011. С. 44-48.

В других изданиях:

7. Е. А. Хадзарагова, Т. А. Юрошева Исследование иерархической структуры системы управления процессом электролиза цинка // Труды СевероКавказского горно-металлургического института (СКГТУ). Выпуск шестнадцатый. Владикавказ. 2009. С. 34-35.

Подписано в печать 24.12.2012. Печать офсетная. Формат 60x84 . Бумага офсетная.

Учено-издательских листов 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 270

ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)». Издательство «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ). 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.Современное состояние и развитие процесса электролиза цинковых сульфатных растворов в гидрометаллургическом производстве цинка. Информационно-аналитический обзор.

1.1 Способы получения металлического цинка.

1.2 Процесс электролиза цинка.

1.3 Оценка влияния примесей на технико-экономические показатели и качество катодного цинка.

1.4 Современное направление интенсификации и оптимизации процесса.

1.5 Исследование математических моделей электролиза в управлении процессом.

1.6 Современное состояние автоматизации технологического процесса электролиза цинка.

1.7 Анализ процесса электролиза цинка как объекта автоматизации.

1.8 Выводы по главе

ГЛАВА 2.Исследование взаимосвязи параметров процесса электролиза цинка в промышленных условиях.

2.1 Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в отработанном электролите.

2.2 Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в нейтральном растворе.

2.3 Исследование зависимости концентрации серной кислоты в отработанном электролите от токовой нагрузки.

2.4 Исследование зависимости концентрации цинка в нейтральном растворе от удельного веса нейтрального раствора.

2.5 Исследование зависимости выхода цинка по току от концентрации серной кислоты в отработанном электролите.

2.6 Исследование влияния примесей в отработанном электролите на выход цинка по току.

2.6.1 Исследование зависимости выхода по току от концентрации кобальта в нейтральном растворе.

2.6.2 Исследование зависимости выхода по току от концентрации хлора в нейтральном растворе.

2.6.3 Исследование зависимости выхода по току от концентрации кадмия в нейтральном растворе.

2.6.4 Исследование зависимости выхода по току от концентрации марганца в нейтральном растворе.

2.7Исследование зависимости совместного влияния примесей на выход цинка по току.

2.7.1 Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и концентрации кобальта в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.2 Исследование зависимости совместного влияния концентрации кобальта и концентрации кадмия в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.3 Исследование зависимости совместного влияния концентрации кобальта и концентрации марганца в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.4 Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и концентрации кадмия в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.5 Исследование зависимости совместного влияния концентрации хлора и концентрации марганца в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.6 Исследование зависимости совместного влияния концентрации кадмия и концентрации марганца в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.7 Исследование зависимости совместного влияния концентраций кобальта, хлора, кадмия и марганца в нейтральном растворе на выход цинка по току.

2.7.8 Поиск оптимальных значений концентраций примесей в нейтральном растворе влияющих на выход цинка по току.

2.8 Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Разработка информационной подсистемы контроля параметров процесса электролиза цинка.

3.1 Разработка метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка.

3.2Разработка алгоритма идентификации параметров процесса электролиза цинка.

3.3Разработка алгоритма информационной подсистемы контроля выходных параметров процесса электролиза цинка.

3.4Разработка алгоритма информационной подсистемы по обслуживанию электролизных ванн.

3.5Разработка алгоритма информационной подсистемы контроля параметров процесса анодной плавки.

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. Разработка системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка.

4.1 Принцип построения системы управления процессом.

4.2 Применение метода контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка.

4.3 Пример программной реализации разработанных алгоритмов.

4.3.1 Программная реализация алгоритма определения выходных параметров процесса электролиза цинка.

4.3.2 Программная реализация алгоритма формирования базы данных по обслуживанию электролизных ванн.

4.3.3 Программная реализация алгоритма оптимизации подбора состава лигатуры анодов.

4.4 Вывода по главе 4.

Актуальность работы. Производство цинка - одно из основных направлений цветной металлургии страны. В 90-ых годах резко увеличилась конкуренция на рынке цинка. Для сохранения своих позиций перед заводами возникла проблема увеличения производства цинка с улучшением его качества и уменьшением затрат на производство, особенно электроэнергию. Это определило необходимость реконструкции заводов с ориентацией на внедрение современных информационных технологий.

