автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Модуль контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов

На правах рукописи

Даныкина Галина Борисовна

МОДУЛЬ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ КОНВЕРТИРОВАНИЯ МЕДНЫХ ШТЕЙНОВ

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2006

Работа выполнена, в Государственном университете цветных металлов и золота

Научный руководитель:

Горенский Борис Михайлович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Ченцов Сергей Васильевич

доктор технических наук, профессор

Ловчиков Анатолий Николаевич

доктор технических наук, профессор

Ведущая органшация:

ОАО « Краспр ома вто м ати ка»

Защита диссертации состоится 30 ноября 2006 г. в 14 часов в главном корпусе КГТУ, ауд. Г4-17 на заседании диссертационного совета K2I2.098.02 ГОУ В)К) «Красноярский государственный технический университет» по адрес}: 660074. г. Красноярск, ул. Кпренского, д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета (ГОУ ВПО «КГТУ»)

Ваш отзыв в 2-х экз. заверенный гербовой печатью предприятия просим направлять по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, учёному секретарю диссертационного совета К212.098.02. тел./факс. (3912) 912-095.

Автореферат разослан 28 октября 2006 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Кузьменко Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Конвертирование медных, никелевых и медно-никелевых штейнов является одним из основных переделов, определяющих эффективность процесса переработки сульфидных руд. Сущность процесса конвертирования заключается в окислительной обработке (продувке) медного штейнового расплава воздухом или дутьем, обогащенным кислородом, с целью преимущественного окисления железа и серы.

Повышение технико-экономических показателей процесса конвертирования может быть достигнуто за счет выбора обоснованных параметров процесса. Анализ существующих систем управления процессом конвертирования медных штейнов показал, что процесс слабо автоматизирован и оснащен лишь несколькими локальными системами автоматического регулирования (САР). Периодичность, высокая температура ведения процесса (более Ю00°С) и невозможность оперативного контроля большинства технологических показателей существеннно затрудняют управление им. Кроме того недостаточно развито математическое описание процесса конвертирования, поскольку к изучению гидродинамики и массообмена ванны расплава с использованием математических методов приступили не так давно. Для серьезных теоретических расчетов по гидродинамике и массообмену ванны расплава турбулентные характеристики (числа Рейнольдса и Пекле, кинематическая вязкость и др.) просто отсутствуют, как и доказательный механизм взаимодействия газовых струй с расплавами. Работы в этом направлении велись И.А. Блатовым, А.Б, Паршу-ковым, И.В. Деревцовым, О.И. Желдыбиным, Л.Ш. Цемехманом по расчетам материальных и тепловых балансов; З.Г. Салиховым, А.В. Спесивцевым, А.П. Щетининым, Е.В. Навильниковым по изучению кинетики конвертирования м ед но- никеле в ых штейнов путем объединения всех возможных химических реакций, протекающих в ванне расплава, и представления их в виде графа; Цымбалом В.П. на основе физико-химических представлений о сталеплавильном конвертерном процессе. Во всех работах принимались различные условности. Нет универсальных моделей, описывающих процесс конвертирования.

Отсутствие математических моделей различных уровней для компьютерного исследования металлургических процессов может приводить к необходимости вмешательства в производство со всеми вытекающими негативными последствиями, что является неоправданным риском.

Поэтому разработка модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов на основе корректных математических моделей с целью повышения технико-экономических показателей является актуальной.

Задачи контроля и управления процессом могут быть решены за счет разработки и внедрения высокоорганизованных автоматизированных систем управления и (или) повышения квалификации обслуживающего персонала.

Первое направление хотя и является более эффективным, однако требует больших затрат времени и средств, а также сопряжено с возможностью возникновения аварийных ситуаций при внедрении. Второе позволяет обучать технический персонал принимать обоснованные решения при управлении процессом, что снизит риск аварийных ситуаций и потери металла. Обучение персонала наиболее эффективно осуществляется с помощью компьютерных тренажеров (модулей обучения и тренинга), которые могут существовать самостоятельно или включаться в состав системы поддержки принятия решений.

Объектам исследования является система управления горизонтальным конвертером.

Предметом исследования является процесс конвертирования медных штейнов.

.Целью исследования является разработка модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические модели для контроля выходных параметров процесса конвертирования медных штейнов (извлечения меди в черновую медь, процентного содержания Б02 в отходящих газах, температуры ведения процесса).

2. Разработать структуру и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3. Разработать элемент модуля контроля и управления - информационно-измерительную систему» позволяющую вести оперативный контроль за ходом процесса конвертирования и получать информацию об основных технологических параметрах.

4. Разработать математическое и программное обеспечение модуля обучения и тренинга, являющегося элементом модуля контроля и управления и позволяющего исследовать процесс конвертирования, получать дополнительную информацию о процессе, обучать персонал корректному ведению процесса, вырабатывать рекомендации по управлению процессом.

Методы исследования. Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на применении методов имитационного моделирования, методов мгновенных материальных и тепловых балансов и методов статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит в предложенных структуре и алгоритмах работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов на основе разработанного математического обеспечения модуля обучения и тренинга, а также в математических моделях зависимостей показателей качества процесса конвертирования медных штейнов (процентного извлечения меди в черновую медь, процентного содержания 502 в отходящих газах) от основных входных параметров и управляющих воздействий (расхода воздуха, содержания меди и цинка в штейне, количества штейна и добавляемого кварцевого флюса, температуры процесса и продолжительности цикла), что позволяет с помощью информационно-измерительной системы оперативно рассчитывать изменение выходных показателей без взятия проб и проведения химанализа.

Значение для теории:

1. Математические модели зависимости выходных показателей процесса конвертирования медных штейнов - извлечения меди в черновую медь, процентного содержания БОг в отходящих газах - от основных входных параметров, позволяющие посредством информационно-измерительной системы проводить оперативный контроль показателей качества процесса, развивающие его математическое описание в целом, а также модель логического управления температурой ведения процесса.

2. Структура и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, позволяющие проанализировать влияние основных входных параметров (содержания меди и цинка в штейне, количества штейна) и управляющих воздействий (расхода воздуха, количества добавляемого кварцевого флюса и холодных материалов, продолжительности цикла) на показатели качества процесса и осуществить управление процессом конвертирования в режиме «советчика»

Значение для практики:

1. Информационно-измерительная система, позволяющая получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей;

2. Модуль обучения и тренинга, позволяющий проводить исследование процесса конвертирования медных штейнов, обучение персонала и студентов кавыкам управления процессом без вмешательства в реальное производство.

Достоверность полученных данных подтверждается корректным применением математических методов, адекватностью разработанных математических моделей.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы путем внедрения в практику следующих предприятий и учреждений: ОАО «Краспромавтоматика», ООО «НПО Элкомтранс», ГОУ ВПО «Государственный университет цветных металлов и золота», Красноярского индустриально-металлургического техникума и Красноярского промышленного колледжа.

Перспективы дальнейшего использования результатов диссертации заключаются в практике проектирования и эксплуатации модулей контроля и управления процессами в цветной металлургии и методологии создания компьютерных тренажеров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Математические модели, позволяющие осуществлять прогноз значений процентного извлечения меди в черновую медь Ствси и процентного содержания БОг в отходящих газах С^ до фактического окончания процесса конвертирования.

2) Структура и алгоритмы работы модуля ко1гтроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3) Элемент модуля контроля и управления — информационно-измерительная система, позволяющая получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей.

4) Математическое и программное обеспечение модуля обучения и тренинга, применяемого для исследования процесса конвертирования медных штейнов и обучения персонала навыкам управления процессом без вмешательства в реальное производство.

Апробация результатов. Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались;

- на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование технологий производства цветных металлов" (Красноярск, 2002, 2003, 2004 г.г.); на Международной научно-практической конференции "Внутривузовские системы обеспечения качества подготовки специалистов" (Красноярск, 2004 г.); на Юбилейной Международной научно-практической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (Пенза, 2004 г,);

- на научных семинарах кафедр «Прикладная математика и автоматизированные системы управления», «Высшая математика», «Автоматизация производственных процессов» Государственного университета цветных металлов и золота, «Системы автоматики, автоматизированного управления и проектирования», «Элек-

трификация промышленных предприятий» Красноярского государственного технического университета.

