автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и моделей оптимального управления процессом электроплавки оловянных концентратов

На правах рукописи

РГ5 ОЛ

Казинникопа Вера Александровна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ОЛОВЯННЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

Специальность 05.13.14 — Системы обработки информации и управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск — 1990

Работа выполнена на кафедре «Автоматизации пооизр^ч-ственных процессов» Красноярской Государственной Академии цветных металлов и золота им. М. И. Калинина.

Научные руководители: член корр. АТН РФ

доктор технических наук профессор

[Автухов Валерий Владимирович|

кандидат технических наук, доцент

Горенский Борис Михайлович

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Н. Д. Демиденко кандидат технических наук, доцент И. В. Ковалев

Ведущее предприятие — Новосибирский оловянный

комбинат

Защита диссертации состоится « » 5995 г

в « » час- « мин. на заседании специализирован-

ного совета Д 064.54.01 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского Государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по адресу: г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ученому секретарю спецсовета.

Автореферат разослан « .¿Г» 4Ш>Ч*- 1996 г.

Ученый секретарь Тимофеев,

специализированного совета

, 'общая х/.рл1гш'::-тпг(сл работы

Актуальность проблемы. Металлургические процессы.в целом характеризуется c;:c,t>;:cc;ti,s ф::2:п'.о-х:!м:г1?™::у. .процессов, большим галичеством входных, выходных и Еозыуп^жщк переменных, стохастичностью взаимосвязи управляипцк воздействий с выходными показателями процесса. Они относятся к медленно протекающем процессам , обладающих параметрической неопределенностью и большой постоянной времени объекта.

Одним из таких' процессов является процесс восстановитель кой. электроплавки оловянных концентратов в рудкотермических печах (РТП). Для интенсификации процесса, снижения расхода сырья и энергии, повышения качестве выпускаемой продукции необходимо создание и внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на основе широкого применения современной вычислительной техники и методов оптимального управления.

Первые АСУ в металлургии создавались для стабилизации и. регулирования отдельных технологических параметров, не были взаимосвязанными и не позволяли в комплексе решать задачи управления. К сожаление существующие ACS' в производстве олова не обеспечивают качественное управление. Главными сдерживающими факторами при создании систем оптимального управления технологическим режимом электроплавкк оловянных концентратов в РТП являются: во-перзых, недостаточный; объем оперативного технологического контроля за состоянием процесса; Ео-вторнх, отсутствие простого в структурном отношении математического описания- процесса. Основной причиной сложившейся ситуации является, отсутствие датчиков и методов оперативного контроля важнейших технологических параметров, способных работать в условиях'чрезвычайной агрессивности , высоких температур и загрязненности рабочего пространства.

Основными направлениями совершенствования существуют« ACT и повышения качества управления процессом элёктрошгавки оловянных концентратов является организация сбора достоверной информацта о ходе технологического процесса и использование полученной информации для оптимального управления процессом.

В связи с вышеизложенным актуарной.является'задача синтеза алгоритмов оценивания параметров,- сбора и перйкчнсй обработки :«.-формацьи о состояния процессз электроплзвкк, выработки упразлгао-

е

цих воздействий./ Эффективность управления повышается с использованием математического описания, отражающего особенности'процесса и расширяющего возможности его практической реализации.

Универсальность применяемого подхода при решении задачи оптимального управления делает полученные результаты актуальными не только для электроплавки оловянных концентратов в РТП, но и для широкого класса' процессов электроплавки других материалов в РТП.

Цель работи. Целью настоящей диссертационной работы является разработка системы оптимального управления стохастическим процессом электроплавки оловянных концентратов в РТП и практическая реализация математических моделей и алгоритмов оптимизации температурного режима печи. '

Для достижения поставленной цели необходимо:

- построить научно-обоснованные4 и практически реализуемые математические модели прогноза состояния процесса электроплавки у расчета управляющих воздействий;

- синтезировать алгоритмы оптимального управления процессоь эдектроплавки, а также:

- разработать методику оценивания технологических параметро! электроплавки, недоступных автоматическому контролю с помощьк прямых измерений;

- разработать и опробовать в промышленных условиях систем} получения информации о состоянии технологического процесса.

Научная новизна результатов работы:

1. Для процесса электроплавки оловянных концентратов в РТ1 впервые разработаны математические модели прогноза состояния процесса и расчета управляющих воздействий с учэтом отклонений прогнозируемых значений параметров от их оптимальных значений.

2. Разработана методика непрерывного контроля уровней раса вов по напряженности магнитного поля на включенной РТП.

3. На основе прогноза изменения- технологических параметро разработан алгоритм оптимального управления процессом электроп лавки оловянных концентратов в РТП.

Практическая ценность. Практическая ценность работы закдюча ется в создании информационной системы, на основе которой разра Сотана взаимосвязанная система оптимального управления процессо

плавки по принципу отклонений прогнозируемых значений параметров от их оптимальных значений. На базе созданной системы диагностики разработана система контроля уровней расплавов по напряженности магнитного поля на РТП. и^я гттл<->т.пем/»«»яа ^^ттптм

компьютерного тренажера для обучения технологического персонала. Результаты исследований могут быть использованы : в практике научно-исследовательских и проектных институтов при разработке АСУ процессами плавки других материалов в РТП; в практике технологического проектирования и -оперативного руководства на действующих предприятиях; в качестве методического обеспечения по организации учебного процесса подготовки инженеров-металлургов по курсу "Математическое моделирование и оптимизация систем управления".

