автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Построение математического и алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты на агломерационной машине конвейерного типа

Череповецкий государственный университет

На правах рукописи

СЕЛЯНИЧЕВ ОЛЕГ ЛЕОНИДОВИЧ

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ СПЕКАНИЯ ШИХТЫ НА АГЛОМЕРАЦИОННОЙ МАШИНЕ КОНВЕЙЕРНОГО ТИПА

Специальность: 05.13.14 - системы обработки информации и

управления

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Ершов Е.В.

Череповец - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. Общая характеристика управления процессом спекания агломерационной шихты 11

1.1. Анализ существующих методов управления процессом спекания шихты 11

1.2. Характеристика процесса спекания шихты как объекта оптического контроля и управления 21

1.3. Постановка задачи синтеза оптико-электронной системы управления процессом спекания агломерационной шихты 35

ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки управления процессом спекания агломерационной шихты с использованием оптико-электронного метода 43

2.1 Математическое описание процесса формирования изображения излома спекаемого слоя в разгрузочной части агломерационной машины 43

2.1.1. Определение высокотемпературной зоны 43

2.1.2, Моделирование тепловых процессов в слое агломерируемой шихты 46

2.1.2.1. Математическое описание теплообмена в спекаемом слое 46

2.1.2.2. Тестирование и адаптация модели теплообмена в слое агломерируемого материала на основе экспериментальных данных 55

2.1.2.3. Результаты моделирования 58

2.1.3. Температурное поле в слое агломерата как критерий для формирования изображения излома спекаемого слоя и управления процессом агломерации 62

2.2. Управление процессом спекания агломерационной шихты с использованием анализа коэффициента высокотемпературной зоны 66

2.3. Управление процессом спекания агломерационной шихты с использованием анализа влагосодержания отходящего газа 69

2.4. Формирование управляющего воздействия 76

ГЛАВА 3. Построение алгоритмического обеспечения ОЭСУ процессом спекания шихты на агломерационной машине конвейерного типа 79

3.1. Статистический и параметрический анализ изображения излома спекаемого слоя в разгрузочной части агломерационной машины 79

3.1.1. Статистический анализ изображения излома аглоспека 79

3.1.2. Параметрический анализ изображения излома аглоспека 88

3.2. Разработка алгоритма поиска изображения с максимальной информативностью и контрастностью 92

3.3. Построение алгоритма управления скоростью движения паллет агломерационной машины 97

3.4. Синтез алгоритма классификации нарушений технологии производства агломерата 101

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования алгоритмического обеспечения ОЭСУ процессом спекания шихты на агломерационной машине конвейерного типа 107

4.1. Описание ОЭСУ процессом спекания агломерационной

шихты 107

4.1.1. Основные функциональные элементы и блоки ОЭСУ 107

4.1.2. Методика настройки алгоритмического обеспечения ОЭСУ процессом спекания агломерационной шихты 111

4.2. Результаты экспериментальных исследований алгоритмического обеспечения ОЭСУ процессом спекания шихты в разгрузочной части агломерационной машины 113

4.3. Перспективы применения ОЭСУ технологией производства агломерата и основные направления их развития 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

Список литературы 123

Приложение 1 Основные модули программного обеспечения

ОЭСУ 132

Приложение 2 Интерфейс пользователя программного обеспечения 145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Повышение требований к качеству продукции, снижению ее себестоимости и улучшению экологической обстановки вокруг металлургических предприятий относится прежде всего к начальным переделам и, в частности, к агломерационному производству. Одним из важнейших направлений совершенствования производства агломерата является оптимальное управление процессом спекания шихты, которое обеспечивает увеличение качества аглоспека и производительности агломашин.

В мировой практике агломерационного производства в последние годы были предложены ряд методов управления процессом спекания шихты, среди которых наибольшее распространение получили методы, основанные на анализе отходящего газа и самого спекаемого материала. Существенным недостатком последних является отсутствие надлежащей оперативности и точности управления.

В настоящее время все более широкое применение получают оптические методы, использование которых в системах управления позволяет в целом решить указанную проблему. Именно поэтому сегодня ведутся активные работы в области создания автоматических оптико-электронных систем, которые могли бы обнаруживать нарушения технологического процесса и немедленно корректировать его ход.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что известные системы не обладают достаточной оперативностью, так как управляющее воздействие направлено на изменение содержания топлива в шихте и не дают комплексной оценки хода процесса спекания по ширине агломашины.

В этой связи проблема создания оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты, в частности, ее математического и алгоритмического обеспечения, представляется весьма актуальной.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной НИР «Разработка методов и принципов построения многофункциональных систем техниче-

ского зрения» на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета.

