автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Повышение эффективности проектных решений при создании технологических систем измельчения на основе информационно-экспертной системы

Введение.

Глава 1. Современное состояние дел информационного обеспечения принятия проектных решений при создании и оптимизации технологических систем измельчения.

1.1. Анализ подходов описания размольно-дробильного оборудования.

1.1.1. Математическое моделирование процессов измельчения

1.1.2. Моделирование и методы расчета процесса классификации

1.2. Методы расчета сложных технологических систем измельчения.

1.3. Моделирование технологических процессов с использованием искусственных нейронных сетей . ••.

1.4. Информационно-экспертные системы проектирования технологических процессов.

1.5. Постановка задач исследования.

Глава 2. Структура и назначение расчетной компоненты информационно-экспертной системы.

2.1. Вывод уравнения расчета нелинейной технологической системы измельчения произвольной структуры.

2.2. Пример расчета нелинейной ТСИ.

2.3. Согласование информационных потоков при расчете ТСИ.

2.4. Выводы по главе.

Глава 3. Структура и назначение информационной компоненты информационно-экспертной системы.

3.1. Структура представления данных размольноклассифицирующего оборудования и размалываемых материалов.

-3Стр.

3.2. Представление экспериментальных данных.

3.3. Представление моделей и методов расчета размольно-классифицирующего оборудования.

3.4. Выводы по главе.

Глава 4. Структура и назначение экспертной компоненты информационно-экспертной системы.

4.1. Выбор структуры ТСИ с использованием нейронной сети

4.2. Восстановление матрицы измельчения при ограниченном объеме экспериментальных данных.

4.3. Выбор рациональной модели для расчета элементов оборудования ТСИ.

4.4. Применение нейронных сетей к моделированию размольно-классифицирующего оборудования по экспериментальным данным.

4.5. Выводы по главе.

Глава 5. Использование результатов работы.

5.1. Структура и возможности ИЭС ТСИ.

5.2. Интеграция ИЭС ТСИ с информационной системой «POWER» на Рязанской ГРЭС.

5.3. Использование результатов в научных и проектных работах

5.4. Выводы по главе.

Актуальность темы. В настоящее время накоплен большой объем информации по моделированию, проектированию и эксплуатации технологических систем измельчения (ТСИ) порошкообразных материалов в химической и смежных отраслях промышленности. Найти необходимую информацию и принять верное решение по выбору математической модели или о целесообразности проведения дополнительных экспериментальных исследований является трудоемкой задачей, требующей для решения значительных временных и финансовых затрат. В этих условиях все более актуальной становится задача накопления и электронного представления такой информации в единой компьютерной системе. Эта компьютерная система должна не только хранить и накапливать информацию о характеристиках оборудования и методах его расчета, но и позволять согласовывать различные методы, которые зачастую получены разными авторами (организациями) на основе разных подходов. Она также должна давать возможность восстанавливать параметры более сложных моделей, используя эмпирические обобщения, полученные на базе более простых моделей, то есть обходиться как можно меньшим объемом новой экспериментальной информации. Наконец, создаваемые математические модели для расчета и оптимизации ТСИ сами должны быть оптимальными в смысле соотношения практической ценности и затрат на их использование, а главное, на идентификацию.

Решению этих задач и посвящена настоящая работа, которая выполнялась в рамках программ ФЦП «Интеграция» и «ТОХТ и новые принципы управления технологическими процессами» и двух договоров о международном научно-техническом сотрудничестве с Горным институтом, Алби, Франция и Политехническим институтом, Ченстохова, Польша.

Цель работы - создание эффективных средств математического моделирования и проектирования сложных ТСИ для получения порошков с заданными свойствами.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- разработана математическая модель ТСИ произвольной структуры, позволяющая рассчитывать системы с нелинейными элементами;

- решена задача согласования различных методов расчета элементов ТСИ по информационным потокам (количеству и качеству входной и выходной информации);

- решена задача восстановления матрицы измельчения при ограниченном объеме экспериментальных данных;

- впервые предложен подход распознавания структуры ТСИ по заданным гранулометрическим характеристикам исходного и готового продуктов с использованием нейронной сети;

- сформулирована и решена задача выбора рациональной модели описания элементов ТСИ;

- с использованием искусственной нейронной сети создана математическая модель преобразования порошкообразного материала в измельчителях.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

- разработана информационно-экспертная система выбора структуры, расчета и оптимизации ТСИ;

- результаты работы нашли применение в научных и проектных разработках в Горном институте, Алби, Франция и Политехническом институте, Ченстохова, Польша, а также в промышленности при разработке и внедрении корпоративной информационной системы «POWER».