Методы исследования. В диссертационной работе использована комплексная методика, включая: структурно-функциональный анализ и синтез; математическое моделирование; метод экспертных оценок; метод активного и пассивного эксперимента; статистические методы обработки информации с применением регрессионного и корреляционного анализов; методы динамической оптимизации; для доказательст- .. ва обоснованности выдвигаемых теоретических положений - лабораторные .исследования, апробацию результатов работы по данным нормальной эксплуатации' РТП.

Оснбвные научные положен»!!, вкносшше на аащиту:

1. Создание информационной "системы, принципов и алгоритмов ее работы позволяет контролировать текущее "состояние процесса плавки и организовать прогностический контроль.

2. Использование характеристик магнитного поля, наведенного о наружной стороны ванны печи, позволяет непрерывно контролировать технологические параметры и создать систему контроля уровней расплавов на включенной РТП. «

3. Применение разработанных методик, построзния прогнозирующих математических моделей и моделей 'расчета управлявших воздействий с учетом прогноза дает возможность оптимизировать управление процессом .электроплавки. ; 1

. 4. Методология и принципы применения оболочки для построения автоматизированных и обучающих систем.

- б

Обосшшашюогь. и. дшгйасрйрсух!»' полученных в диссертационной работе положений, выводов и рекомендаций подтвердятся:

- теоретическими'расчетами; . ■

- апробацией програшы, реализованной па ЗВЫ в диалоговом ремиме; . -■

- экспериментальными исследованиями в промышленных условиях.

.- Апробагря работ Основные'положения и отдельные разделе диссертационной работы обсуждались и докладывались .на всесоюзных, 'во'нальных и краевых конференциях и совещаниях, в том числе:

- Всесоюзное научно-техническое совекдние "Состояние и перспективы применения микропроцессорной - техники и автоматизации". Москва,1990;

- Всесоюзная научно-техническая конференция "Моделирование идентификация и синтез систем управления в химических и химико-металлургических производствах", Ивано-Франковск, 1030;

- Зональная научно-техническая".конференция "Проблемы- повыше' ния эффективности производства и -использования цветник металлов народном хозяйстве", Красноярск, 1989; '

- Красноярская краевая'конференция'"Студент, паука и циешш аациа" .Красноярск, 1995; • '

- научно-технические конференции и научные семинары'. Красна ярской государственной академии цзетных металлов и золота.

Публикации. По результатам выполненных исследований опублг ковано двенадцать печатных работ.

Структура и объем диссертахри. Диссертационная работа состс ит из введения, четырёх глав, выводов, библиографии, приложений содержит 134 страницы.основного машинописного текста, 22 рисунк, список использованной литературы включает 125 наименований. Ди< сертационная работа выполнена на, кафедре "Автоматизации прои водственных процессов" Красноярской государственной академ цветных металлов и золота. . .

Автор выражает искреннюю признательность за большую помощ оказанную при работе над диссертацией Роднову Олегу Октябревич

СОДЕРЖАНИЕ РЛБОТН Введение содержит обоснование актуальности теки, поставлены цели и задачи работы, сформулированы основные научные положения, выносимые на залогу, приводен перечень полученких результатов диссертационной работы. .

В первая главе работы рассмотрены технологические особенности процесса электроплавки оловянных концентратов в РТП. Отмечено, что процесс электроплавки характеризуется воздействием большого количества возмущении, приводящих к значительному отклонению параметров процесса ог'оптимальных значений.

Дан анализ характеристик сырья и материалов, используемых для электроплавки, который позволил выявить основные факторы, влияющие на физико-химические свойства расплава.- На основе этого сформулированы требования, которым должны удовлетворять дырье и материалы. ■• '

Проанализированы физико-химические процессы, протекающие в ванне РТП, показана их связь с основными параметрам! процесса электроплавки. Отмечено, что основу процесса эдекгроплавки оловосодержащей шихты составляют восстановительные реакции. Анализ физико-химических превращений, протекающих при электроплавке оловосодержащих материалов в РТП, позволил выявить параметры, оказыва- • ющие определяющее влияние на процесс, а именно: количество и химический состав загружаемой шихты, . температура и уровень плака, вводимая- электрическая мощность, которые, в итоге, определяют со- • держание олова в шлаке и химический состав, чернового олова.

Отмечено, что трёхфазные руднотермкческиэ печи, используемые для восстановительной плавки оловосодержащих материалов, являются печами со смешанный эдектронагревои.. Сметаяшй , злектрояагрев представляет собой совместное тепловыделение в -электрической дуге и в сопротивлении слоя шихты или расплава. Ток, протекая в расплаве, создаёт электромагнитное поле, наведённое'о народной стороны ванны электропечи. Показано,. что з панно имэогся три среды с различными удельными плотностями и .иаппггнъш; свойствами. Эта особенность данного процесса может Сыть использована для контроля основных технологически параметров,; таких -как толщина футеровки ванны электропечи и уровень расплава, а также для контроля показателей процесса злегегрош&вки (заглубление.электродов, состояние подины панны электропечи, производительчость пета и др.). •

. Показано, что для улучшения показателей процесса электроп-лавки'оловянных концентратов'необходимо иметь достоверную информацию об основных пара/Петрах технологического процесса, оказывающих определяющее влияние на показатели 1*ачества процесса плавки.