Основные идеи работы публиковались в центральной печати (журнал Вестник КрасГАУ) и в различных сборниках научных трудов международного, всероссийского, регионального и межвузовского уровней.

Общая характеристика диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, восьми приложений, и библиографического списка из 106 наименований, содержит 22 рисунка и 10 таблиц. Общий объем диссертации (без учета приложений) составляет 138 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены объект, предмет и цель исследования, сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели. Приведено описание методов исследования, используемых в работе, научная новизна полученных результатов. Представлено значение работы для теории и для практики. Перечислены конференции и семинары, на которых апробировались результаты работы.

В первой главе описана сущность процесса конвертирования медных штейнов, дан анализ его состояния и систем управления им.

Рассмотрены конструктивные и технические характеристики горизонтального конвертера, а также особенности ведения процесса.

Для конвертирования штейнов используются горизонтальные конвертеры, представляющие собой цилиндрические поворотные аппараты периодического действия. В верхней части конвертера иместся горловина, через которую заливают жидкий штейн, загружают холодные материалы и кварц (8Ю2), отводят газы и сливают конвертерный шлак и черновую медь. Для подачи дутья в штейновый расплав на одной из сторон конвертера по образующей установлены фурмы.

Сущность процесса конвертирования медных штейнов заключается в окислительной обработке, или продувке, медного штейнового расплава воздухом или дутьем, обогащенным кислородом, с целью преимущественного окисления железа и серы.

Процесс конвертирования медных штейнов протекает в два периода.

Цель первого периода конвертирования - получение белого матга за счет окисления железа штейна и его перевода в конвертерный шлак путем добавления кремнистого флюса. Во втором периоде происходит окисление сульфида меди до образования черновой меди.

Процесс конвертирования, с одной стороны, желательно вести при максимально высоких температурах. С другой стороны, необходимость увеличения срока службы конвертера требует ограничения рабочих температур процесса. Обычно их поддерживают в пределах 1280 + 1320°С в первом периоде и 1240 * 1280°С во втором.

Химические реакции, описывающие процесс конвертирования, протекают при продувке ванны расплава воздухом, который подается через фурмы конвертера с околозвуковой скоростью (120+150м/с) и под избыточным давлением (0,1+0,12МПа). Поэтому вести теоретические расчеты по гидродинамике и массообмену ванны расплава становится практически невозможно.

Процесс конвертирования с точки зрения объекта управления можно представить в следующем виде (рисунок 1).

z = {T

Рисунок 1 - Процесс конвертирования как объект управления

Состав (содержание меди Ccu т и цинка Czn шт в штейне) и масса подаваемого в конвертер штейна Ошх являются входными контролируемыми параметрами процесса конвертирования штейнов. Их величины являются координатами вектора х.

Управляющими воздействиями - координатами вектора ü - являются количество добавляемого кварцевого флюса Gs¡o2> расход воздуха G„, длительность циклов ^ т.к. они влияют на выходные показатели процесса конвертирования, а также количество холодных материалов G™, подаваемых в конвертер для поддержания температуры ведения процесса на заданном уровне.

Сама же температура ведения процесса Т является режимным параметром, влияет на выходные показатели и образует координаты вектора z.

К входным неконтролируемым параметрам (координаты вектора F) следует отнести: погрешности в определении состава ДС^ и количества исходных материалов AGuiT, колебания давления ДРВ и температуры ДТ, воздуха.

Выходными показателями процесса конвертирования являются извлечение меди в черновую медь СтвС„ , процентное содержание SOj в отходящих газах С$о2. производительность П, величины которых и образуют координаты вектора у.

Анализ систем управления процессом конвертирования медных штейнов показал, что в настоящее время применяются лишь локальные средства контроля и регулирования.

Контролируются следующие параметры:

- химические составы исходных материалов и расплавленного штейна и шлака, а также содержание S02 в отходящих газах, информация о которых поступает из центральной заводской лаборатории с запаздыванием до нескольких часов;

- температура жидкого штейна, мгновенный расход воздуха, положение воздушной фурмы и конвертера, время продувки измеряются общепринятыми методами с использованием датчиков со стандартным выходным сигналом;

- извлечение меди в черновую медь рассчитывается только по окончании процесса конвертирования.

К существующим на данный момент системам автоматического регулирования процессом конвертирования можно отнести: систему подачи исходных материалов в конвертер; систему автоматического регулирования режима продувки расплава воздухом; аварийные блокировки.

х =

С Си шт ^Znurr

G,

■шт

и =

Gsí02

F = ■

ДСи ÁG

АР»

ДТ„

шт

'из»Си

П

Одним из недостатков существующих средств контроля и управления является погрешность измерений в связи с их сложностью из-за высокой температуры ведения процесса и его периодичности, сложного взаимодействия компонентов среды внутри конвертера и агрессивности жидкого штейна, а также затрудненного доступа к ванне в рабочем положении агрегата. Другим недостатком является большое запаздывание при анализе отобранных проб до нескольких часов.

На основании проведенного анализа, сделаны выводы о необходимости разработки нового модуля контроля и управления (МКУ) процессом конвертирования с использованием устройств вычислительной техники с целью повышения технико-экономических и эксплуатационных характеристик. Данный модуль должен выполнять более широкий круг функций по сравнению с существующими системами:

- прямой и косвенный контроль параметров процесса конвертирования;

- обучение персонала, обслуживающего конвертеры;

- управление процессом конвертирования в режиме «советчика» (расчет управляющих воздействий и выдача рекомендаций по управлению);

- возможность управления в автоматическом режиме.

Сформулированы задачи исследования, связанные с необходимостью создания МКУ процессом конвертирования медных штейнов.

Во второй главе проведен анализ существующих математических моделей, описывающих металлургические процессы, и разработаны математические модели процесса конвертирования медных штейнов, я. также структура и алгоритм работы МКУ этим процессом.

Операции по выработке и принятию управленческих решений основаны на математическом описании рассматриваемого процесса. Поэтому первостепенной задачей разработки МКУ процессом конвертирования медных штейнов является создание математических моделей для косвенного контроля параметров процесса, оперативный контроль которых для целей управления процессом невозможен.

Анализ математического описания пирометаллургических процессов показал, что при моделировании можно использовать нейросетевые, непараметрические, стохастические модели, а также модели на основе материальных балансов.

Однако для построения нейросетевых и непараметрических моделей необходимо большое количество экспериментальных данных, снятых за короткий промежуток времени, что невозможно обеспечить в условиях действующего производства. Поэтому применение таких моделей для описания процесса конвертирования нецелесообразно.

Проведенные исследования показали, что использование моделей на основе материальных балансов приводит к большим погрешностям в связи с невозможностью получения полной информации о процессе из-за сложных взаимодействий компонентов расплава, а также множества протекающих в ванне реакций. Следовательно, такие модели можно использовать лишь в некоторых аспектах, например, для расчета необходимого количества воздуха н кварцевого флюса.

Поэтому для построения моделей, описывающих процесс конвертирования медных штейнов, в работе используются вероятностные модели. В качестве исходных данных для построения моделей выступали экспериментальные зависимости выходных показателей от входных и управляющих воздействий такие, как показано на рисунке 2.

90

80

70

60

во

QnaCi

Gsioa.

Построение регрессионных моделей осуществлялось методом пассивного эксперимента, при котором измерялись прямым методом параметры процесса, и рассчитывались статистические характеристики параметров.

О 0,1 0,2 0.Э 0,4 0,5 О,в 0,7 О.в

Рисунок 2 — Зависимость C^cu

от количества кварцевого флюса

По полученным массивам экспериментальных данных строились полиномиальные регрессионные уравнения с использованием разработанного автором ПО (в системе MathCAD). При этом менялся порядок моделей для каждой пары параметров, и подстраивались коэффициенты уравнений, параллельно с этим осуществлялся анализ их пригодности по корреляционному отношению Т| (или коэффициенту корреляции г) между извлечением меди и содержанием S02 в отходящих газах и входными параметрами процесса, а также по суммарным ошибкам моделей Q. В результате были выбраны такие структуры и коэффициенты моделей, для которых:

т} —> 1 (или г —> 1) и Q —> min.