Цель работы: разработка и исследование математического и алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы, ориентированной на использование приемника оптического излучения в видимом диапазоне длин волн, для управления процессом спекания шихты на агломерационной машине конвейерного типа.

В соответствии с этим в работе решаются следующие основные задачи.

1. Исследование процесса спекания шихты как объекта оптического контроля и управления.

2.Разработка теоретических основ применения оптико-электронного метода для управления процессом спекания агломерационной шихты.

3. Построение алгоритмов функционирования оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты на агломерационной машине конвейерного типа.

4. Исследование алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты на экспериментальной установке в разгрузочной части агломерационной машины.

Методы исследований. Для решения поставленных в работе задач использованы теоретические основы газодинамики и теплотехники агломерационного процесса, методы математического и компьютерного моделирования, цифровой обработки изображений и оптоэлектроники, аппарат теории вероятностей и математической статистики, основы теории построения алгоритмов и программ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем.

1.Дано описание процесса спекания шихты как объекта оптического в видимом диапазоне длин волн контроля и управления.

2. Разработана математическая модель формирования изображения излома спекаемого слоя в разгрузочной части агломерационной машины, основанная на процессах теплообмена в агломерируемой шихте.

3. Предложен способ управления процессом спекания агломерационной шихты и принцип формирования управляющего воздействия на основе оптико-электронного метода и анализа влагосодержания отходящего газа, повышающие достоверность принятия решения.

4. Разработан алгоритм поиска наиболее информативного и контрастного изображения из множества изображений излома аглоспека, обеспечивающий высокие показатели надежности при наличии световых эффектов, обусловленных бликами и поднимающейся пылью.

5. Предложен алгоритм управления скоростью движения паллет агломерационной машины, основанный на использовании методов статистической обработки изображений и высокопроизводительных процедур адаптивного порогового разделения.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1.Дано определение высокотемпературной зоны на основе анализа интенсивностей и спектральных характеристик изображения излома спекаемого слоя, полученного приемником оптического излучения в видимом диапазоне длин волн.

2. Сформулирован критерий управления процессом спекания агломерационной шихты на основе распределения температуры в спекаемом слое.

3. Выполнен статистический и параметрический анализ изображения излома аглоспека, определен метод порогового разделения, основанный на использовании моментов гистограммы интенсивностей и учитывающий ее асимметрию, получены эталонные наборы коэффициентов для классификации возникающих нарушений.

4. Предложен метод классификации нарушений технологии производства агломерата и разработано его алгоритмическое обеспечение.

5. Разработана методика настройки алгоритмического обеспечения оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты для работы в разгрузочной части агломерационной машины.

6. Разработана экспериментальная установка и программное обеспечение для исследования и проверки эффективности предложенных алгоритмов, определены основные функциональные элементы и блоки оптико-электронной системы управления процессом спекания агломерационной шихты.

7. Результаты диссертации нашли применение в учебном процессе на кафедре «Программное обеспечение ЭВМ» Череповецкого государственного университета в курсе «Техническое зрение в системах управления» для специальности 210100 - управление и информатика в технических системах.

Реализация результатов работы. Разработанное математическое и алгоритмическое обеспечение исследовано и проверено на экспериментальной оптико-электронной установке в разгрузочной части агломерационной машины аглоцеха №2 ОАО «СЕВЕРСТАЛЬ» и использовано при проектировании оптико-электронной системы управления процессом спекания шихты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международных и Российских конференциях:

- «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства не-разрушающего контроля» (г. Саратов, 1995 г.);

- «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе» (Крым, п. Новый Свет, 1995 г.);

- «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (г. Курск, 1995 г.);

- «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах» (г. Череповец, 1996 г.);

- «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (г. Череповец, 1997 г.);

- «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (г. Череповец, 1998 г.);

а также на научно-технических семинарах Череповецкого государственного университета и Череповецкого научного координационного центра РАН в 1995-1998 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Содержит 130 страниц основного текста, 47 рисунков, 10 таблиц, список использованной литературы из 69 наименований и приложения на 16 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Описание процесса спекания шихты как объекта оптического контроля и управления.

2. Математическая модель формирования изображения излома спекаемого слоя в разгрузочной части агломерационной машины, основанная на процессах теплообмена в агломерируемой шихте.

3. Способ управления процессом спекания агломерационной шихты и принцип формирования управляющего воздействия на основе оп-

тико-электронного метода и анализа влагосодержания отходящего газа, повышающие достоверность принятия решения.

4. Алгоритм поиска наиболее информативного и контрастного изображения из множества изображений излома аглоспека, обеспечивающий высокие показатели надежности при наличии световых эффектов, обусловленных бликами и поднимающейся пылью.