Проведён анализ состояния контроля основных технологических параметров и автоматизации процесса электроплавки оловосодержащих материалов в РТП. Отмечено, что процесс злектроплавкн не отвечает требованиям сегодняшнего дня, слабо автоматизирован, так как автоматически контролируются лишь энергетические параметры, а технологические параметры,. .оказывающие определяющее влияние на процесс, но контролируются по причине отсутствия приемлемых методов их автоматического-контроля. Анализ существующих систем управления показал, что в промышленной практике нашла применение лишь система автоматического регулирования ввода электрической мощности, что явно недостаточно для управления процессом плавки.

, Таким образом, с целью гедения процесса плавки в оптимальном, с точки зрения диапазона изменения основных технологических параметров, режиме, для улучшения показателей процесса электроплавки, требуется разработка взаимосвязанной системы управления, включающей создание прогнозирующей математической модели (Ш) процесса плавки и синтез алгоритмов диагностик;: и оптимального управления. '

' Вторая глава рлЗо-ты посвящена разработке математического описания процесса злектроплавкн оловянных концентратов в РТП, необходимого для организации оптимального' управления.

Отмечено, что в существующей практике управления процессом злектроплавки оловянных концентратов не решены задачи оптимального управления по причине недостаточного развития математического описания процесса. Установлено, что из-за недостатка информации а текущих значениях технологических параметров, существующие ММ являются неполными и достаточно сложными, требуют значительных трудовых затрат при получении информации о текущем значении параметров и моделировании зОъекта. По этим причинам возникает трудность практического использования этих ММ в системах оптимального управления процессом плавки оловосодержащих материалов в РТП.

При построении ММ процесса электроплавки большой интерес представляют проотые в структурном отношении статистические "поли-

номинальные и непараметрическпе модели, построение которых основано на экспериментально-статистичесгагх методах исследования объекта и обработки данных наблюдений и которые свободны от недостатков, присущих детерминированным системам. Для построения статистических моделей с использованием нешрамегричеикий итатиитили и теории вероятности и математической статистики были получены экспериментальные данные об изменении основных параметров технологического процесса.

Обработка экспериментальных данных процесса с помощью параметрического и кепараметрического моделирования ■ показала, что для данного технологического процесса непараметрические 'модели не имеют, преимуществ по сравнен® с регрессионными моделями, так как при их использовании необходимо время адаптации, которое превышает период плавки. По этой причине моде-чь за один период плавки не успевает адаптироваться к изменяющиеся условиям процесса. Непараметрические модели в:условиях данного технологического процесса целесообразно использовать для фильтрации сигнала, та« как РТП сильно затупленный объект.

• Для описания "периодического процесса плавки оловянных концентратов в РТП приняты регрессионные линейные модели. Экспериментальные исследования показали, что переход-к нелинейным моделям не приводит к значительному улучпешээ качества моделей и ММ может быть принята линейной'с достаточной степенью точности.

Экспериментальные данные , полученные на промышленной РТП, проверены на соответствие нормальному 'закону распределения и рассчитаны основные статистики полученных данных. Дальнейшая статистическая обработка, состоит в выборе структуры Ш и оценке параметров связи входных переменных, образующих в совокупности ММ.

На основе текущей кнфорыацгл о состсяшш .процесса первоначально создано математическое описание »екущего состояния процесса плавки в.РТП, которое представляет собой отатизтические вави-'симости расчета удельного расхода электроэнергии , производительности печи Щ и температуры расплава TEju следующего вида:

%Д1 ■ f(1ср|иср»РсР>^СУмДшЛ»Ьэд»Псум,П1,Впх) • ( 1 ) Hi - f (Icp.Ucp.PcpiWcyuiWyxcyw/hsji.Ucyui Тол» Gax) i ( 2 ) Тшл1 » f(Icd»ßaxcyw,Pco>Wcyu,Мудсумi^эл»П?ум>Зщх) ; ( 3 ). rye ICj>, UCp - средние значения фа?них токов к напряжений;

Иеум. Уудсуи " суммарный и удельный суммарный расход электроэнергии; ТШл " температура шлаковой ванны; Ьзл - заглубление электродов; Сшк. БШХСум - текущее и общее количество загружаемой шихты; Рср - среднее значение вводимой мощности; Пе.уи " суммарная производительность печи; 1 - текущие.значения параметров.

С целью получения' достоверной информации о технологическом параметре (уровне расплава НИл) разработаны методика и алгоритм . контроля уровней путем оценивания по информации, доступной оперативному контролю. Теоретический анализ позволил выявить связь между уровнем расплава в ванне печи и характеристиками магнитного поля, наведённого с наружной стороны РТП током.

'Известно, что модуль напряжённости магнитного поля Н для однородной среды с магнитной проницаемостью м-=1 определяется па формуле:

. Н - _Т_ , ( 4 )

• 2KR

где R - расстояние до проводника с током; 1- величина тока, протекающего в контуре, вокруг, которого наводится, магнитное поле.

В случае исследования магнитных полей промышленных РТП выражение (4) принимает вид:

Н - I . < 5 ;

гк (mRi + U2R2 + м-зкз )

где Д2| из - магнитные проницаемости сред с разными магнитными свойствами (нерасплавленная шихта, расплав металла шлак), Ri, R2, R3 - толщина соответствующее сред.