С использованием множественного регрессиошюго анализа получены многопараметрические математические модели следующего вида:

¡=1 v>1

(1)

где У- выходные параметры, по которым производится оценка эффективности ведения процесса: извлечение меди в черновую медь, содержание 802 в отходящих газах;

х( - входные параметры и управляющие воздействия; а у, 6/ - коэффициенты математической модели; (= 1,2 ...л - номер параметра; у = 1,2 ... т — степень полиномиальной модели.

СшвСи = 0.25-(-0.0035G, + 94.796) +

+ 0.I5(-91.067(GSiO2)2 + 56.88 lGsioi + 82.988) + + 0.2-(0.0014(Ссишт)3 - 0,1299(Ссишт)2 + 4,2532ССишт + 42.748) + + 0.1 •(-1Л893С2п1ОТ+ 98.545) + O.OS-t-O^G^ + 93.162) + + 0.2-С-0.000313Т2 + 0.8116Т-434.9) + 0.05(-0.3228t„ + 95.565)

10.2-(0,0068G, + 7.72) + 0.2-(-0.00015Т2 + 0.39Т - 239) +

(2)

CSo,

+ 0.3-(-0.0007(Gmt) + 0,15G.« + 9,5234) +

(3)

+0.15-(0,0029(ССишт) -0,319Ссишт + 17.659) + + 0.02'(-0.0313С2птт+ 12.313) + 0.13-(-0.00241ц2 + 0.26361« + 7.8911)

Используя полученные модели (2) и (3) в МКУ, можно спрогнозировать значения извлечения меди в черновую медь С^си и содержание Б02 в отходящих газах С5оа до фактического окончания процесса конвертирования без отбора проб и, в соответствии с результатом, скорректировать ход его ведения.

Еще одним параметром, который должен находиться в рабочих пределах по ходу процесса, является температура в конвертере.

Увеличение температуры в конвертере происходит вследствие экзотермично-сти реакций процесса, уменьшение температуры - во время остановок конвертера, слива шлака, и особенно во время загрузки холодных материалов. Поэтому, чтобы поддерживать температуру ведения процесса в рабочих пределах, необходимо в определенные моменты времени загружать в конвертер порции холодных присадок во избежание перегрева конвертера и, как следствие, его разрушения и сокращения срока службы.

Полученные модели позволяют установить время загрузки холодных материалов, что даст возможность вести процесс конвертирования в рабочих пределах температур не допуская перегрева или переохлаждения конвертера.

График изменения и поддержания температуры в рабочих пределах в течение второго периода изображен на рисунке 3.

Рисунок 3 - График изменения температуры в течение второго периода

На рисунке 3 моменты времени 12пср " 90; 115; 140; 165 мин. соответствуют моментам загрузки в конвертер холодных материалов. Количество загружаемых материалов зависит от их химического состава и их реакционности.

Далее, в соответствии с перечисленными при постановке задачи функциями МКУ, были разработаны его структура и функциональная схема, представленная на рисунке 4.

Модуль контроля и управления может работать в следующих режимах:

- в режиме операторного контроля (ИИС—>МИП) - информационно-измерительная система собирает информацию о процессе и производит ее первичную обработку. Затем модуль интерфейса пользователя преобразует ее в вид, удобный для восприятия оператором;

- в режиме операторного управления (ИИС—>МИП—»Б ФУ В) - на основании полученной о процессе информации оператор принимает те или иные управленческие решения. Воздействия оператора на мнемоорганы управления преобразуются модулем интерфейса пользователя в набор входных сигналов для блока формирования управляющего воздействия. Далее этот блок формирует вектор управляющих воздействий для исполнительных механизмов и систем;

МКУ пкмш

ДЬ

Оператор

МИП БФУВ

ОУ

СППР

МОиТр

иис

□Е

эм

X

Рисунок 4 -Функциональная схема модуля контроля и управления: МИП - модуль интерфейса пользователя; БФУВ — блок формирования

управляющего воздействия; СППР - система поддержки принятия решений;

ИИС - информационно-измерительная система; ЭМ - модель функционирования объекта управления; МОиТр — модуль обучения и тренинга.

- в режиме сбора» обработки и просмотра (ОУ->ИИС—>МОиТр->МИП) -собранные информационно-измерительной системой данные поступают в модуль обучения и тренинга, сохраняются в базе данных, обрабатываются прикладным программным обеспечением модуля и отображаются на терминале оператора средствами модуля интерфейса пользователя;

- в режиме тренажера ([ИИС—>]МОиТр—>ЭМ—>СПГ1Р—>МИГ1) - здесь может использоваться как информация, накопленная в базах данных, так и информация, введенная самим пользователем тренажера.

В ходе процесса обучения пользователь может вводить исходную информацию и «управляющие воздействия», которые являются входными данными для моделей, на основе которых функционирует модуля обучения и тренинга. Выходные данные моделей характеризуют действия обучаемого, фиксируются, и после окончания сеанса обучения анализируются на предмет количества и содержания допущенных ошибок.

В этом режиме на терминал пользователя выводятся подсказки и рекомендации по управлению процессом;

- в режиме «советчика» (ИИС—>ЭМ->СППР—»МИЛ—>БФУВ) - информация о ходе реального процесса через информационно-измерительную систему поступает в систему поддержки принятия решений. Ее программное обеспечение, реализованное на основе разработанных моделей, обрабатывает полученную информацию и выдает оператору рекомендации по принятию того или иного управленческого решения. Приняв решение, оператор воздействует на мнемоорганы управления процессом конвертирования;

- в режиме супервнзорного управления, который отличается от режима «советчика» тем, что сгенерированная системой поддержки принятия решений рекомендация реализуется автоматически без участия оператора.

Как показал анализ систем управления процессом конвертирования, первые два режима уже существуют. Реализация остальных выполнена в данной работе.

В третьей главе произведена аппаратно-программная реализация МКУ процессом конвертирования медных штейнов.

В системах автоматизированного управления оператор является ведущим звеном системы, через которое замыкаются основные процедуры управления, поэтому он должен получать всю необходимую, полную информацию о состоянии процесса конвертирования, чтобы принимать технически грамотные и обоснованные управленческие решения.

Для расчета управляющих воздействий и выдачи рекомендаций оператору по управлению процессом конвертирования медных штейнов используется входящая в состав МКУ система поддержки принятия решений. Для функционирования СППР разработан алгоритм ее работы.

Обучение операторов и проведение исследований процесса на действующем оборудовании требует значительных затрат времени и средств, а также может привести к возникновению аварийных ситуаций в случае нарушения порядка проведения операций по управлению процессом конвертирования штейнов, что крайне недопустимо ввиду останова оборудования и потери ценных материалов. Поэтому для решения проблем, связанных с обучением персонала и исследованием процесса, а также выдачи советов оператору по принятию тех или иных действий и решений, разработан входящий в состав МКУ модуль обучения и тренинга (компьютерный тренажер), построенный на базе персонального компьютера.

С учетом особенностей процесса конвертирования медных штейнов, разработан алгоритм работы МОиТр, приведенный на рисунке 5.

Алгоритм позволяет реализовать логическое управление, предусматривающее проверку правильности выполнения оператором последовательности операций в циклах и периодах, выбор положения конвертера на разных стадиях его работы, что необходимо учитывать в данном процессе, поскольку из-за неверного выбора положения конвертера могут засориться фурмы, через которые подается воздух, и конвертер на продолжительное время выйдет из строя, а также может произойти выброс материала из конвертера. Поэтому ни первое, ни второе состояния недопустимы.

В случае неверного очередного действия оператора алгоритм предусматривает сигнализацию аварийного состояния и вывод рекомендаций по дальнейшим действиям оператора.

По предложенному алгоритму функционирует программное обеспечение модуля обучения и тренинга.