Автор защищает:

- метод расчета сложных нелинейных ТСИ произвольной структуры, позволяющий использовать различные модели отдельных элементов схемы;

- применение нейронной сети к распознаванию структуры ТСИ по заданным дисперсным составам исходного и готового продуктов;

- информационно-экспертную систему расчета и проектирования ТСИ.

Апробация результатов работы. Отдельные части работы были доложены и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях:

- Международная научно-техническая конференция «VIII Бенардосов-ские чтения» (Иваново, 1997);

- I Всероссийская научно-техническая конференция «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 1999);

- Международная научно-техническая конференция «IX Бенардосов-ские чтения» (Иваново, 1999);

- IV Международная научная конференция «Теоретические и экспериментальные исследования строительного оборудования» (Краков, Польша, 1999);

- 13 Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2000» (Санкт-Петербург, 2000);

- 14 Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-2001» (Смоленск, 2001);

- Международная научно-техническая конференция «Инженерная защита окружающей среды» (16-18 мая 2001, Москва).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

9. Результаты работы нашли применение в научных и проектных работах в Горном институте Алби, Франция и Ченстоховском политехническом институте, Польша.

1. Кафаров В.В, Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения сыпучих материалов.-М.: Наука, 1985,-440с.

2. Сидненко П.М. Измельчение в химической промышленности. -М: Химия, 1977.

3. Андреев С.Е., Петров В.А., Зверевич В. В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1980.-416с.

4. Ромадин В.П. Пылеприготовление. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1953.-519с.

5. Дуда В. Цемент. М.: Стройиздат, 1981.-464с.

6. Лебедев А.Н. Подготовка и размол топлива на электростанциях. -М.: Энергия, 1969.-520с.

7. Андреев С.Е., Товаров В.В., Петров В.А. Закономерности измельчения и исчисления характеристик гранулометрического состава. -М.: Металлургиздат, 1959. -437с.

8. Линч А. Циклы дробления и измельчения. М.: Недра, 1980. -343с.

9. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. - 308с.

10. Математическое описание и алгоритмы расчета мельниц цементной промышленности. / Под ред. М. А. Вердияна. М.: НИИЦемент.-94с.11.0сокин В.П. Молотковые мельницы. М.: Энергия.

11. Мизонов В.Е. Формирование дисперсного состава и массопотоков сыпучих материалов в технологических схемах измельчения. Дисс. . докт. техн. наук. Москва, 1985. - 452с.

12. Broadbent, S.R., Callcott, T.G. A Matrix Analysis of Processes Involving particle Assemblies. Phill. Trans. Roy. Soc., 1956, A249, pp. 99-123.

13. Liu, J. Schonert, K.: Modelling of Interparticle Breakage. Proc. 8-th European Symp. on Communition. Vol. 1, Stockholm, 1994, pp. 102-115.

14. Liu, J. Modellierung der Zerkleinerung in einem Gutbett. Dissertation. Clausthall, 1994.

15. Bertrand D. et al. Evolution of Chemical Composition of Pea Seeds according to particle size during comminution using a markovian process. Proc. of 9-th European Symp. on Comminution. VI. ALBI, 1998, pp. 175-183.

16. Овчинников П.Ф. Дифференциальные и интегральные уравнениякинетики измельчения.// Процессы в зернистых средах-Иваново.-1989.-е. 3-8. 36.

17. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Ушаков С.Г. О расчете дисперсного состава сыпучих материалов при измельчении. // ТОХТ, 1988, №3, с. 427-429.

18. Жуков В.П., Мизонов В.Е. Моделирование и расчет совмещенных процессов измельчения и классификации. // Изв. вузов "Горный журнал", 1990, №5, с. 126-129.

19. Мизонов В.Е., Жуков В.П., Горнушкин А.Р. Аналитическое решениеобобщенного уравнения кинетики измельчения. // Изв. вузов "Химия ихим. технология", 1989, т.32, №6, с.115-117.

20. Жуков В.П., Греков А.В., Мизонов В.Е. Влияние фракционного состава мелющих тел на кинетику измельчения. // ТОХТ, 1993, т. 27, №2, с. 199— 201.