Напряженность магнитного поля в любой точке пространства ха рактеризуется вектором Н, который имеет три взаимоперпендикуляр fine составляющие: проетрш на ось х - Нх, на ось у - Ну и на ос z - И2. Учитывая сложный характер магнитного поля злектрометал • лургических агрегатов закон полного тока записан 8 дифференциала ной форме:

rot Н - Tf dHg _ dHv ) + Т( dHx _ dHg ) +

_ dy dz dz dx

+ k( dHw dHv ) - 1SX + JSy + ic5z , (6

. ' dx ■ dy

гдо rot H - ротор напряженности магнитного поля; Sx, By, I -' проекции вектора плотности тока 5 на соответствующие нормам

2. Т, "5с - коэффициенты, учитывающие распределение тока по составляющим к, у, г соответственно. .

В ванне РТП можно выделить три характерные зоны с' разной магнитной проницаемостью ц : зона нерасплавленной шихты, расплава металла и расплава шлака. Анализ выра^ешй (5) и (6) показывает, что вектор напряжённости магнитного поля Н меняет своё направление о£ при переходе из среды с магнитной проницаемостью щ в среду с магнитной проницаемостью 113 в соответствии с зависимостью:

Ья йо « Ье сц JLz_ , ( 7 )

14

где «1, «2 - угол наклона вектора Н в среде с магнитной проницаемостью щ и да соответственно.

В результате на границе раздела сред с разной магнитной проницаемостью наблюдаются экстремумы напряжённости магнитного поля, обусловленные изменением направления вектора "н.

, Экспериментальные исследования, проведённые на лабораторной установке и на промышленной электропечи, подтвердили возможность контроля уровнен расплавов по напряжённости магнитного поля, наведённого с наружной стороны ванны РТП.

Полученная информация позволяет дополнить модель (1)-(3) еще одним важным технологическим параметром - уровнем расплава шшка Нол в ванне РТП.

Статистические модели такого типа позволяют получать текущую информацию об удельном расходе электроэнергии, производительности печи, температуре расплава и других-технологических параметрах, используя лишь информацию, доступную автоматическому контролю.

Для заводской практики, наряду с оценкой .текущего состояния процесса, значительный интерес представляет упреждающий прогноз изменения основных технологических параметров во времени. В связи о тем, что постоянная времени объекта по различным каналам управления колеблется от 40 до 80 иин., то время периода опроса методом экспертных оценок определено 20 мин. . -

В цветной металлургии организация . упреждающего .прогноза о состоянии процесса плавки, является одной из главных проблем прк автоматизации электропечей. Для организации прогнозирующего контроля выбрала статистическая математическая модехь гаторая представляет собой комплекс зависимостей, :позБолмгоугк получать инфор-

- и.

мацгао о динамике изменения основных технологических параметров: удельного расхода электроэнергии, производительности электропечи и температуры расплава на один или несколько шагов (периодов опроса) вперед, используя'лишь имеющуюся текущую информацию и информацию в предшествующие периоды спроса. Для примера прогнозирующая ММ представлена моделью прогноза температуры расплава на один период опроса вперед:

. Т1,Т1 -1, Оаж суш .Сива >Вщи-1 > ) , ■ (8)

где 1 - текущее значение параметра при измерении; 1+1 -значение параметра на один период опроса вперед; 1-1 - значение параметра в предшествующий период опроса.

Как отмечалось ранее, процесс электроплавки в мощных РТП характеризуется недостатком информации ввиду слабой автоматизации, так как лиаъ некоторые технологические параметры контролируются автоматически. Использование полученной модели позволяет вести оптимальное управление процессом элекгроплавки и при недостатке информации. По разработанной ЗВМ рассчитывает прогноз изменения основных технологических параметров, на основании которого определяются управляющие воздействия.

Управляющими воздействиями для процесса .электроплавки оловосодержащих материалов является изменение•количества и химического состава загружаемой шихты и ввода электрической мощности.

В общем'виде количество загружаемой шихты бщх рассчитывается по формуле:

Вшх » бконц + бцаа + бкоко • (9)

где Бконц , биав , бкокс - количество соответственно оловянного концентрата, извести и кокса в общем количестве материалов, загружаемых в электропечь.

Однако, использование компонентного состава загружаемой шихты в качестве управляющих воздействий по ходу плавки невозможно, так как эта информация недоступна оперативному контролю (контроль осуществляется со значительным запаздыванием) и в условиях действующего предприятия это связано о"изменением загрузочного устройства. Поэтому модель расчета управляющих воздействий представляет собой систему двух уравнений и позволяет рассчитывать ввод

электрической мощности Реум и количество загружаемой шихты (Заи с зависимости от прогноза: '

Реум = £ (СЬх сум. I > 'П,, V/!, Усу)^, Тшд, Куд^,

"УД СУМ1+1М, МПЛИ-1Ы, "'«'уд сум»

'^уд суш+1м» Тшл1+1м. Д^'уд С!/М, ДТшл)

I

(10)

Особенность^ расчета управляющих воздействий является то, что они определяются по отклонении прогнозируемого значения параметра от его оптимального значения.