Крупнейшими в РФ производителем цинка являются ОАО «Челябинский цинковый завод» и ОАО «Электроцинк». Эти и другие заводы по производству цинка работаю по классической гидрометаллургической схеме: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание огарка с очисткой растворов и электролитическое осаждение цинка с последующим переплавом катодов. Процесс производства цинка подробно исследован в работах М.Д. Кудимы, А.П. Снурникова, Г.Г. Михайлова, A.A. Лыкасова, Ю.М. Смирнова и др.

Конечной целью процесса электролиза цинка является обеспечение максимального извлечения катодного цинка из нейтрального раствора с минимальными эксплуатационными затратами, которые определяются расходом электроэнергии и рабочей силы, получение товарной продукции с наибольшими потребительскими качествами. На качество процесса электролиза цинка оказывают влияние нестабильность основных параметров и неопределенность параметров рабочего режима, обеспечивающих зону повышенного качества цинка. Все это сдерживает рост объемов катодного цинка и ставит задачи по обеспечению оптимального технологического режима.

В данной работе рассматриваются вопросы построения системы управления цехом электролиза. Целью разрабатываемой системы управления является идентификация параметров процесса, выработка критериев оценки работы персонала по обслуживанию ванн, повышение чистоты выпускаемого цинка и улучшение технико-экономических показателей процесса электролиза цинка.

Изложенное выше определяет актуальность исследования процесса электролиза цинка в промышленных условиях и необходимость создания высокоэффективной информационной системы управления технологическим процессом электролиза цинка, учитывающей работу вспомогательных и обслуживающих процессов, включающих в себя сдирку цинка с катодов, чистку анодов от марганцового шлама и их правку, чистка электролизных ванн от шлама и влияние концентрации примесей в нейтральном растворе на выход по току катодного цинка.

Цель диссертационной работы. Разработка системы управления технологическим процессом электролиза цинка, позволяющей обеспечить максимальный выход по току цинка в рабочем диапазоне изменения параметров и снизить затраты на электроэнергию и сырьё.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1) исследование и анализ параметров технологического процесса электролиза цинка в промышленных условиях;

2) разработка математической модели функциональной задачи исследования влияния параметров процесса электролиза цинка на выход цинка по току;

3) разработка метода контроля и идентификации параметров показателей процесса электролиза цинка;

4) разработка алгоритмов реализации метода контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка;

5) разработка системы управления технологическим процессом электролиза цинка.

Методы исследования включают в себя математическое моделирование; методы статистической обработки данных; методы идентификации; промышленные исследования, метод пассивного эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Получены новые регрессионные модели зависимостей параметров процесса электролиза цинка (выхода по току цинка от концентрации хлора, кобальта, кадмия и марганца в нейтральном растворе и от концентрации серной кислоты в отработанном электролите; концентрации серной кислоты в отработанном электролите от концентрации цинка в отработанном электролите, от токовой нагрузки, от концентрации в нейтральном растворе цинка; концентрации цинка в нейтральном растворе от плотности нейтрального раствора), которые позволяют в рамках АСУТП осуществлять расчёт оптимального состава примесей нейтрального раствора;

2. Разработан метод контроля и идентификации параметров модели процесса электролиза цинка, позволяющая в комплексе учитывать технологические данные процесса электролиза цинка, включая эффективную организацию обслуживания электролизных ванн и формирование информации по оптимальному составу примесей нейтрального раствора;

3. Разработаны алгоритмы реализации метода контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка (алгоритм идентификации параметров математической модели процесса электролиза цинка, алгоритм определения выходных параметров процесса электролиза цинка, алгоритм формирования БД по обслуживанию электролизных ванн, алгоритм оптимизации подбора состава лигатуры анодов) и найдены оптимальные режимы, обеспечивающие максимальный выход по току катодного цинка и позволяющие снизить затраты на электроэнергию;

4. Разработана функциональная структура системы управления технологическим режимом процесса электролиза цинка, позволяющая оператору технологу выработать управляющие воздействия для процесса анодной плавки по критерию минимизации расхода лигатуры, для процесса обслуживания ванн, а также выработать управляющие воздействия на кислотный режим процесса при котором выход цинка по току максимален.