21. Мизонов В.Е. Кризис популяционно-балансовой модели и новые подходы к моделированию процессов измельчения. Тез. докл. Международной НТК "VIII Бенардосовские чтения", 1997, Иваново, с.87.

22. Р.С. Kapur. An improved method for estimating the feed-size breakage distribution functions. Powder Technology, 33 (1982) 269-275.

23. H. Berhiaux, J.Dodds. A new estimation for the determination of breakage and selection parameters in batch grinding. Powder Technology 94 (1997) 173-179.

24. Лебедев А.Н. Пылеприготовление на электростанциях. M.-JL: Госэнергоиздат, 1949. - 352с.

25. L.G. Austin, Introduction to the mathematical description of grinding as a rate process. Powder Technology, 5 (1971/1972) pp. 1-17.

26. Техов C.M., Шишкин С.И., Барский М.Д., Брод И.И. Математическая модель процесса измельчения: / Межвуз. сб. Техника и технология сыпучих материалов.-Иваново, 1991.

27. Гондуров И.М. Исследование процесса тонкого измельчения материалов в ударно-центробежной мельнице с классификатором. Дисс. . канд. техн. наук. Москва, 1980. - 227с.

28. Вердиян М.А., Кафаров В.В. Процессы измельчения твердых тел. // В сб.: Процессы и аппараты химической технологии. Т.5. (Итоги науки и техники, ВИНИТИ АН СССР). - М., 1977. - с.5-89.

29. Методы оптимизации и алгоритмы расчета технологических схем измельчения. // Приложение к временным методическим указаниям. -Вып.2. НИИЦемент. М., 1979, 108с.

30. Кафаров В.В. и др. Математические модели структуры потока материала в мельницах. // Цемент. 1977. - №5. - с. 12-13.

31. Разумов К.А. Новое уравнение кинетики измельчения и анализ работы мельницы в замкнутом цикле. // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1969. - №3. - с.3-15.

32. Разумов К.А. и др. Закономерности измельчения в шаровых мельницах. // VIII Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых, Т.1, 1969.

33. Непомнящий Е.А. Применение стохастических методов к определению закономерностей процесса дробления. // Изв. Ленинградского электротехнического института. — 1962. — Вып.47. с.335—341.

34. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. М.: Энергия, 1974.- 168с.

35. Мизонов В.Е., Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков. -М.: Химия, 1989,- 160с.

36. Барский М.Д. Фракционирование порошков. М.: Недра, 1980. - 327с.

37. Дубовский И.Е., Климов И.И. Метод расчета пылеулавливателей и сепараторов пыли пылеприготовительных установок. // Энергомашиностроение. 1960. - №6. - с.21-25.

38. Lynch A.J. Lecture notes on comminution and classification. University of Queensland Australia, 1970, s.l 10 ff.

39. Говоров A.B. Каскадные и комбинированные процессы фракционирования сыпучих материалов. Дисс. . канд. техн. наук. -Свердловск, 1986.-220с.

40. Шишкин С.Ф., Техов С.М. Расчет процесса измельчения в замкнутом цикле. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1991. - т.34. - №5. -с.117-119.

41. Molerus О. Stochastisches Modell der Gleichgewichtisichterung. // Chem-Ing.-Techn. 1967, Bd. 39, №13, s.792-796.

42. Molerus O. Hoffmann H. Darstellung von Windsichterkurven durch ein Stochastisches Modell. // Chem.-Ing.-Techn. 1969, Bd. 41, №5-6, s.340-344.

43. Мизонов B.E. Стохастическая модель равновесной классификации порошков. // ТОХТ. 1984. - Т. 18. - №6. - с.811-815.Ъз

44. Падва Ю.И. Теоретическое и экспериментальное исследование циклонных пылеулавливателей. Дисс. . канд. техн. наук. - Москва, 1968. - 114с.

45. Ведерников В.Б. Процессы разделения в газодисперсных средах. Дисс. . докт. техн. наук. - Свердловск, 1992. - 428с.

46. Luckie P.Т., Austin L.G. Technique for derivation of selectivity functions from experimental data. / Tenth international mineral processing congress 1973, London: IMM, 1975. 773-90.

47. Шувалов С.И. Получение тонкодисперсных порошков в системах пылеприготовления с аэродинамическими классификаторами. // Химическая промышленность. 1992. - №8. - с.499-503.