Третья глава работа посвящена синтезу системы оптимального управления процессом плавки оловянных концентратов, выбору крпте-' риев оптимального управления и управляющих воздействий и разработке алгоритма оптимального управления, ориентированного на современные управляющие вычислительные мазшш (УЕМ).

В существующей практике■электроплавки оловянных концентратов действует система регулирования ввода электрической мощности на базе серийно-выпускаемых регуляторов мощности АРДМТ. Однако, для оптимального управления процессом злектропланки только регулирования ввода электрической мощности недостаточно. Поэтому актуальной является разработка системы регулирования и алгоритмов управления процессом загрузки пихты, ' которая совместно с системой регулирования энергетическим .режимом. вкшзчена в систему оптимального управления процесса электроплавки оловянных: концентратов. В связи с.этим в данной работе рассматриваются вопросы разработки взаимосвязанной системы управления процессом электроплазки% и в частности, разработки алгоритма ее работы. Автором предложена замкнутая система управления, в которой расчёт управляющих воздействий (количество загружаемой шихты и. ввод,электрической мощности) регулируется в зависимости.от состояния технологического процесса.

Разрабатываемый алгоритм должен учитывать текущее состояние процесса и прогноз изменения основных технологических параметров. Исходя из этих требований разработан алгоритм управления процессом плавки , блок-схема которого приведена на рхс.1. Система, рг-■ ботающгч по данному алгоритму, позволяет выявить' нарушения в рз-

с

начало

3

ееод

исходных данных

подпрограмма опроса датчиков 11ДН,Рг,н, ТШлI Пал< Мэ/э >Ошк

расчет технико-экономических показателей: Иуд, П, Т ¡¡¡л

О*

подпрограмма диагностики

нет

□ 6 --'—-:- I- 8--1-

выпуск продуктов плавки 1 подпрограмма прогноза

подпрограмма расчета управляющего воздействия б

выдача б на исполнительный механизм

I— ю --

I выдача аварийного 6

г— 13--

[ индикация информации

Г

14

связь о оператором

Риа.1. Блок-схема алгоритма работы системы оптимального управления процессом алектроплавки в РТП

боте электродов, нарушения в работе системы загрузки шихты, учитывать входные потоки сырья 1Г электроэнергии (блок 1 и блок 2). и получать показатели процесса практически непрерывно по ходу плавки (блок 3). Это даёт возможность. организовать диагностику состояния процесса .электроплавки (блек 4) и прогноз изменения основный: .технологических параметров на. один или несколько шагов вперёд (блок 8). По данным диагностики и упреждающего прогноза рассчитываются управляющие воздействия (блок 11),' позволяющие оптимизировать управление в ззеис;г,:ссти от текущего состояния процесса.

Данпзя система управления является сложной и для ее реализации автором разработан ряд методик и-алгоритмов контроля и управления, а именно:

- ачгорптм спроса датчиков;

- методг.1-:а и алгоритм определения зкстре,\гума напряженности магнитного поля;

- алгоритм диагностик»- процесса зле-ктроплавки;

- методика и алгоритм прогноза;

- методика и алгоритм расчета управляющих воздействий.

Разработанный алгоритм системы управления относится к классу

открытых, что позволяет при необходимости дополнить его новыми подсистема),!!!, расширяются! возможности данной спстеш управления.

Анализ структуры.алгоритма показывает, что возможности организации оптимального управления расширяются с использованием системы диагностики и упреждающего прогноза изменения основных технологических параметров.

Разработанный алгоритм оптимального управления процессом электроплавки в РТП в значительной степени определяется существующей технологией.. Сегодняшние его возможности ограничиваются кругом технологических параметров, доступных 'автоматическому контролю. Особенностью разрабатываемой системы управления является на- ' личие в ее составе диагностического контроля.

В четвертой главе работы рассмотрены вопросы практической • реализации АСУ электроплавки оловосодержащих материалов в РТП.

Отмечается, что существующие системы управления процессом плавки не удовлетворяют предъявляемым требованиям по причине неполноты и неоперативности получения информации по ходу плавки. Кроме того, использование приемлемых АСУ требует изменения коне-

трукцип плавильного цеха (реконструкции загрузочного узла), что связано со значительными капиталовложениями к в условиях Новосибирского оловянного комбината (НОКа) невозможно.

Организация оптимального управления процессом ялектроплавкн в РТП является сложной задачей со шогпиа неизвестными.- Задача усложняется отсутствием текущей информации о важнейших технологических парметрах, 'управляющих воздействиях, трудно учитываемых возмущениях. Но для каждой плавки задача оптимизации сводится к обеспечению максимального .-извлечения олоза в-металл и минимального содержания олова в шлаке приыиншзльном расходе электроэнергии и максимальной производительности. Таким образом, задача оп-■ тимизации процесса электроплавки оловянных концентратов относится к многокритериальным задачам.

Постановка задачи оптимального управления включает в сеСя три основных этапа:

1. выбор критерия оптимальности и задание в математической форме цели управления; • -'■/''

2. определение;математической модели объекта и установление ограничений на его входные и выходные, переменные;

3. выбор методов решения поставленной задачи.

. Для решения задачи оптимального управления процессом, электроплавки оловянных концентратов используется многокритериальный закон управления, который представлен в следующем Еиде: т.

I - (а -Qi + 0 02 + Y Сз) dt -» extr , (11)

'О .-'-.'