Объект исследования: система управления промышленным процессом электролиза цинка.

Предмет исследования: модели взаимосвязи параметров технологического процесса и алгоритмы обработки технологических данных, обеспечивающие максимальный выход по току и снижение затраты на электроэнергию при автоматизированном управлении процессом электролиза цинка.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. На основании проведенного регрессионного анализа технологического процесса разработаны рекомендации для оператора-технолога по совершенствованию технологического режима в области приведения состава нейтрального раствора к оптимальному (определены оптимальные концентрации примесей в нейтральном растворе, обеспечивающие максимальный выход по току цинка).

2. Разработанная система управления технологическим режимом процесса обеспечивает максимальный выход по току цинка и минимизирует экономические затраты на производство.

3. Предложенный метод контроля и идентификации параметров процесса электролиза цинка может быть использован при разработке и совершенствованию систем управления процессом электролиза цинка.

4. Ожидаемый экономический эффект от использования в практической деятельности НПК «Югцветметавтоматика» составит 1200 тыс. руб. в год.

Реализация и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в практической деятельности НПК «Югцветметавтоматика» с ожидаемым экономическим эффектом не менее 1200 тыс. руб. в год за счет повышения производительности, снижения расхода анодов на 5 - 7% и увеличения выхода по току на 1 - 1,5 % для цеха производительностью 90 тыс. т/год.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются использованием общепринятой теоретической и методологической баз исследований, методов математической статистики, теории принятия решений, методов прогнозирования, а также соответствием результатов исследований практическим данным работы цеха электролиза цинка.

Апробация работы:

Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на IX международной научно - практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010г.; II международная научно - практическая конференция «Молодые ученные в решении актуальны проблем науки», Владикавказ, 2011; на ежегодных научно-технических конференциях проводимых в СКГМИ (ГТУ) в 2008 г.-2011 г.

Автор выражает благодарность д.т.н. профессору Рутковскому Александру Леонидовичу за плодотворные научные консультации в области технологии и содействие в проведении работы.

Личный вклад автора. Основные научные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 научных трудах, из них 3 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 4-х приложений и списка использованной литературы. Содержание диссертации изложено на 116 листах машинописного текста и включает 26 иллюстраций и 2 таблицы. Список литературы содержит 95 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

1. В ходе математической обработки данных, полученных в промышленных условиях, выведены регрессионные модели, которые позволяют корректировать состав нейтрального раствора, при котором обеспечивается увеличение выхода цинка по току.

2. Разработан метод контроля и идентификации показателей процесса электролиза цинка в АСУТП и алгоритмы его реализации, обеспечивающие максимально возможный выход по току катодного цинка и позволяющие снизить затраты на сырьё и электроэнергию;

3. На базе пакета прикладных программ Delphi и Qt разработана информационная подсистема обработки технологических данных электролиза цинка, позволяющая вести контроль за показателями процесса электролиза цинка, работой участков, серий и всего электролитного цеха.

4. Использование в производстве материалов диссертационной работы позволит уменьшить расход серебра на 5 - 7 % в результате расчёта количества лигатуры, снизить затраты на электроэнергию на 2,0 - 2,5% и увеличить выход цинка по току на 1 - 1,5 %. Предложенные методы и модели могут быть использованы при разработке систем управления цинковым производством, результаты исследования используются при подготовке студентов по специальности «Теплофизика, экология и автоматизация промышленных печей»

1. Гаев А.И., Есин О.А. Электролиз цинка. Свердловск-Москва. ОНТИ, 1937. -190 с.

2. Лакерник М.М., Пахомова Г.Н. Металлургия цинка и кадмия. М.: Металлургия, 1969.-488 с.

3. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия, 1977. - 336 с.

4. Агеенков В.Г., Каковский И.А. Электрометаллургия водных растворов. -М.: Металлургиздат, 1947. 148 с.

5. Хан О.А., Фульман Н.И. Новое в электроосаждении цинка. М.: Металлургия. 1979. - 79 с.

6. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1982. 352 с.

7. Тарарин С.В. Электролиз водных растворов в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1990. - 176 с.