48. Шупов Л.П. Кибернетика и основные направления исследований в области обогащения железных и марганцевых руд. // В кн. Математические методы исследований и кибернетика в обогащении железных и марганцевых руд. Труды республ. конф. М. - 1971. - с. 1025.

49. Жуков В.П. Математическое описание размольно-классифицирующих структур произвольной формы. // Совершенствование техники и технологии измельчения материалов. Белгород. - 1989. - с.9-17.

50. Шупов Л.П. К вопросу построения математической модели схемы измельчения. // В кн. Сб. научных трудов ин-та «Механобрчермет». -Вып.11. М., 1970. - с.219-232.

51. Козина P.M. Итерационный метод расчета технологических схем. // Обогащение руд. 1975. -№3. - с.39-41.

52. Кононенко Б.А., Персиц В.З., Барский Л.А. Оптимальные методы расчета технологических схем углеобогащения. // Сб. трудов. T.V. - Вып.1, ИОТТ, М.: Недра, 1976. - с. 10-16.

53. Шупов Л.П. Моделирование и расчет на ЭВМ схем обогащения. М.: Недра, 1980.-288с.

54. Berthiaux Н., Dodds J. A. Modelling Classifier Networks by Markov Chains. // Powder Technology, 1999.

55. Жуков В.П. и др. Построение кривой разделения при многостадийной классификации порошков. // Теор. основы хим. технологии. 1991. - Т.25. - №4. - с.601.

56. Автоматизированное проектирование систем топливоприготовления: Учеб. пособие. / В.П. Жуков, С.И. Шувалов. Иван. гос. ун-т, Иван, энерг. ин-т. Иваново, 1989. - 64с.

57. Коровкин A.C. и др. Формирование массопотоков материала в технологических системах измельчения. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2000, Т.43, вып.2, с.70-72.

58. Минский М., Пейперт С. Персептроны. -М.: Мир, 1971. 264с.

59. Фролов A.A., Муравьев И.П. Информационные характеристики нейронных сетей // М.:Наука, 1988. 156с.

60. Ф. Уоссерман. Нейрокомпьютерная техника. Теория и практика. -М.: Мир, 1992.

61. Иванов В.А., Кудрина И.А. Сравнительный анализ парадигм обучения нейронных сетей // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». Т.6. 2000. с. 143.

62. Розенблатт Ф. Принципы нейродинамики. -М.: Мир, 1965. 480с.

63. Дунин-Барковский B.JI. Информационные процессы в нейронных структурах. -М.: Наука, 1978. 166с.

64. Фролов A.A., Муравьев И.П. Нейронные модели ассоциативной памяти. -М.: Наука, 1987. 160с.

65. Горбань А.Н. Обучение нейронных сетей. -М.: СП, "ParaGraph", 1990. -160с.

66. Иванов В.А., Куприна И.А. Математическое моделирование процесса синтеза метанола с помощью искусственных нейронных сетей // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». Т.6. 2000. с. 126.

67. Коломейцева М.Б., Хо Д.Л. Применение нейронных сетей в системе управления динамическими объектами // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». Т.6. 2000. с. 165.

68. Беляков А.Н. Применение нейронной сети для выбора структуры технологической системы измельчения. // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». Т.6. 2000. с. 152.

69. Krauter U., Grammenoydis P., Riebel U. Neural Network Recognition of Particle Size Distributions Measured by Ultrasonic Spectrometry // 6th European Symposium, Particle Characterization, Partee 95, p.27-36, 1995.

70. Панкратов В.А. Некоторые модели клеточных нейронных сетей и их исследование. Дисс. . канд. физ.-мат. наук. Ярославль, 2000. - 88с.

71. Галушкин А.И. Синтез многослойных схем распознования образов. -М.: Энергия, 1974.

72. Справочник по обогащению руд. Обогатительные фабрики / Под ред. О.С. Богданова, Ю.Ф. Ненарокомова, 2-е изд. перераб. и доп. М.: Недра, 1984, -358 с.

73. Летин JI.A., Роддатис К.Ф. Среднеходные и тихоходные мельницы / Под общ. ред. К.Ф. Роддатиса. М.: Энергоиздат, 1981, - 360 е., ил.