где «, 8, г - коэффициенты веса; Т - время периода опроса; Q1.Q2.Q3- Локальные критерии оптимальности; . '

Qi ■» Csn » f(Реум. (Зшх.Ъ —-» min , . (12)

Q2 - ». f (Реум. GaxU) —'► Bin , (13)

03-n - f(PcyM.-Grot.t) .—'.пах ••.': (14)

В зависимости от конкретных условий работы предприятия на основании экспертных оценок' определяются значения весовых коэффициентов; как частный случай од-га из критериев оптимальности является первичным, остальные выступают в качестве ограничений, накладываемых на систему. ;,

" Особенностью данной АСУ электроплавки является наличие в-ее составе диагностического и прогнозирующего контроля/ основанного

из использовании 'Ш прогноза изменения основных технологических параметров и расчета управляющих воздействий. В соответствии со структурой разрабатываемых моделей и алгоритмами расчета, приведенными во второй н третьей глаза:'., проведена обработка экспериментальных данных, полученных на промыакенной электропечи. Для решения поставленной задачи выбраны статические линейные модели и дается обоснование такого выбора, а именно:

во-первых: процесс электроплавкп стохастический, характеризуется большой постоянной времени;

ео-вторых: такие модели наглядны и просты; в-третьих: б программном обеспечении ЗВМ существуют пакеты, •позволяющие произвести необходимую обработку•данных;

в-четвертых: скорость обработки информации повышается в 5-10 раз, по сравнения о нелинейными моделями;

в-пятых: отличие модельных данных от экспериментальных находится в допусти,-их пределах, определяешь гехнкчес.тагг условиями.

Для-построения моделей такого рода использован регрессионный анализ, проведенный а пакете Quatro Fro, специально разработанном для обработки табличных данных.

Раньше было отмечено, что процесс электроплавки характеризуется значительны;.! количество!-! техаолсгических паргметров (более 20), но не все из них доступны в настоящее время оперативному, »автоматическому контролю. По этой причине Еазникзет задача построения математических моделей, используя минимальный набор переменных. ■ В ходе обработки экспериментальных данных получены модели расчета текущих значений удельного расхода электроэнергии У7Д, -производительности электропечи ПСум и температуры шлака ТИл (для примера представлена модель рзсчета производительности печи):

П - 13783 - 0.002 Gnx cw + 2.08 Wj - 0.007 Wyai- ' (35)

- 1.S6 ТШл +. 10.07 Gj,xi - 6,45 РСум + 0.004 Wcyu о коэффициентом множественной корреляции R «• 0.97Q .

При разработке прогнозирующей ММ расчета удельного расхода электроэнергии, температуры расплава и производительности печи учитывается информация об этих параметрах не только в текущий момент времени, но и в предшествующие. Прогнозирующая модель построена на один и д£а шага (периода опроса) вперед и имеет следую-

. щий вид (на примере модели расчета производительности на один период опроса вперед):

Щ+1 ■> - 5733.5 - 20ВЗ.З 1 - 7.6 - 0.00? УуД1- 0.7 П4 -

- '2.15 Щ-а -7.61 «1 + 0.21 <Йах + 0.65 Тшл + (16)

+ 10.22 йШХ1 + 26.9 6щХ1-1 +0.33 Иудсум +11.6 РСум

Анализ полученных результатов показал, что наибольшей эффективностью обладает Ш прогноза на один период опроса вперед, • что объясняется особенностями технологического процесса. Полученные модели проверены на адекватность и значимость линейной связи, что подтверждает надежность и достоверность полученных результатов. Данные модели положены зз основу системы оптимального управления.

Все параметры, используемые в моделях, измеряются автоматически, а температура ГШл и производительность ПСум рассчитывается на ЭВМ. Сбор и обработка всей информации об основных технологических параметрах осуществляется с помощью системы диагностики. В соответствии алгоритмом (гл. 3) разработана структура системы диагностики. В состав ОД кроме датчиков и вычислительной машины введены два дополнительных блока - блок подготовки данных и пульт оператора-технолога. ,

СД решает проблему сбора, регистрации и анализа всей доступной в настоящее время информации о процессе плавки, определяем практические рекомендации оператору (плавильщику) для управления. Она позволяет оценить изменение основных технологических параметров при взаимодействии двух непрерывных потоков - потока, загружаемой шихты и вводимой мощности и выходных потоков - потока периодически выпускаемого шлака и металла и тепловых потерь. .

С целью оперативного получения информации о' важнейших параметрах по предлагаемой методике .разработана система контроля уровней расплавов в ванне печи на базе микро ЭВМ.

Суть,предлагаемого метода контроля уровней расплавов по напряженности магнитного поля заключается в следующем. В месте предполагаемой границы раздела сред стационарно устанавливается блок датчиков напряженности магнитного поля »информация с которых обрабатывается, устанавливается номер катушки, которой соответствует экстремум напряженности магнитного поля и определяется уровень расплаза в'ванне электропечи. Данная информация выдается на пульт 'оператора и используется в системе управления.