На рисунке б представлена мнемосхема процесса конвертирования медных штейнов, отображаемая средствами модуля интерфейса пользователя.

МОиТр реализует логическое управление, описанное в его алгоритме, для этого МИП содержит основные мнемоорганы контроля и управления, которыми являются различные функциональные кнопки и клавиши. МИП также отображает значения основных входных и управляющих параметров, конвертер, операции, выполняемые в текущий момент времени, и графики изменения выходных параметров.

В случае неверных действий оператора МИП выводятся сообщения об этом и рекомендации по дальнейшим действиям оператора.

Предусмотрен режим ускорения времени, который используется для циклических процессов, каким и является процесс конвертирования.

4 ■- - ■ * *

00=10% 0^=20% Са=30% Сй,"«% Со,"бО% Сси=60%

N„-22 Г1ц=1в Ми=14 Ни=Ю ми=< мич

4 _ 4 * 4

фяюсй

штейна.

/ неверна* / ^ ^

о

.¡¡"/фуркы ж закрыты,

рМЛЛШОМ

повернут» яокиртер

випоченм т»ккер» рввоты иэкмртерв

под дутьем

/слнвитсх ~7 /слнп^тс« /

ЦОВК / / 1ИИЙЯ /

31

"^^^варшто* «остянм /Т\

рмрушма» фуюромзгх'

/ ьыюд V У* ратутататр» /

<3

шкц Ч очардаиргого циив/

Рисунок 5 — Блок-схема алгоритма работы информационно-обучающей системы

Рисунок 6 - Мнемосхема процесса, отображаемая средствами МИЛ

В математическом обеспечении компьютерного тренажера использованы разработанные модели (2) и (3), а также модели логического управления температурой процесса и набора обогащенной сульфидной медной массы.

МОиТр как неотъемлемый составной элемент МКУ позволяет исследовать процесс конвертирования медных штейнов, обучать технический персонал принимать обоснованные решения по управлению процессом, выбирать управляющие воздействия и анализировать их влияние на выходные показатели. Таким образом, появляется возможность отработать основные принципы управления процессом конвертирования медных штейнов в штатных режимах и в условиях аварийных ситуаций без вмешательства в реальное производство,

Выбор управляющих воздействий производится из имеющейся базы данных или по разработанным автором математическим зависимостям.

Если при этом значения выходных показателей устраивают оператора, то данные управляющие воздействия посредством СППР переносятся на реальный процесс; если не устраивают, то продолжается выбор необходимого управляющего воздействия, которое позволит получить наилучший результат.

Такой подход позволяет избежать аварийных ситуаций на объекте.

При разработке систем управления исходные данные необходимо представлять в виде пригодном для использования оператором и передачи их непосредственно в ЭВМ. Для этих целей служит информационно-измерительная система, являющаяся элементом МКУ и предназначенная для получения информации о параметрах процесса конвертирования и представления ее МОиТр, СППР и оператору с целью управления процессом и обеспечения безопасной работы конвертера.

Часть параметров, таких как расход воздуха, штейна и кварцевого флюса, продолжительность цикла, температура ведения процесса, могут быть измерены общепринятыми методами с использованием датчиков со стандартным выходным сигналом (например, постоянного тока 5 мА нли напряжения 10 В). ИИС, в этом случае, осуществляет опрос датчиков согласно алгоритму сбора и первичной обработки информации, приведенному и описанному во второй главе диссертации.

Априорная информация о содержании меди и цинка в штейне поступает из центральной заводской лаборатории.

Другие параметры, такие как извлечение меди в черновую медь и содержание БОг в отходящих газах, не поддающиеся прямому измерению, рассчитываются при помощи математических моделей (2) и (3).

По полученным данным может быть сформирована таблица о текущем состоянии процесса, хранящаяся в памяти модуля, данные из которой могут использоваться в режимах обучения и управления процессом.

Функциональная схема ИИС приведена на рисунке б.

САЫ

контроллер ■

САН

трансивер

Цепи ввода/вывода

-ТШР

1 группа датчиков конвертера

ПврК1

ДП

Ж

УКВ трансфер

Микро контроллер

I

САН контр отер

ТК

Радио модем

САИ трансивер

N группа датчиков конвертера

Среда передачи данных -витая.пара

Рисунок 6 - Функциональная схема локального комплекса ИИС

Нижний уровень ИИС представлен датчиками измерения параметров процесса конвертирования.

На втором уровне ИИС представлена локальными комплексами, обеспечивающими сбор информации о параметрах процесса, их контроль (сравнение с нормальными и аварийными уставками), а также поддержку сетевого протокола связи с ЭВМ оператора.

Локальный комплекс построен по принципу САК-сети. Он состоит из терминального контроллера (ТК) и периферийных контроллеров (ПерК), размещаемых в непосредственной близости от объекта управления (отдельно взятого конвертера) и обеспечивающих сбор информации, прием команд и выдачу информации в ТК. Весь обмен информацией между ПерК и ТК обеспечивается посредством локальной сети в последовательном формате. Для этой связи используется витая пара. ТК одновремен-

но является ведущим узлом в САЫ-сети и мостом, обеспечивающим связь с диспетчерским пунктом (ДП).

Количество и места размещения ПерК зависят от состава оборудования конвертерного узла, его размещения, а также от доступного количества входов/выходов в ПерК.

Разработаны принципиальные схемы периферийных и терминального контроллеров.

Важнейшей компонентой ИИС является подсистема передачи данных от ТК к ДП по радиоканалу. Физически канал передачи данных представляет собой радиочастоту порядка 170 МГц, точное значение которой определяется диапазоном частот радиоканалов, арендуемых предприятием.

На верхнем уровне ИИС представлена диспетчерским пунктом, с которого и осуществляется контроль и управление процессом конвертирования. В состав аппаратных средств ДП входят:

- персональный компьютер, обеспечивающий функционирование ИИС и

МИЛ;

- радиомодсм, обеспечивающий сопряжение ПК с УКВ трансивером и преобразование цифрового потока данных в аналоговый сигнал и обратно;

- УКВ трансивер, обеспечивающий связь между ДП и локальным комплексом.

Таким образом, ИИС позволяет получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования (от датчиков, из центральной заводской лаборатории и по разработанным автором математическим моделям) и представлять ее на МИП. Поступившая информация сохраняется в базе данных и в последующем может использоваться в следующих режимах МКУ: режиме тренажера, «советчика», а также в режиме супервизорного управления процессом.

В конечном итоге можно отметить, что модуль контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов может использоваться:

- для исследования процесса конвертирования с целью изучения процесса, анализа влияния входных параметров и управляющих воздействий на ход процесса и на величины выходных показателей без вмешательства в реальное производство;

- для обучения технического персонала принятию обоснованных управленческих решений;

- для управления в режиме «советчика» с коррекцией хода реального процесса в условиях действующего производства, т.е. для управления процессом конвертирования медных штейнов;

- для автоматического управления процессом конвертирования.

Применение модуля контроля и управления позволяет:

- значительно сэкономить время исследования процесса;

- не допускать неоправданного недоизвлечения цветного металла и избегать аварийных ситуаций;

- отработать основные принципы управления процессом конвертирования в штатных режимах и в условиях аварийных ситуаций;

- формировать у обучаемого психологическую готовность осуществления четких и правильных действий в случае возникновения нештатных ситуаций;

- улучшить основные технико-экономические показатели процесса конвертирования путем выбора и реализации квазиоптимальных режимов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненной работы с помощью методов имитационного моде-лировапия и статистической обработки экспериментальных данных решена задача синтеза модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, основанного на полученных автором математических моделях. При этом получены следующие основные результаты:

1) Разработаны математические модели, позволяющие осуществлять прогноз значений процентного извлечения меди в черновую медь Сиэвси и процентного содержания БОг в отходящих газах С501 до фактического окончания процесса конвертирования и, в соответствии с результатом, корректировать ход его ведения.

Использование разработанных математических моделей в модуле контроля и управления производства меди позволяет получить экономический эффект за счет увеличения извлечения меди и сопутствующих компонентов.