8. Barisin D., Jelacic С. The influence of germanium on zinc electrolysis // Anticorros. Meth. AndMater., 1982. 29. № 7. P. p. 4-7.

9. Maja M., Penazzi N., Fratesi R., Roventi G. Electrolyse de basinsful furies de zinc en en presence d'impuretes // Oberflache Surface. 1983. 24. № 7. P.p. 234 -237.

10. Fosnacht D.R., O'Keefe T.J. The effects of certain impurities and their interactions on zinc electrowinning. // Met. Trans. 1983. B. 14. № 1 4. P.p. 645 - 655.

11. Mackinnon D.J., Fenn P.L. The effect of tin on zinc electrowinning from industrial acid sulphate electrolyte // J. Appl. Electrochem. 1984. 14. № 6 P.p. 701 -707.

12. Fukushima H., Akiyama Т., Suda Т., Higashi K. // Mining and Met. Inst. Jap. 1984. 100. № 1158. P.p. 687-691.

13. Biegler Т., Franzer E. // J. Electrochemistry. Effect of impurities on coulombic efficiency in zinc electro winning. (4 A) // Res. Rept. 1984. CSIRO. Div. Miner. Chem. Port Melbourne. 1984. P.p. 96 99.

14. Н.Фульман Н.И., Хан O.A. О роли температуры электролита в процессе электроосаждения цинка. Цветные металлы, 1977, №1, С. 20-21.

15. Матвеев Ю.Н., Стрижко B.C. Технология металлургического производства цветных металлов (теория и практика). М.: Металлургия, 1986. - 368 с.

16. Hill S.D., Pool D.L., Smyres G.A. Electro winning zinc from zinc chloride in monopolar and bipolar fussed-salt cell. (Report on investigations Bureau of Mines (USA); 8524), 1981.

17. Зайцев В.Я., Маргулис E.B. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургия, 1985.-263 с.

18. Пат. 597746 (СССР). Способ электролитического извлечения цинка электролизом / Н.И. Фульман. 1978

19. Пат. 605862 (СССР). Способ автоматической оптимизации технологического режима электроосаждения цинка / P.C. Литвак, Л.П. Ким, Г.Г. Раннев. 1978.

20. Пат. 608853 (СССР). Способ автоматического контроля процесса электроосаждения цинка / P.C. Литвак, М.М. Табачников. 1978.

21. Пат. 644873 (СССР). Способ непрерывного автоматического контроля качества катодного цинка в процессе его осаждения / М.М. Табачников, P.C. Литвак. 1978.

22. Шиврин Г.Н. Металлургия свинца и цинка. М: Металлургия, 1982. - 352 с.

23. Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. М.: Металлургия, 1972. - 543 с.

24. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.

25. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Т.5. 1966.

26. Алкацев В.М., Еналдиев В.М., Алкацев М.И. Системный анализ влияния различных факторов на показатели электролиза сульфатных цинковых растворов // Изв. вузов. Цв. Металлургия, 1988. № 5. С. 46 -50

27. С. Ralston. Electrolytic deposition and hydrometallurgy of zinc. New York: McGraw-Hill book company, 1921. 345 c.

28. Измайлов H.A. Электрохимия растворов. 3-е изд. М: Химия, 1976. - 483 с.

29. Левин А. И. Пути совершенствования и интенсификации электроосаждения цветных металлов. Цветные металлы, 1979. № 11. С. 22 - 25.

30. Сучков А. В. Проблемы интенсификации электролиза в металлургии. М.: Металлургия, 1976. - 334 с.

31. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1981. -263 с.

32. Лоскутов Ф.М. Металлургия свинца и цинка. М.: Металлургиздат, 1956. -478 с.

33. Добош Д. Электрохимические константы / Справочник для электрохимиков. Пер. с англ. и венг. М.: Мир, 1980. - 365 с.

34. Никифоров А. Ф. Современное состояние электролиза цинка. Цветные металлы, 1975. № 4. С. 30 - 34.

35. Теслицкая М. В., Гудина Н. В. Современное состояние технологии производства цинка за рубежом. Цветные металлы, 1976. № 3. С. 27 - 31.