Предложенная' методика, позволяет контролировать' границы сред о разной магнитной проницаемостью, а именно: шихта-расплав шлака, расплав шлака-рзсплзз металла, расплав метаяла-подина печи, что

поёводяет аЬГСмаТ ¡Г^-гСКП КСНХрСЛирОБНТ!» ПриПЗВОДПТиЛХлПОСТЬ иЛС!СТ

рэпс-чп непосредственно по ходу плавки. 'Опытная эксплуатация системы контроля уровнен расплавов на Юргинском абразивном заводе и Норильском горно-металлургическом комбинате (НГМКе) подтверждают обоснованность использования разработанной методики для контроля уровней расплавов по напряженности магнитного поля.

Проведенный анализ заводской практики „рудной электроплавки оловянных концентратов показал, • что для оптимизации процесса плавки необходимо совместное управление загрузкой шихти и вводом электрической мощности.

Для ведения процесса электроплавки в оптимальном реяше на основе упомянутого выше подхода- построена Ш расчета управляющих воздействий (количества загружаемой шихты и вводимой электрической мощности) согласна выражения (13), где учитываются.и текущие значения технологических параметров, и их прогноз. Особенностью расчета управляющих воздействий является то, .что они определяются в зависимости от отклонения прогноза контролируемого параметра от его оптимального значения Д ТШд и Д 'л'уд.

Модель расчета управляющих воздействий представляет собой систему регрессионных уравнений:

Бшх - 218.7 + 0.012 БшХ Сум + 183-'' I + 0.08 П4 + + 0.08 Wi - 0.012 Wcvm + О.063 Тшд - . - 0.006 Wyai - 0.009 WVa Суш+1м " 0.97 ДТшл -•' -1.2 Тшлi +1м + 0.005 ДИул Сум с коэффициентам множественной корреляции R « 0.98,

Реум - 1662.9 + 0.023 <3щх сум + 211.9 I + 0.0006 Щ --0.165 Wi -0.02 WCVM+ 0.062 ТШл - 0.0013 Wyfli+ + 0.305 Иуд суш+lu ' 1.344 W+lu " - 0.296 AWya сум - 1.138 ЛТщл с коэффициентом множественной корреляции R » 0.97 .

(17)

Система управления опробована в промышленных условиях на Новосибирском оловянном комбинате (НОКе), в процессе эксплуатации

- Ш -

определена эффективность использования комплексного управления. Результаты проьмшленной эксплуатации показывают, что использование взаимосвязанной системы управления .приводит к стабилизации температурного режима работы РТП (рис.2). Разброс температуры в рабочем пространстве печи уменьшается до БО°С, а также наблюдается снижение расхода электроэнергии в среднем на 37..

Т,°С 1350 1300 1275 1250

г

/

У" V ч< V

\„ к

О.Б

1.;

Ь, час

Рио,2 Кривые изменения температуры расплава для различных систем управления: 1 - при наличии АСУ; 2 - при обычном способе управления путем стабилизации йвода мощности

Анализ результатов показывает,. что при комплексном управлении технологический процесс проходит в температурном режиме близком к оптимальному. Внедрение' системы показало, что организация такого; оптимального управления приводит к сокращению содержание олова -в шлаке на 3--5Х за счет стабилизации температурного режима и уменьшения среднего значения температуры (рис.3).

12 3 4 6 6 7 8 9 10 11 12 номер плавки

Рио.З Содержание, олова в илакач для различных систем управления : 1 - при обычном способе управления; 2-е использованием разработанной системы оптимального управления

Система управления относится к класоу'открытых и при необходимости позволяет ввести изменения в ее структуру и математическое списание процесса.

Разработанная система оптимального управления процессом .электроплаЕУШ олоЕосодерягаи;« материалов в РТП на баге УЕМ с тополь заванпем диагностического и прогностического контроля позволяет увеличить срок службы печати оборудования, улучшить условия труда плавильщиков,.уменьшить загрязнение окружающей среды.

Как результат работа определены рекомендации о возможности перехода к бездозодочному режгму злектроплавкя оловянных концентратов', в результате чего достигается дополнительная экономия электроэнергии и сокращение общего времени плавки'. ' ' ,

Разработанные маТемахпчеипио мидели и алгоритмы положены в основу компьютерного тренажера для обучения.плавильщиков.. Материалы данной работы включены в разработанный тренажер для НОКа и НГМКа и внедрены в учебный процесс по курсу "Математическое моделирование и оптимизация технологических систем" в КГАЦМиЗ.

-ЗАКЛЮЧЕНИЕ-

В результате выполненных исследовакий достигнута поставленная цель работы и получены следующие, научные результаты:

1. Разработана математическая модель, прогноза изменения основных технологических параметров процесса плавки оловосодержащих материалов в РТП.

Показано, что организация упреждающего прогноза дает возможность- оценить состояния процесса не только в текущий момент времени, но и-прогнозировать изменение основных, технологических параметров во времени.

2. Разработана система диагностики и алгоритм ее работы. Алгоритм работы системы диагностики опробован в промышленных условиях. Система позволяет оперативному персоналу непрерывно контролировать основные технологические параметры, учитывать входные потоки сырья и электроэнергии и получать показатели плавки по ходу процесса.

3. Разработана и практически реализована методика, алгоритм И система контроля уровней расплавов 'по напряженности магнитного поля на включенной РТП. Доказано, что разработанный метод псаво-

ляет получать информацию о состоянии процесса электроплавки практически непрерывно и улучшить показатели плавки, уменьшить загрязнение окружающей среды и улучшить условия труда плавильщиков.