5. Алгоритм управления скоростью движения паллет агломерационной машины, основанный на использовании методов статистической обработки изображений и высокопроизводительных процедур адаптивного порогового разделения.

ГЛАВА 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УПРАВЛЕНИЯ

ПРОЦЕССОМ СПЕКАНИЯ АГЛОМЕРАЦИОННОЙ ШИХТЫ

1.1. Анализ существующих методов управления процессом спекания шихты

Агломерация - процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода высокотемпературного тепла извне. Цель агломерации состоит в том, чтобы улучшить металлургические свойства сырья вследствие его окускова-ния, введения флюса и других полезных добавок и удаления вредных примесей. Наибольшее распространение получил способ производства агломерата на ленточных конвейерных машинах (рис.1), при котором сжигание твердого топлива в слое материала происходит за счет кислорода воздуха, непрерывно просасываемого через спекаемый слой [13].

Железная руда, концентрат и возврат крупностью не более 8^10 мм смешиваются с коксовой мелочью и известняком размером фракции до 3 мм в строгом массовом соотношении. Затем увлажненная шихта 4, пройдя процесс окомкования, равномерным слоем укладывается на слой постели 3 на движущейся ленте 2 агломерационной машины 1. Движущаяся шихта, проходя под зажигательным горном 5, воспламеняется и спекается вследствие горения топлива за счет кислорода воздуха, непрерывно просасываемого через слой шихты эксгаустером 6. Горизонтальную скорость движения ленты с шихтой строго согласовывают с вертикальной скоростью перемещения зоны горения с таким расчетом, чтобы к моменту подхода шихты к разгрузочной части 7 машины, шихта спеклась по всей высоте слоя. Готовый агломерат разгружается на стационарный колосниковый грохот 8, где разделяется на фракцию больше 10 мм, поступающую в доменный цех, и возврат крупностью до 10 мм [46].

Спекание подготовленной шихты является основным этапом в технологии получения агломерата. Этот процесс ведется на колосниковой решетке агломерационной машины в результате развития высоких температур при просасывании воздуха и горении углерода топлива в слое шихты. Процесс агломерации носит слоевой характер. Спекаемый слой можно условно разделить по высоте на следующие зоны (рис.2):

- переувлажнения шихты 1;

- сушки и интенсивного нагрева шихты 2;

- горения и максимальных температур 3;

- кристаллизации и готового агломерата 4.

Засасываемый в спекаемый слой воздух охлаждает образовавшийся агломерат 4 и поступает в зону максимальных температур 3. По мере выгорания топлива в потоке воздуха зоны 2 и 3 перемещаются книзу, сохраняя при этом небольшую высоту. При перемещении зоны 3 зона 1 сокращается, а зона 4 увеличивается и к концу процесса спекания распространяется на всю высоту слоя шихты. С момента зажигания шихты содержащаяся в ней влага испаряется и переходит в отходящий

Рис.2. Структура спекаемого слоя и распределение температур по высоте слоя в произвольно выбранный момент времени.

газ. Проходя через холодные части слоя шихты, газ охлаждается до температуры ниже точки росы, то есть до температуры, при которой вода конденсируется и шихта переувлажняется. В зоне сушки и нагрева происходят испарение влаги и интенсивный нагрев шихты до температуры воспламенения коксовой мелочи с разложением карбонатов, окислением сульфидов и частично магнетита. В зоне горения и максимальных температур, помимо горения углерода и образования жидкой фазы, протекают и завершаются сложные процессы диссоциации карбонатов, твердофазного взаимодействия, окисления сульфидов магнетитов, а также восстановления высших оксидов железа.

В зоне кристаллизации и охлаждения агломерата одновременно с окончанием процесса горения начинается постоянное понижение температуры спека, сопровождаемое переходом из расплавленного состояния в твердое, а затем протекают процессы кристаллизации с выпадением новых материалов, развитие которых определяется скоростью охлаждения. Высота зоны горения колеблется от 10 мм (крупность коксовой мелочи менее I мм) до 40 мм (крупность коксовой мелочи менее 10 мм). При работе на коксовой мелочи класса 1^3 мм толщина зоны 3 составляет 20^25 мм [46]. Повышение расхода топлива ведет к увеличению температуры в слое. Крупность топлива влияет неоднозначно на максимальную температуру. Использование крупных и мелких классов

снижает температуру, а применение класса 0,5-^3 мм увеличивает температуру в зоне горения [46]. перемещение зоны горения в слое шихты сверху вниз ведет к постепенному росту максимальной температуры, что связано с увеличением доли рекуперированного тепла. Температура в зоне горения зависит от количества и крупности топлива,