36. Хан О. А., Пиков Н. X. О повышении чистоты цинкового электролита. -Цветные металлы, 1979. № 5. С. 13-22.

37. Баймаков Ю. В., Журин А. И. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия, 1977. 336 с.

38. Ярославцев А. С., Фульман Н. И. и др. Производство цинка повышенной чистоты в промышленных условиях. Цветные металлы, 1975. № 8. С. 17 -19.

39. Ротинян А. Л., Тихонов К. И., Шошина И. А. Теоретическая электрохимия. Л.: Химия, 1981.-424 с.

40. Багоцкий В. С. Основы электрохими. М.: Химия, 1988. - 400 с.

41. Вольдман Г. М., Зеликман А. Н. Теория гидрометаллургических процессов.- М.: Интермент Инжиниринг, 2003. 462 с.

42. Уткин Н. И. Производство цветных металлов. М.: Интермент Инжиниринг, 2000. - 442 с.

43. Ахназарова С. JL, Кафаров В. В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. 319 с.

44. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980.-304 с.

45. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. -М.: Металлургия, 1974. -453 с.

46. Рутковский А.Л., Топчаев В.П. Активно-пассивный эксперимент при идентификации процессов в условиях неуправляемых помех. В кн. Оптимальное управление технологическими процессами цветной металлургии. М.: ВНИКИ «Цветметавтоматика», 1984, 39 - 47 с.

47. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов. М: Металлургия, 1986. - 239 с.

48. Дудников Е. Г., Балакирев В. С., Кривсунов В. Н., Цирлин А. М. Построение математических моделей химико-технологических объектов. JL, Химия, 1970,312 с.

49. Веселая Г.Н., Егорова H.H., О математических моделях технологических процессов, полученных по данным пассивных наблюдений. В кн. Проблемы планирования эксперимента. М.: Наука, 1969, 24 - 28 с.

50. Егоров C.B. Мирахмедов Д.А. Моделирование и оптимизация АСУТП. М.: издательство МГГУ, 2003. - 586 с.

51. Каганов В.Ю., Блинов О.М., Беленький A.M., Бердышев В.Ф. Автоматизация управления металлургическими процессами. М.:Металлургия, 1989. -360 с.

52. Пат. Глинков Г.М., Косырев А.И., Шевцов Е.К. Контроль и автоматизация металлургических процессов и печей. М: Металлургия, 1989. - 352 с.

53. Куликов С.С., Вишняков И.А., Михин Я.Я., Погорелый А.Д. Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях // Изв. вузов. Цвет. Металлургия. 1981. № 2. С. 41 43.

54. Куликов С.С. Исследование процесса электролитического получения цинка с целью оптимального управления: дис. Канд. техн. наук. Орджоникидзе. 1982.- 188 с.

55. Алкацев В.М. Исследование, моделирование и оптимизация процесса электроэкстракции цинка из растворов и расплавов: дис. Канд. техн. наук. Владикавказ. 2004. 80 е.

56. Пьявченко Т.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами и технологическими объектами. Учебное пособие. Таганрог: издательство ТРТУ, 1997. 128 с.

57. Кишнев В.В., Иванов В.А., Тохтабаев Г.М., Афанасьев A.A. Технические средства автоматизации. М: Металлургия, 1978. - 224 с.

58. Глинков Г.М., Маковский В.А., Лотман С.Л., Шапировский М.Р. Проектирование систем контроля и автоматического регулирования металлургических процессов. М.: Металлургия, 1986. - 352 с.

59. Ксендзовский В.Р., Лебедкин В.Ф., Миров Б.М. и др. Проектирование систем автоматизации в металлургии. Справочник. М.: Металлургия 1983. -303 с.

60. Каганов В.Ю., Глинков Г.М., Климовский М.Д., Климушкин А.К. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. М: Металлургия, 1987.-269 с.

61. Глинков Г.М., Климовицкий М.Д. Теоретические основы автоматического управления металлургическими процессами. М.: Металлургия, 1985, 304 с.