74. Волковинский В.А., Роддатис К.Ф., Толчинский E.H. Системы пылеприготовления с мельницами-вентиляторами / Под ред. К.Ф. Роддатиса. М.: Энергоиздат, 1990, - 272 е., ил.

75. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы / Под ред. О.С. Богданова, В.А. Олевского, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1982,-с. 366.

76. Фоменко Т.Г., Бутовецкий B.C., Погарцева Е.М. Технология обогащения углей: Справочное пособие, 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985, -367 с.

77. Нормы расчета и проектирования пылеприготовительных установок / Под ред. M.JI. Кисельгофа, Н.В. Соколова. -M.-JI.: Госэнергоиздат, 1958, -159с.

78. Углеразмольное, пылеприготовительное и размольное оборудование: отраслевой каталог. НИИЭкономики в энергетическом машиностроении. -М.: 1986.

79. Пылеприготовительное оборудование. Каталог. -М.: НИИИнформтексмаш, 1971.

80. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых: Учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1985. - 285с.

81. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Марков E.JI. Системный анализ процессов химической технологии. Применение метода нечетких множеств. М.: Наука, 1986.

82. Малышева Е.Ю. Автоматизированное проектирование технологических схем дробления с применением экспертных систем. Дисс. канд. техн. наук. Москва, 1993, - 142 с.

83. Кафаров В.В. и др. Применение экспертных систем в технологии измельчения сыпучих материалов: Межвуз. сб. науч. тр./Иван, хим-технол. ин-т. Иваново, 1990, с. 13-19.

84. Серов А.Е., Рыбаков М.С., Рыбалев А.Н. Экспертная система проектирования асинхронных электроприводов // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». 2000. Т.6. с.158-159.

85. Филиппов М.В. Снижение стоимости эксплуатации информационных систем // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». 2000. Т.6. с. 79-80.

86. Сокольская Т.В., Калганов А.Р., Сокольский С.А. Алгоритмическое обеспечение базы знаний в задачах управления. // Сб. трудов 13 Международн. НК «Математические методы в технике и технологиях». 2000. Т.6. с. 162-164.

87. Ершова О.В., Вальберг Н.Г., Чистякова Т.Б. Построение экспертной системы для управления карбидной печью. // Сб. трудов 13 Международн.НК «Математические методы в технике и технологиях». 2000. Т.6. с. 145— 146.

88. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. М.: Химия, 1995.

89. Bertrand D. et al. Evaluation of transition matrix for comminuting pea seeds in an impact mill using a liner neural network. Powder Technology, 105 (1999) pp.119-124

90. Wilson A.G. Entropy in Urban and Regional Modelling, Pion Limited, London, 1970.

91. Kurrer K.E., Gock E. Eccentric vibratory mill. Theory and practice. // 9th European Symposium On Comminution, Albi-France, vol. 2, 1998, p.523-533.

92. Rajamani R.K. Planetary ball milling for submicron powder production. // 9th European Symposium On Comminution, Albi-France, vol. 2, 1998, p.557-566.

93. Жуков В.П. Интенсификация процессов измельчения сыпучих материалов в шаровых барабанных мельницах. Дисс. . канд. техн. наук. -Иваново, 1985,- 175с.

94. Новосельцева С.С. Повышение эффективности сложных технологических систем измельчения путем их структурной оптимизации. Дисс. . канд. техн. наук. Иваново, 1998. - 184с.

95. Афоничкин А.И. Принятие управленческих решений в экономических системах. Учеб. пособие. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1998. - 184с.

96. Горелик А.Л. Скрипкин В.А. МетодьГраспознавания. Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. школа, 1977. -222с.

97. Реньи А. Трилогия о математике. (Диалоги о математике. Письма о вероятности. Дневник. Записки студента по теории информации.) Пер. с венгер. / Под ред. Б.В. Гнеденко. -М.: Мир, 1980. -376с.

98. Вильсон Дж. Энтропийные методы моделирования сложных систем. -М.: Наука, 1978.-248с.

99. Контроль и автоматизация переработки сыпучих материалов. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-152с.-103Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», 3 4 февраля 1999, Нижний Новгород, с.З.

100. Абрамов C.B., Беляков А.Н., Лебедев Д.Е. Применение метода Монте-Карло к моделированию процессов в дисперсных средах. // Тез. докл. Международн. НТК «VIII Бенардосовские чтения», 4-6 июня 1997, Иваново, с.275.