2) Предложена модель логического управления температурой процесса.

3) Предложены структура и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, позволяющие:

- реализовать непрерывный косвенный контроль основных параметров процесса;

- анализировать влияние основных входных параметров и управляющих воздействий на показатели качества процесса конвертирования (извлечение меди в черновую медь, процентное содержание БОг в отходящих газах, температуру);

- осуществлять управление процессом конвертирования в режиме «советчика».

4) Разработаны элементы модуля контроля и управления:

- схемные решения информационно-измерительной системы, работающей на основе предложенного алгоритма и позволяющей получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей;

- математическое и прикладное программное обеспечение модуля обучения и тренинга, позволяющего исследовать процесс и проводить обучение технического персонала и студентов принятию обоснованных решений при управлении процессом конвертирования медных штейнов в штатных режимах и в условиях аварийных ситуаций без вмешательства в реальное производство.

Результаты диссертации могут быть использованы также для обучения операторов на производстве.

Список опубликованных работ ло теме диссертации:

1) Даныкина Г. Б. Разработка систем нейроуправления в МаЛаЬ б // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование технологий производства цветных металлов" - КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2002, - с. 38-40.

2) Даныкина Г. Б. Компьютерный тренажер для исследования процесса конвертирования медных штейнов // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование технологий производства цветных металлов" - КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2002. -с. 145-146.

3) Даныкина Г. Б., Горенский Б.М. Автоматизированные обучающие системы для изучения процесса конвертирования медных штейнов // Сборник научных трудов "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика", выпуск 8, часть 1. - КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2002. - с. 205-207.

4) Даныкина Г. Б. Автоматизированная система имитационного управления процессом конвертирования медных штейнов // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых" -ГОУ ВПО «КГАЦМиЗ». - Красноярск, 2003. - с. 157 - 158.

5) Даныкина Г. Б. Разработка и исследование математических моделей процесса конвертирования медных штейнов // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки полезных ископаемых" - ГОУ ВПО «КГАЦМиЗ». - Красноярск, 2003. - с. 183 - 185.

6) Даныкина Г. Б. Имитационное управление процессом конвертирования медных штейнов // Сборник научных трудов "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика", выпуск 9, часть 2. - КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2003. -с. 131-133.

7) Даныкина Г. Б. Имитационная система управления первой стадией конвертирования медных штейнов // Сборник научных трудов "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика", выпуск 10, часть 1. - КГАЦМиЗ. - Красноярск, 2004. -.с. 75-77.

8) Даныкина Г. Б. Алгоритм работы компьютерного тренажера первого периода процесса конвертирования медных штейнов // Сборник статей юбилейной Международной научно-практической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров". - Пенза, 2004. - с. 57-60.

9) Даныкина Г. Б., Горенский Б.М. Использование компьютерных тренажеров для реализации ситуационного управления процессом конвертирования медных штейнов И Межвузовский сборник статей " Оптимизация режимов работы электротехнических систем". - КГТУ. - Красноярск, 2004. - с. 132-137.

10) Горенский Б.М., Даныкина Г. Б. Управление технологическими процессами цветной металлургии на основе имитационных моделей // Межвузовский сборник статей " Оптимизация режимов работы электротехнических систем". - КГТУ. - Красноярск, 2004. - с. 137-143.

11) Даныкина Г. Б. Новые информационные технологии в управлении процессом конвертирования штейнов // Сборник материалов международной научно-практической конференции "Внутривузовские системы обеспечения качества подготовки специалистов". - ГУЦМиЗ. - Красноярск, 2004. - с. 228-231.

12) Даныкина Г. Б. Компьютерный тренажер процесса конвертирования медных штейнов // Вестник КрасГАУ. - 2006. - № 12. - с. 46-50.

13) Свидет. об офиц. регистр, программы для ЭВМ № 2006613286 «Автоматизированная информационно-обучающая система процесса конвертирования медных штейнов». / Г.Б. Даныкина (1Ш); Заявл. 18.07.2006, № 2006612469; Зарегистр. - М.: РОСПАТЕНТ 18,09.06.

Подписано в печать 24.10.2006. Заказ №_

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Отпечатано на участке множительной техники ГУЦМиЗ 660025, г, Красноярск, ул. Вавилова, 66"

Введение.

1 Анализ систем управления процессом конвертирования штейнов.

1.1 Технологический процесс конвертирования штейнов.

1.1.1 Основы процесса конвертирования.

1.1.2 Влияние основных факторов на процесс конвертирования.

1.2 Управление процессом конвертирования медных штейнов.

1.2.1 Процесс конвертирования как объект автоматического контроля и управления.

1.2.2 Автоматический контроль процесса.

1.2.3 Автоматическое регулирование процесса.

1.3 Информационные технологии как средства реализации управления процессом конвертирования.

1.4 Выводы по первой главе и постановка задач исследования.

2 Моделирование процесса конвертирования медных штейнов.

2.1 Математические модели процесса конвертирования медных штейнов.

2.1.1 Анализ состояния моделирования металлургических процессов.

2.1.2 Разработка математических моделей процесса конвертирования медных штейнов.

2.2 Структура модуля контроля и управления.

2.3 Функции и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

2.4 Выводы по второй главе.

3 Реализация модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3.1 Система поддержки принятия решений при управлении процессом конвертирования.

3.1.1 Принципы построения СППР.

3.1.2 Алгоритм работы СППР.

3.1.3 Расчет управляющих воздействий в СППР.

3.2 Модуль обучения и тренинга - компьютерный тренажер процесса конвертирования медных штейнов.

3.2.1 Основные принципы и требования, предъявляемые к построению модуля обучения и тренинга.

3.2.2 Алгоритм работы модуля обучения и тренинга.

3.2.3 Реализация модуля обучения и тренинга.

3.3 Информационно-измерительная система оперативного контроля за ходом процесса конвертирования.

3.3.1 Система датчиков.

3.3.2 Локальные комплексы.

3.3.3 Подсистема передачи данных.

3.3.4 Диспетчерский пункт.

3.4 Использование модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3.4.1 Использование элементов модуля для исследования процесса конвертирования.

3.4.2 Использование элементов модуля для обучения технического персонала принятию обоснованных решений.

3.4.3 Использование модуля для управления процессом конвертирования.

3.5 Выводы по третьей главе.

Актуальность проблемы. Конвертирование медных, никелевых и медно-никелевых штейнов является одним из основных переделов, определяющих эффективность процесса переработки сульфидных руд. Сущность процесса конвертиро-вания заключается в окислительной обработке (продувке) медного штейнового расплава воздухом или дутьем, обогащенным кислородом, с целью преимущественного окисления железа и серы.

Повышение технико-экономических показателей процесса конвертирования может быть достигнуто за счет выбора обоснованных параметров процесса. Анализ существующих систем управления процессом конвертирования медных штейнов показал, что процесс слабо автоматизирован и оснащен лишь несколькими локальными системами автоматического регулирования (САР). Периодичность, высокая температура ведения процесса (более 1000°С) и невозможность оперативного контроля большинства т- технологических показателей существеннно затрудняют управление им. Кроме того недостаточно развито математическое описание процесса конвертирования, поскольку к изучению гидродинамики и массообмена ванны расплава с использованием математических методов приступили не так давно. Для серьезных теоретических расчетов по гидродинамике и массообмену ванны расплава турбулентные характеристики (числа Рейнольдса и Пекле, кинематическая вязкость и др.) просто отсутствуют, как и доказательный механизм взаимодействия газовых струй с расплавами. Работы в этом направлении велись И.А. Блатовым, А.Б. Паршуковым, И.В. Деревцовым, О.И. Желдыбиным, Л.Ш. Цемехманом по расчетам материальных и тепловых ба-'ц лансов; З.Г. Салиховым, А.В. Спесивцевым, А.П. Щетининым, Е.В. Навиль-никовым по изучению кинетики конвертирования медно-никелевых штейнов путем объединения всех возможных химических реакций, протекающих в ванне расплава, и представления их в виде графа; Цымбалом В.П. на основе физико-химических представлений о сталеплавильном конвертерном процессе. Во всех работах принимались различные условности. Нет универсальных моделей, описывающих процесс конвертирования.