62. А. Л. Рутковский, Е. А. Хадзарагова, Т. А. Юрошева Исследование взаимосвязи параметров процесса электролиза цинка в промышленных условиях // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 5. №10. Воронеж. 2009. С. 238-239

63. Рутковский А.Л., Хадзарагова Е.А., Юрошева Т.А. Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях и оптимизация технологического режима// Системы управления и информационные технологии, №2.2(48), 2012. С. 280-284

64. Т. А. Юрошева Анализ технологической схемы электролиза с целью создания эффективной системы управления // I международная научно-практическаяконференция «Современные проблемы науки». Тамбов. 2008. С. 174-175

65. Т. А. Юрошева Исследование процесса электролиза цинка в промышленных условиях // II международная научно-практическая конференция «Молодые учёные в решении актуальны проблем науки». Владикавказ. 2011. С. 44-48

66. E. А. Хадзарагова, Т. А. Юрошева Исследование иерархической структуры системы управления процессом электролиза цинка // Труды Северокавказского-горно-металлургического института (СКГТУ). Выпуск шестнадцатый. Владикавказ. 2009. С. 34-35

67. Воскобойников Ю.Е. Регрессионный анализ данных в пакете MathCAD -М.: Издательский центр «Академия» 2011. 224 с.

68. Рутковский А.Л., Текиев В.М. Построение моделей технологических процессов по данным промышленных экспериментов // Известия вузов. Цветная металлургия, 1995. №1. С. 45 50

69. Рутковский А.Л. Оценивание параметров моделей объектов управления по данным активно-пассивных экспериментов // Известия вузов. Цветная металлургия, 1988. № 4. С. 37 43

70. Рутковский А.Л., Текиев В.М. Построение моделей технологических процессов по данным промышленных экспериментов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1987. № 1. С. 25 -31

71. Себер Дж. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир, 1980. - 134 с.

72. Справочник по электрохимии / Под. Ред. A.M. Сухотина, Д.: Химия, 1981. -488 с.

73. Рутковский A.JI. Адаптивный симплексный поиск при идентификации и оптимизации технологических процессов // Известия вузов. Цветная металлургия. 1987, № 6, 32 39 с.

74. Дамбраускас А.П. Симплексный поиск. М.: Энергия, 1979. - 236 с.

75. Никифоров А. Ф. Современное состояние электролиза цинка. Цветные металлы, 1975, №4. С. 30-34.

76. Теслицкая М. В., Гудина Н. В. Современное состояние технологии производства цинка за рубежом. Цветные металлы, 1976. № 3. С. 27 - 31.

77. Сейдж Э.П. Идентификация систем управления Текст. / Сейдж Э.П., Дж.Л. Мелса. М.: Наука, 1974. - 248 с.

78. Сергеенкова Е.В. Идентификация объектов управления с использованием методов смещенного оценивания. Автореф. дис. на соиск. учен. стем. к.т.н. -Сумгаит, 1981.

79. Рутковский А.Л., Блиев Э.А., Зайцев И.А. К вопросу идентификации и оптимизации процессов в цветной металлургии. ВИНИТИ. № 2(160). 1985.

80. Дилигенская А.Н. Идентификация объектов управления. Учебное пособие. Самара. 2009. 136 с.

81. Кануков Э. X., Куликов С. С. О контроле процесса электролиза. Цветные металлы, 1974. № 6. С. 26 - 27.

82. Рузинов Л. П. Статистические методы оптимизации химических процессов. -М.: Химия, 1972.-200 с.

83. Федоров Ю. Н. Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. М.: Инфа-Инженерия, 2008. - 929 с.

84. Снурников А. П. Гидрометаллургия цинка. М.: «Металлургия», 1981. -384 с.

85. Соснин О. М. Основы автоматизации технологических процессов и производств. М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 240 с.

86. Нестеров A. JI. Проектирование АСУТП. Методическое пособие. Книга 1. -СПб. Издательство ДЕАН, 2006. 552 с.

87. Салихов З.Г., Арунянц Г. Г., Рутковский A.JI. Системы оптимального управления сложными технологическими объектами. Монография. М, Изд. «Теплоэнергетик», 2004. - 495 с.

88. Химельблау Д., Анализ процессов статистическими методами Текст. / Хи-мельблау Д. М.: Мир, 1973. - 960 с.

89. Перов B.J1. Основы теории автоматического регулирования химико-технологических процессов. М.: Химия, 1970. - 352 с.