4. Построена для процесса злектроплавки оловяннглх концентратов математическая модель расчета управляющих воздействий на основе прогноза изменения основных технологических параметров процесса плавки, позволяющая определять оптимальные значения управляющих воздействий на прогнозируемый период.

5. На основе системы диагностики -и упреждающего.прогноза разработан и практически реализован алгоритм и система оптимального управления по принципу отклонения.

Установлено, что-использование предложенного алгоритма оптимального управления позволяет своевременно выявлять нарушения хода технологического.процесса и прогнозировать возникновение аварийных ситуаций. Выходным документом является карта плавки, в которой приводятся текущие значения параметров, их отклонения от нормального режима плавга и рекомендации оператору.

6. Экспериментальные исследования разработанной системы оптимально го управления доказывают ,что организация такого управления приводит к снижению содержания олова в шлаке на 3-5£ 'за счет стабилизации температурного режима печи, а также организация диагностического" и прогностического контроля позволит вести электч-роплавку оловянных концентратов в беэдоводочном режиме.

7. Разработанные в-диссертационной работе математические•модели и алгоритмы составляют основу компьютерного тренажера для обучения технологического персонала (операторов,, плавильщиков). Результаты работы включены в разработанный компьютерный тренажер для Новосибирского оловянного комбината и Норильского горко-металлургического комбината и внедрены в учебный процесс по курсу "Математическое моделирование и оптимизация систем управления" в КГАДМиЭ.

Дальнейшая работа строится в направлении развития системы управления процессом злектроплавки оловянных концентратов и совершенствования 'компьютерного тренажера.

Основное ссд^ржмгае диасеркщиошюй работы опубликовано в аяедусцпх работа/.:

1. Казинникова В. Л. Исследование магнитных полей руднотерми-ческих печен// тегчсы .докладов кцаиаоя кинц&уеицшз "Сйвгршелс-твованиэ технологии производства цветных металлов с целью повизв-

' ния эффективности использования сырья". - Красноярск, 1989, - с.102-103 .

2. Горенский Б.М., Казишшкова В. А. 0 целесообразности исследования магшшпдс полой РТП // Tesi:cu докладов наушо-техшиео-ксй конференции "Пробдеш повмеиия эффективности производства и использования цветных металлов в народном хозяйстве". Часть 1. -Красноярск, 1В89, с.111-112,

3. Гсренсшя: Б.М., Собашгасклй И.Н., Кгэшщгасова В. А.Контроль состояния параметров плавки в РТП на основе определения вре- . менных рядов // Тезисы докладов конференции "Моделирование, идентификация и синтез систем управления в- химических и хйииво-ыетал-лургических производствах". - Квшго-<5ранковск, 1990,

4. Калинникова В. А.Применение микро SBM для контроля уровней расплавов РТП по напряженности магнитного поля // Тезисы докладов, краевой конференции "Молодежь и научно-технический прогресс".. -Красноярск, 1090, с.100-101 . .

5. Горенский б:.М. , Тюкпеев В. В., Корень ко в.М., Кремов 8. Д., Алесин Ю.Г., Кабикникова В.Л.Микропроцессорная система контроля уровней расплавов на промышленной электропечи // Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому- совещанию "Состояние и перепек- ■

. тивы применения микропроцессорной техники и автоматизацгш". -Москва, 1990, с.

б'. Горенский Б.М., Тюкпееа В.В., Собачинсюш H.H., Корень-коВ.М., Кузьменко Т.К., Казюшикова В. А. Система, диагностики процесса плавки в РТП на базе управляющей микро ЭВМ // Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому совещанию' "Состояние и перспективы применения микропроцессорной техники и автоматизации". - Москва, 1990, с. "

7. Тюкпеев В.В., Коренько В.М., Кузьменко Т.К., Хромов В.Д., Казинникова В. А. Исследование влияния изменения режима работы электропечи на характер изменения наводимого магнитного поля // В межвузовском сб. "Оптимизация режимов работы оистем электроприводов'*. - Красноярск, 1990, 0.131-132.

8. Горенский Б.М. , ТюкпеевВ.В., Хромов В. Д., Алешин Й. Г., Казинникова В. А. Микропроцессорная система контроля уровней расплавов на промышленной печи // "Цветные металлы". - Москва, 1991, N5, 0.74-75 . '

9. Горенский Б.М., Казинникова В.А., Мельцер Л.А. Алгоритм расчета производительности по данным прогноза // Тезисы докладов научно-технической конференции "Совершенствование технологии по-

ноярск, 1995, с.43-44.

10. Казинникова В.А., Мельцер Л.А.. Расчет управляющих воздействий при плавке оловосодержащих материалов в РТП // Тезисы докладов краевой студенческой конференции "Студент, наука и цивилизация". - Красноярск, 1995, с.57-58.

11. Казинникова В.А., Автухов В.В., Горенский Б.М. Алгоритм оптимального управления процессом загрузки-шихты-в печь // В межвузовском сб."Оптимизация режимов работы систем электроприводов", - Красноярск, 1995, с.17-22. ■ •'

12. Казинникова В.А., Иноземцев Р.Г. Использование прогностического контроля для расчета управляющих воздействий // Тезисы докладов зональной конференции "Совершенствование методов поиска и разведки, технологии добычи и переработки руд". - Красноярск, 1996, С.З. •

лучения и обработки сплавов и композиционных материалов". - Крас-