Отсутствие математических моделей различных уровней для компьютерного исследования металлургических процессов может приводить к необходимости вмешательства в производство со всеми вытекающими негативов1' ными последствиями, что является неоправданным риском.

Поэтому разработка модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов на основе корректных математических моделей с целью повышения технико-экономических показателей является актуальной.

Задачи контроля и управления процессом могут быть решены за счет разработки и внедрения высокоорганизованных автоматизированных систем управления и (или) повышения квалификации обслуживающего персонала.

Первое направление хотя и является более эффективным, однако требует больших затрат времени и средств, а также сопряжено с возможностью возникновения аварийных ситуаций при внедрении. Второе позволяет обучать технический персонал принимать обоснованные решения при управлении процессом, что снизит риск аварийных ситуаций и потери металла. Обучение персонала наиболее эффективно осуществляется с помощью компьютерных тренажеров (модулей обучения и тренинга), которые могут существовать самостоятельно или включаться в состав системы поддержки принятия решений.

Объектом исследования является система управления горизонтальным конвертером.

Предметом исследования является процесс конвертирования медных * штейнов.

Целью исследования является разработка модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические модели для контроля выходных параметров процесса конвертирования медных штейнов (извлечения меди в черновую медь, процентного содержания S02 в отходящих газах, температуры ведения процесса).

2. Разработать структуру и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3. Разработать элемент модуля контроля и управления - информационно-измерительную систему, позволяющую вести оперативный контроль за ходом процесса конвертирования и получать информацию об основных технологических параметрах.

4. Разработать математическое и программное обеспечение модуля обучения и тренинга, являющегося элементом модуля контроля и управления и позволяющего исследовать процесс конвертирования, получать дополнительную информацию о процессе, обучать персонал корректному ведению процесса, вырабатывать рекомендации по управлению процессом.

Методы исследования. Основные научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, базируются на применении методов имитационного моделирования, методов мгновенных материальных и тепловых балансов и методов статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы состоит в предложенных структуре и алгоритмах работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов на основе разработанного математического обеспечения модуля обучения и тренинга, а также в математических моделях зависимостей показателей качества процесса конвертирования медных штейнов (процентного извлечения меди в черновую медь, процентного содержания S02 в отходящих газах) от основных входных параметров и управляющих воздействий (расхода воздуха, содержания меди и цинка в штейне, количества штейна и добавляемого кварцевого флюса, температуры процесса и продолжительности цикла), что позволяет с помощью информационно-измерительной системы оперативно рассчитывать изменение выходных показателей без взятия проб и проведения химанализа.

Значение для теории:

1. Математические модели зависимости выходных показателей процесса конвертирования медных штейнов - извлечения меди в черновую медь, процентного содержания S02 в отходящих газах - от основных входных параметров, позволяющие посредством информационно-измерительной системы проводить оперативный контроль показателей качества процесса, развивающие его математическое описание в целом, а также модель логического управления температурой ведения процесса.

2. Структура и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, позволяющие проанализировать влияние основных входных параметров (содержания меди и цинка в штейне, количества штейна) и управляющих воздействий (расхода воздуха, количества добавляемого кварцевого флюса и холодных материалов, продолжительности цикла) на показатели качества процесса и осуществить управление процессом конвертирования в режиме «советчика».

Значение для практики:

1. Информационно-измерительная система, позволяющая получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей;

2. Модуль обучения и тренинга, позволяющий проводить исследование процесса конвертирования медных штейнов, обучение персонала и студентов навыкам управления процессом без вмешательства в реальное производство.

Достоверность полученных данных подтверждается корректным применением математических методов, адекватностью разработанных математических моделей.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы путем внедрения в практику следующих предприятий и учреждений: ОАО «Краспромавтоматика», ООО «НПО Элкомтранс», ГОУ ВПО «Государственный университет цветных металлов и золота», Красноярского индустриально-металлургического техникума и Красноярского промышленного колледжа.

Перспективы дальнейшего использования результатов диссертации заключаются в практике проектирования и эксплуатации модулей контроля и управления процессами в цветной металлургии и методологии создания компьютерных тренажеров.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Математические модели, позволяющие осуществлять прогноз значений процентного извлечения меди в черновую медь Сизвси и процентного содержания S02 в отходящих газах С50г до фактического окончания процесса конвертирования.

2) Структура и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов.

3) Элемент модуля контроля и управления - информационно-измерительная система, позволяющая получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей.

4) Математическое и программное обеспечение модуля обучения и тренинга, применяемого для исследования процесса конвертирования медных штейнов и обучения персонала навыкам управления процессом без вмешательства в реальное производство.

Апробация результатов. Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Совершенствование технологий производства цветных металлов" (Красноярск, 2002, 2003, 2004 г.г.); на Международной научно-практической конференции "Внутривузовские системы обеспечения качества подготовки специалистов" (Красноярск, 2004 г.); на Юбилейной Международной научно-практической конференции "Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров" (Пенза, 2004 г.);

- на научных семинарах кафедр «Прикладная математика и автоматизированные системы управления», «Высшая математика», «Автоматизация производственных процессов» Государственного университета цветных металлов и золота, «Системы автоматики, автоматизированного управления и проектирования», «Электрификация промышленных предприятий» Красноярского государственного технического университета.

Основные идеи работы публиковались в центральной печати (журнал Вестник КрасГАУ) и в различных сборниках научных трудов международного, всероссийского, регионального и межвузовского уровней.

3.5 Выводы по третьей главе

1) Система поддержки принятия решений на базе математических моделей выходных показателей позволяет рассчитывать развитие процесса конвертирования, рекомендовать уставки регуляторов в зависимости от сложившихся производственных условий, а также оценить влияние выбранных или рассчитанных управляющих воздействий.

2) Модуль обучения и тренинга (компьютерный тренажер) позволяет исследовать процесс конвертирования медных штейнов и обучить технологический персонал принимать обоснованные решения по управлению процессом. МОиТр позволяет оператору в диалоговом режиме анализировать влияние основных входных параметров и управляющих воздействий на показатели качества процесса, выбрать управляющие воздействия и оценить их влияние на выходные показатели, отработать основные принципы управления процессом конвертирования медных штейнов, а также осуществлять управление процессом конвертирования в режиме «советчика».

3) ИИС позволяет получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования (от датчиков и из центральной заводской лаборатории), таких как содержание меди и цинка в штейне, расход воздуха, штейна и кварцевого флюса, продолжительность цикла, температура ведения процесса, и представлять полученную информацию на диспетчерский пункт оператора. Поступившие данные сохраняются в базе данных и в последующем используются в МОиТр и СППР.

4) Модуль контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов может работать в следующих режимах:

- в режиме сбора, обработки и просмотра (для исследования процесса конвертирования с целью изучения процесса, анализа влияния входных параметров и управляющих воздействий на ход процесса и на величины выходных показателей без вмешательства в реальное производство);

- в режиме тренажера (для обучения технического персонала принятию обоснованных управленческих решений);

- в режиме «советчика» (для управления с коррекцией хода реального процесса в условиях действующего производства);

- в режиме супервизорного управления процессом конвертирования.

5) С точки зрения управления данными модуль контроля и управления представляет собой сложную систему (наличие обратных связей, влияние хода одних режимов на результат работы других).

6) Применение модуля контроля и управления позволяет:

- значительно сэкономить время исследования процесса;

- не допускать неоправданного недоизвлечения цветного металла и избегать аварийных ситуаций;

- отработать основные принципы управления процессом конвертирования в штатных режимах и в условиях аварийных ситуаций;

- формировать у обучаемого психологическую готовность осуществ ления четких и правильных действии в случае возникновения нештатных ситуаций;

- улучшить основные технико-экономические показатели процесса конвертирования путем выбора и реализации квазиоптимальных режимов работы.

7) Созданное в среде Delphy программное обеспечение решает все поставленные задачи перед модулем контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов. Ф

Заключение

В результате выполненной работы с помощью методов имитационного моделирования и статистической обработки экспериментальных данных решена задача синтеза модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, основанного на полученных автором математических моделях. При этом получены следующие основные результаты:

1) Разработаны математические модели, позволяющие осуществлять прогноз значений процентного извлечения меди в черновую медь СИЗЕси и процентного содержания S02 в отходящих газах С30г до фактического окончания процесса конвертирования и, в соответствии с результатом, корректировать ход его ведения.

Использование разработанных математических моделей в модуле контроля и управления производства меди позволяет получить положительный эффект за счет увеличения извлечения меди и сопутствующих компонентов.

2) Предложена модель логического управления температурой процесса.

3) Предложены структура и алгоритмы работы модуля контроля и управления процессом конвертирования медных штейнов, позволяющие:

- реализовать непрерывный косвенный контроль основных параметров процесса;

- анализировать влияние основных входных параметров и управляющих воздействий на показатели качества процесса конвертирования (извлечение меди в черновую медь, процентное содерлсание S02 в отходящих газах, температуру);

- осуществлять управление процессом конвертирования в режиме «советчика».

4) Разработаны элементы модуля контроля и управления:

- схемные решения информационно-измерительной системы, работающей на основе предложенного алгоритма и позволяющей получать оперативную информацию о параметрах процесса конвертирования и представлять ее модулю обучения и тренинга, системе поддержки принятия решений и оператору для контроля и управления процессом с целью повышения технико-экономических показателей;

- математическое и прикладное программное обеспечение модуля обучения и тренинга, позволяющего исследовать процесс и проводить обучение технического персонала и студентов принятию обоснованных решений при управлении процессом конвертирования медных штейнов в штатных режимах и в условиях аварийных ситуаций без вмешательства в реальное производство.

Результаты диссертации могут быть использованы также для обучения операторов на производстве.

1. Гречко А.В., Ковган П.А. Способы прямой плавки сульфидного сырья на белый матт или черновую медь // Цветные металлы, 1996. № 3. -с. 20-26.

2. Ванюков П.А. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. -М.: Металлургия, 1988.

3. Грейвер Н.С., Клушин Д.Н. Основы металлургии. М., 1961. - 780с.

4. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Теория пирометаллургических процессов М.: Металлургия, 1973. - 504с.

5. Металлургия меди, никеля, кобальта / И.Ф. Худяков, А.И. Тихонов -М.: Металлургия, 1977. 271с.

6. Теория металлургических процессов: учеб. пособие для ВУЗов / С.И. Попель, А.И. Сотников, В.Н. Буронсиков. М: Металлургия, 1986.

7. Бледнов Б.П. Конвертирование в металлургии меди и никеля: Учеб. пособие Красноярск: ГУЦМиЗ, 2002.

8. Уткин Н.И. Металлургия цветных металлов. М.: Металлургия, 1985.-438с.

9. Уткин Н.И. Цветная металлургия (технология отрасли): учебник для техникумов, 1990. -448с.

10. Автогенные процессы в цветной металлургии./ В.В. Мечев, В.П. Быстров, А.В. Тарасов, А.В. Гречко, Э.Н. Мазурчук. М.: Металлургия, 1991.-412с.

11. П.Джусупов А.А. Диагностика технологических режимов экологически опасных производств //Цветная металлургия, 2002. № 1.-е. 69-72.

12. Тарасов А.В. Новое в металлургии меди // Цветные Металлы, 2002. -№2.-с. 38-45.

13. Шокобаев Т.Д. Статистическое исследование производительности конверторов медеплавильного производства // Цветные металлы, 1975. № 10.-е. 18-19.

14. Носов B.C., Кузьмин Л.И. Теплопередача через футеровку горизонтальных конвертеров // Цветные металлы, 1975. № 6. - с. 32-34.

15. Теплофизические свойства медно-никелевых штейнов / Б.П. Не-двецкий, И.Н. Зедина, С.Е. Вайсбурд, Л.Ш. Цемехман, Н.Б. Левин // Цветные металлы, 1975. № 4. - с. 36-37.

16. Автоматизация управления металлургическими процессами / В.Ю. Каганов, О.М. Блинов, A.M. Беленький М.: Металлургия, 1974. - 416 с.

17. Диомидовский Д.А. Печи цветной металлургии. М.: Металлургиз-дат, 1956г.

18. Расчеты пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной ^ металлургии: учеб. пособие для вузов / А.А. Гальнбек, Л.М. Шалыгин, Ю.Б.

19. Шмонин. Челябинск: изд-во "Металлургия", Челябинское отделение, 1990. -448с.

20. А.с. 1515732 СССР. Способ конвертирования медного никельсо-держащего белого штейна / А.П. Кончаков, С.В. Сухарев, В.А. Потанцев, В.Б. Фомичев, Ю.Ф. Мельнике, А.В. Петрушов. №4305867 / 23 - 02; заявл. 15.09.87; опубл. 15.06.89.

21. Воробьев В.А., Пичугин В.В. Воздушный режим горизонтальных конвертеров для переработки никелевого штейна // Цветные металлы, 1975. -№ 12.-е. 22.

22. Шалыгин Л.М. Оценка энерготехнологической и экологической эффективности применения кислорода при конвертировании штейнов // Цветные металлы, 1996. № 2. - с. 12-16.

23. Диомидовский Д.А. Контроль и автоматизация процессов цветной металлургии. -М.: Металлургиздат, 1968г. 650 с.

24. Липухин Ю.В. Автоматизация основных металлургических процессов. М.: Металлургия, 1990. - 278с.

25. Липухин Ю.В. Автоматизация металлургических агрегатов. М.: Металлургия, 1992.-304с.

26. Контроль и автоматизация металлургических процессов: учебник / Г.М. Глинков, А.И. Косарев, Е.К. Шевцов. -М: Металлургия, 1990.

27. АСУ ТП в металлургии / Р.Б. Медведев, Ю.Б. Бондарь, В.Д. Рома-ненко. М: Металлургия, 1987.

28. Бочков Д.А. Автоматизированные системы управления металлургическим производством: учеб. пособие для студентов металлургии, спец. ВУЗов. -М.: Металлургия, 1991.

29. Дмитриевский Б.С. Автоматизированное управление производственными процессами: учеб. пособие ТГТУ. Тамбов, 1996.

30. Автоматическое управление металлургическими процессами: Меж-вуз. сб. науч. тр. / Магнитог. Гос. Горно-Металлургич. Академия / Ред. Бло-хин A.M. Магнитогорск, 1994. - 115с. - рус. ISBN 5-230-10737-5.

31. Велько Х.М. Комплексная автоматизация металлургических процессов // Международная конференция "Черная металлургия России и стран СНГ в 21в".-Москва, 6-10 июня 1994, т.1.-с. 161-163.

32. Устройство контроля температуры металла в конверторе /B.C. Бо-гучевский, И.И. Кочков, Н.А. Сорокин, С.К. Соболев А.С. СССР №1073290, опубликовано 15.02.84. Бюллетень №6 (по ультразвуковым колебаниям).

33. Применение ЭВМ для тернодинамических расчетов металлургических процессов / Г.Б. Синярев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов М.: Наука, 1982. 260с.

34. Компьютерные технологии обработки информации: учеб. пособие / Назаров С.В. и др. -М.: Финансы и статистика, 1995.

35. Опыт использования информационных технологий для повышения эффективности работы / И.А. Мошаев, Ю.В. Корнеев, Р.Д. Мигачев // Безопасность труда в промышленности, 1999. № 11.-е. 20-23.

36. Основные тенденции развития и внедрения автоматизированных информационных систем // Информационный сборник. М.: ЦНИИГАИК, 1994.-40с.

37. Компьютеризация учебного процесса в техническом вузе. Содержание и технология разноуровневого образования. Труды межвузовских научно-практических конференций. Новокузнецк, 1994-1995.

38. Горенский Б.М., Даныкина Г. Б. Управление технологическими процессами цветной металлургии на основе имитационных моделей // Межвузовский сборник статей " Оптимизация режимов работы электротехнических систем". КГТУ. - Красноярск, 2004. - с. 137-143.

39. Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии. Труды Всесоюзного совещания. Новокузнецк, 1991.

40. Кафаров В.В. Принципы математического моделирования физико-технологических систем. М.: Химия, 1974.

41. Горенский Б.М. Математическое моделирование и оптимизация технологических систем в цветной металлургии: Учеб. пособие / КИЦМ, Красноярск, 1994. 152с.

42. Цымбал В.П. Введение в теорию самоорганизации. С примерами из металлургии: Учебное пособие. СибГГМА. Новокузнецк, 1997. 251с.

43. Математическая модель процесса конвертирования медно-никелевых штейнов / И.А. Блатов, А.Б. Паршуков, И.В. Деревцов, О.И. Жел-дыбин, Л.Ш. Цемехман // Цветные металлы, 1998. № 8. - с. 22-25.

44. Цымбал В.П. Математическое моделирование металлургических процессов: Учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1986. - 240с.

45. Веселая Г.Н., Егорова Н.В. О математических моделях технологических процессов, полученных по данным пассивных наблюдений / Проблемы планирования эксперимента. Под.ред. Г.К. Круг. М.: Наука, 1969.

46. Лукаш А.С. Разработка многокритериальных математических моделей и алгоритмов автоматизированного управления технологическими процессами электрошлаковой технологии // Проблемы специальной электрометаллургии, 1985. № 3. - с. 14-19.

47. Непараметрические модели коллективного типа / А.В. Лапко, В.А. Лапко, М.И. Соколов, С.В. Ченцов. Новосибирск: Наука, 2000.

48. Катковник В .Я. Непараметрическая идентификация и сглаживание данных: метод локальной аппроксимации. М.: Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 336с.

49. Медведев А.В. Непараметрические системы адаптации. Новосибирск: Наука, 1983.- 174с.

50. Математическое программирование для планирования периодических процессов, основанное на непостоянном времени дискретизации.

51. Распределенные системы управления периодическими и непрерывными процессами. Seamless integration of multiple batch and continuous processes / Shaw P. // Spec. Chem. 1994. - 14, № 6. - c. 385-386, англ.

52. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480с.

53. Ф 58.Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей. М.: СП ПараГраф, 1991.

54. Neural Network Toolbox. For Use with MATLAB: User's Guide. -Natick: The Math Works, Inc., 2000. pp. 209-248.

55. Гультяев A.K. Matlab 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практ. пособие. Спб.: Корона, 1999.

56. Сигеру Омату Нейроуправление и его приложения. Кн.2./Пер. с англ. М.:ИПРЖР, 2000. - 272с.

57. Clarke, D.W. and С. Mohtadi, «Properties of generalized predictive control», Automatica, Vol. 25, pp. 859-875, 1989.

58. Narendna, K.S. and K. Parthasarathy, «Identification and control of dynamical systems using neural networks», IEEE Trans, or. Neural Networks, Vol. l,pp. 4-27, 1990.

59. Khalid, M. and S. Omatu, «А neural network controller for a temperature control system», IEEE Control Systems Magazine, Vol. 12, pp.58-64, 1992.

60. Hunt, K.J., D. Sbarbaro, R. Zbikowski, and P.J. Gawthrop, «Neural net1. works for control systems a survey», Automatica. Vol. 28, pp. 1083-1112. 1992.

61. Лапко А.В. Имитационные модели неопределенных систем. — Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1993. — 112с.

62. Черненький В.М Имитационное моделирование: практ. пособие. -М.: Высшая школа, 1990.

63. Имитационное управление неопределенными объектами / В.И. Васильев, В.В. Коноваленко, Ю.И. Горелов. Киев: Наук. Думка, 1989. — 216с.

64. Гультяев А. Визуальное моделирование в среде MatLab: учебный курс. СПб.: Питер, 2000. - 432с.

65. Уткин В.Б., Балдин К.В. Информационные системы и технологии в экономике: учебник для вузов. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 335с.

66. Даныкина Г. Б. Имитационное управление процессом конвертирования медных штейнов // Сборник научных трудов "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика", выпуск 9, часть 2. — КГАЦМиЗ. -Красноярск, 2003. с. 131 - 133.

67. Лецкий Э.К. Последовательные алгоритмы вычисления коэффициентов регрессионной модели / Проблемы планирования эксперимента. Под.ред. Г.К. Круг. -М.: Наука, 1969.

68. Рубан А.И. Методы анализа данных. Учеб. пособие: в 2-х ч. 4.2 / КГТУ, Красноярск, 1994. 125с.

69. Рубан А.И. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособие: в 2-х ч. / КГТУ, Красноярск, 1996.

70. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. -М.: Наука, 1971.

71. Бородин С.А. Эконометрика: учеб. пособие. 2-е изд., испр. — Мн.: Новое знание, 2004. -416с.

72. Семененко М.Г. Математическое моделирование в MathCad. — М.: Альтекс-А, 2003.-208с.

73. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCad 7 в математике, физике и в Internet. М.: "Нолидж", 1999. - 352с.

74. Топчаев В.П. Состояние и перспективы автоматизации технологических процессов в металлургии //Цветные металлы, 2002. № 2. - с. 118-120

75. Стефании Е.П. Основы построения АСУ ТП: учеб. пособие для ВУЗов. М.: Энергоиздат, 1982. - 352с.

76. Лапаев И.И., Буралков А.А. Автоматизация технологических процессов металлургических предприятий: учеб.-метод. Пособие / ГАЦМиЗ. -Красноярск, 1998. 136с.

77. Буровой Н.В., Горин В.Н. Автоматическое управление химико-металлургическими процессами с сосредоточенными параметрами. М.: Металлургия, 1997.

78. Рей У.Методы управления технологическими процессами. М.: Мир, 1983.

79. ЭВМ в управлении технологическими процессами: учеб. пособие / Б.М. Горенский, А.А. Буралков, В.А. Казинникова / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1998.- 184с.

80. Горенский Б.М Автоматизированные системы имитационного управления объектами цветной металлургии: Монография / ГАЦМиЗ. -Красноярск, 2002. 152 с.

81. Ахметсафин Р. Разработка тренажеров и отладка проектов АСУ ТП на базе пакетов MM/SCADA // Современные технологии автоматизации, 1998.-№3,-с. 38-41.

82. Диалоговая система оперативного управления металлургическим производством / В.П. Кузнецов, Н.Н. Лиховенко, А.П. Колпаков. М.: Металлургия, 1987.

83. Михайленко С.А. Система имитационного управления энергообъектами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Красноярск, 1998.

84. Новые информационные технологии в управлении металлургическими процессами: лаб. практикум / Б.М. Горенский, Ю.Н. Чурсанов, А.В. Киселев, О.Е. Халикова / ГАЦМиЗ. Красноярск, 1999. - 80с.

85. Цейдлер А.А. Расчеты по металлургии тяжелых металлов. М.: Ме-таллургиздат.

86. Даныкина Г. Б. Имитационная система управления первой стадией конвертирования медных штейнов // Сборник научных трудов "Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика", выпуск 10, часть 1. -КГАЦМиЗ. Красноярск, 2004. - с. 75-77.

87. Даныкина Г. Б. Компьютерный тренажер процесса конвертирования медных штейнов // Вестник КрасГАУ. 2006. - № 12. - с. 46-50.

88. Гусев С. Краткий экскурс в историю промышленных сетей. Современные технологии автоматизации №4, 2000 г. с. 78 84.

89. Третьяков С. A. CAN на пороге нового столетия. Мир компьютерной автоматизации. №2, 1999 г.

90. МСР2502Х/05Х CAN I/O Expanders Family. DS21664B. Microchip Technology Inc. 2001.

91. Richards P. AN815. Understanding the MCP250XX Devices.

92. DS00815A. Microchip Technology Inc. 2001.

93. MCP2510. Stand-Alone CAN Controller with SPI™ Interface. DS21291C. Microchip Technology Inc. 2001.

94. FX919B. 4 Level FSK Modem Data Pump. Consumer Microcircuits Limited. D919B. 1997.